title: Βέλτιστος έλεγχος για την διαχείριση δικτύου νερού, με τη χρήση προβλεπτικού ελέγχου
title: Optimal operational control of distribution water networks based on predictive control
Creators: name: Μελαγωνιτη Κωνσταντινα
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2018

description: Energy costs for pumping account for the largest part of the total operating cost of water supply networks. In this thesis we deal with pump schedule optimization of water distribution networks based on Model Predictive Control. 
Model Predictive Control (MPC) is an anticipatory control methodology, that originated in the process industry in the 70’s and has been subject of research for drinking water and wastewater management over the last one or two decades. 
An MPC controller for a midscale water pumping station is developed in order to optimize the operation plan of the system for minimum energy consumption. An MPC approach is used to determine the optimal operation plan of the pumps, while taking into account physical constraints of the system, such as tank water level lower and upper limits. 
The MATLAB Simscape block library has been used to build a full model of a midscale pump station in a Simulink modelling and simulation environment. The system consists of four pumps, fed by a reservoir, that pump water to a tank through a pipeline. The initial model has been simulated in order to observe and examine the behavior of the system, and an updated model was designed to introduce the control methodology. The greek pump station of Vlites, in Akrotiri area of Chania (Crete island), is taken as a case study. All detailed information about the operation of this pump station is from OAK AE. The MPC control approach is tested and the results are discussed. 
Finally, the case study is tested in a 24-hour time horizon and pump operation plans are proposed for different water demand scenarios. The energy costs with the MPC approach are compared to those of empirical pump operation control. The simulations show that MPC has better results regarding energy consumption for certain scenarios and worse for others. When the controller is expected to maintain the tank water level at a very high setpoint, the comparison does not favor the MPC, whereas, when the setpoint is at a lower level, MPC shows an improvement on energy consumption, over the conventional control. 
description: Το κόστος ενέργειας για την άντληση αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος του συνολικού κόστους λειτουργίας των δικτύων ύδρευσης. Στην εργασία αυτή ασχολούμαστε με τη βελτιστοποίηση του προγράμματος αντλιών των δικτύων διανομής νερού βάσει Προβλεπτικού Ελέγχου.
Ο Προβλεπτικός Έλεγχος (Model Predictive Control ή MPC) είναι μια μεθοδολογία πρόβλεψης ελέγχου που ξεκίνησε στις μεταποιητικές βιομηχανίες στη δεκαετία του ‘70 και έχει αποτελέσει αντικείμενο έρευνας για τη διαχείριση του πόσιμου νερού και των λυμάτων κατά τη διάρκεια των τελευταίων ενός ή δύο δεκαετιών.
Για την βελτιστοποίηση του σχεδίου λειτουργίας του συστήματος για ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας έχει αναπτυχθεί ένας ελεγκτής MPC για σταθμό άντλησης νερού. Μια προσέγγιση MPC χρησιμοποιείται για τον καθορισμό του βέλτιστου σχεδίου λειτουργίας των αντλιών, λαμβάνοντας υπόψη τους φυσικούς περιορισμούς του συστήματος, όπως το ανώτατο και κατώτατο όριο του επιπέδου της στάθμης του νερού της δεξαμενής. 
Η βιβλιοθήκη Simscape της MATLAB χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή ενός πλήρους μοντέλου αντλιοστασίου μεσαίας κλίμακας σε περιβάλλον Simulink για μοντελοποίηση και προσομοίωση. Το σύστημα αποτελείται από τέσσερις αντλίες, τροφοδοτούμενες από μια δεξαμενή, που αντλούν νερό προς μία δεξαμενή μέσω αγωγού. Το αρχικό μοντέλο έχει προσομοιωθεί προκειμένου να παρατηρηθεί και να εξεταστεί η συμπεριφορά του συστήματος και ένα ενημερωμένο μοντέλο σχεδιάστηκε για να εισαγάγει τη μεθοδολογία ελέγχου. Το ελληνικό αντλιοστάσιο του Βλητέ, στο Ακρωτήρι Χανίων, χρησιμοποιείται ως case study. Όλες οι αναλυτικές πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία αυτού του αντλιοστασίου είναι από τον OAK AE. Η προσέγγιση ελέγχου MPC εξετάζεται και τα αποτελέσματα συζητούνται.
Τέλος, το υπό μελέτη σύστημα δοκιμάζεται σε χρονικό ορίζοντα 24 ωρών και σχέδια λειτουργίας των αντλιών προτείνονται για διάφορα σενάρια ζήτησης. Το κόστος ενέργειας με την προσέγγιση MPC συγκρίνεται με εκείνο του εμπειρικού ελέγχου λειτουργίας αντλιών. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι ο MPC έχει καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας για ορισμένα σενάρια ζήτησης νερού και χειρότερα για άλλα. Όταν ο ελεγκτής αναμένεται να διατηρήσει τη στάθμη του νερού της δεξαμενής σε ένα πολύ υψηλό σημείο, η σύγκριση δεν ευνοεί τον MPC, ενώ όταν το σημείο αναφοράς βρίσκεται σε χαμηλότερο επίπεδο, ο MPC εμφανίζει μια βελτίωση στην κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με τον συμβατικό έλεγχο.