Διαχείριση Υδατικών Πόρων

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος Διαχείριση Υδατικών Πόρων Θέμα εξαμήνου: Διαχείριση ταμιευτήρων πολλαπλού σκοπού Χ. Μακρόπουλος, Αναπ. Καθηγητής ΕΜΠ Δ. Νικολόπουλος, Y.Δ. ΕΜΠ & Γ. Τσουκαλάς, Y.Δ. ΕΜΠ

2 Στοιχεία Επικοινωνίας Γραφείο 207 Κτήριο Υδραυλικής, Δεδομένα Θέματος Mycourses Διαχείριση Υδατικών Πόρων Έγγραφα WRM_Part_B_Makropoulos Thema_Deuterou_Merous_DYP_2017_Final.pdf ΘΕΜΑ_ΔΕΔΟΜΕΝΑ.xlsx Αλλά και hyperlinks στη πρώτη σελίδα του μαθήματος.

3 Βεβαιωθείτε πως έχετε ενεργοποιημένα τα ακόλουθα add-ins: Analysis ToolPak Solver Add-in File Options Add-ins Manage: Excel Add ins Go Analysis ToolPak Solver Add-in

4 Περιγραφή συστήματος Εισροή 2 Εισροή 1 VV EE = αα DD ΥΥ + DD AA Ταμιευτήρας 2 Ταμιευτήρας 1 Αντλία Στρόβιλος 2 Στρόβιλος 1 Ύδρευση (DD YY ) Άρδευση (DD AA ) Παραγωγή ΥΗΕ (PP 1 )

5 ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑΣ 1 Κατώτατη στάθμη λειτουργίας Ανώτατη στάθμη λειτουργίας Στάθμη πυθμένα Παραμετρος κ 8.55 Παράμετρος λ 1.21 Μέγιστο απόθεμα??? Νεκρός όγκος??? Αρχική στάθμη [m] Αρχικό απόθεμα [hm 3 ]??? Μηνιαία παροχετευτικότητα αγωγού πτώσης 1 [hm 3 ] Έξοδος Υ/Η σταθμού 1 [m] Ειδική ενέργεια ψ 1 [GWh/hm 4 ] 0.23 Δεδομένα Ταμιευτήρων ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑΣ 2 Κατώτατη στάθμη λειτουργίας Ανώτατη στάθμη λειτουργίας Στάθμη πυθμένα Παραμετρος κ 5.00 Παράμετρος λ 0.84 Μέγιστο απόθεμα??? Νεκρός όγκος??? Αρχική στάθμη [m] Αρχικό απόθεμα [hm 3 ]??? Μηνιαία παροχετευτικότητα αγωγού πτώσης 2 [hm 3 ] Έξοδος Υ/Η σταθμού 2 [m] Ειδική ενέργεια ψ 2 [GWh/hm 4 ] 0.24 Η καμπύλη στάθμης (Z) - αποθέματος (S) είναι μια εκθετική σχέση της μορφής SS = κκ ZZ ZZ λλ mmmmmm, όπου ZZ mmmmmm η ελάχιστη στάθμη. Σχεδιάστε τα διαγράμματα στάθμης αποθέματος κάθε ταμιευτήρα & υπολογίστε το μέγιστο απόθεμα, το νεκρό όγκο και το αρχικό απόθεμα κάθε ταμιευτήρα.

6 Δεδομένα Ταμιευτήρων

7 Εισροή στους ταμιευτήρες Δίνονται χρονοσειρές εισροής II 1, ΙΙ 2. Φτιάξτε γραφήματα με τις PDF & CDF των II 1, ΙΙ 2 Στατιστικά στοιχειά ανά μήνα/έτος; Μετατροπή σε πίνακα (Pivot tables) Υπολογίστε την μέση τιμή, τυπική απόκλιση & ασσυμετρία της εισροής κάθε μήνα ( AVERAGE(), STDEV(), SKEW() ) Data Data Analysis Histogram Cumulative Percentage Chart Output Insert Pivot Table Rows: Years Columns: Months Σvalues: I

8 Εισροή στους ταμιευτήρες

9 Ζητήσεις συστήματος Δίνονται σταθερές ετήσιες ζητήσεις Ύδρευσης και Άρδευσης ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑΣ 1 Υδρευτική ζήτηση [hm 3 ] 0 Αρδευτική ζήτηση [hm 3 ] 0 Μηνιαία παραγωγή ΥΗΕ [GWh]??? ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑΣ 2 Υδρευτική ζήτηση [hm 3 ] 30 Αρδευτική ζήτηση [hm 3 ] 120 Μηνιαία παραγωγή ΥΗΕ [GWh] 0

10 Διάγραμμα ροής λειτουργίας Ταμευτήρα 1 Αρχή: ii = 1 Υπολογισμός στόχου απόληψης ΥΗΕ DD PPPP Απόληψη για παραγωγή δευτερεύουσας ΥΗΕ Χ ii Υπολογισμός αποθέματος στην αρχή του μήνα SS ii Απόληψη ΥΗΕ XX PPPP Χ ii < (S max S i ) ΟΧΙ ΝΑΙ Απόληψη εκτροπής XX EEEE XX EEEE < DD EEEE ΝΑΙ Αστοχία ΥΗΕ XX PPPP < DD PPPP ΟΧΙ Νέο απόθεμα SS ii ΝΑΙ Υπερχείλιση WW ii SS ττττττττττ = SS mmmmmm ΟΧΙ Νέο απόθεμα SS SS ii SSSSSSSS ΟΧΙ ii = ii mmmmmm ΝΑΙ Αστοχία Ε SS ττττττττττ = SS mmmmmm ΟΧΙ ii = ii + 1 Τέλος

11 Κατάστρωση ισοζυγίου Ταμευτήρα 1 Σε ένα νέο φύλλο, αντιγραφή δεδομένων των ταμιευτήρων. Για την εισροή του Τ1 αντιγραφή στη θέση Ε13. Extend selection: Ctrl+Shift+βελάκι κατεύθυνσης Διαμόρφωση 1ής γραμμής ισοζυγίου πρώτα! (Εξάρτηση από αρχικές τιμές) S αρχή = I + αρχικό απόθεμα

12 Ζήτηση εκροπής Για την επόμενη στήλη χρειάζεται η γνώση του κανόνα λειτουργίας, όπως και των ζητήσεων του Τ2. Προς το παρόν dummy τιμή.

13 Ζήτηση εκτροπής D Ε Για την επόμενη στήλη χρειάζεται η γνώση του κανόνα λειτουργίας, όπως και των ζητήσεων του Τ2. Προς το παρόν dummy τιμή. Π.χ. 10% της ετήσιας ζήτησης Υ+Α σταθερή ανά μήνα F4:κλείδωμα κελιού

14 XX EE = min(dd EE, ιαθέσιµος όγκος) Απόληψη για εκτροπή Χ Ε

15 Αστοχία & Έλλειμμα εκτροπής Πότε έχουμε αστοχία; Άλλος τρόπος έκφρασης; Έλλειμμα

16 SS = SSαααααααα XX EE Χρειάζεται κάποιος πρόσθετος έλεγχος; Ενδιάμεσο απόθεμα SSS

17 Υπολογισμός Ζ αρχής Υπολογισμός της στάθμης Z στην αρχή του μήνα. Γιατί; 1/λλ Σχέση στάθμης αποθέματος: SS = κκ ZZ ZZ ZZ mmmmmm + SS λλ mmmmmm ZZ = min( ZZ mmmmmm + SS kk kk 1/λλ, ZZ mmmmmm )

18 Ζήτηση YHE D ΥΗΕ Υπολογισμός ζήτησης (σε μονάδες όγκου) για την παραγωγή ΥΗΕ : EE = ψψv(z Z 0 ) VV = EE /[ψψ ZZ ZZ 0 ] Τα ZZ σε μονάδες [hm] ΌΧΙ σε m! Ο στόχος ΥΗΕ προκύπτει από βελτιστοποίηση. Προς το παρόν δώστε μια λογική τιμή π.χ. 10 GWh Μηνιαίος στόχος ΥΗΕ [GWh] ψψ [GWh/hm 4 ] Υψος πτώσης Απόλυτο υψόμετρο στροβίλου [m] Μετατροπή σε [hm]

19 Απόληψη YHE Χ ΥΗΕ και παραγωγή Απόληψη Χ ΥΗΕ : min(dd ΥΗΕ, Διαθέσιμος όγκος, παροχετευτικότητα) Max παροχετευτικότητα QQ ZZ αααααααα Ζήτηση (σε όγκο) SSS Νεκρός όγκος Διαθέσιμος όγκος Απόληψη Χ ΥΗΕ ψψ Απόλυτο υψόμετρο στροβίλου [m]

20 Αστοχία Αστοχία & Έλλειμμα παραγωγής Έλλειμμα Στόχος EE Στόχος EE

21 Υπολογισμός SS Έλεγχος Υπερχείλισης WW Έλεγχος υπερχείλισης WW Μέγιστο απόθεμα

22 Παραγωγή δευτερεύουσας ΥΗΕ Υπολογισμός Extra απόληψης XXX Max παροχετευτικότητα Q Απόληψη Χ Έλεγχος WW Έλεγχος υπολειπόμενης παροχετευτικότητας Δευτερεύουσα ΥΗΕ Σχέση VV EE

23 Πραγματική υπερχείλιση WWW Κλείσιμο ισοζυγίου SS ττττττττττ = SS WW ή (XX + WWW) Sτέλος

24 Πραγματική υπερχείλιση WWW Κλείσιμο ισοζυγίου SS ττττττττττ = SS WW ή (XX + WWW) Προσθήκη στη στήλη SS αααααααα κ.ο.κ

25 Πραγματική υπερχείλιση WWW Κλείσιμο ισοζυγίου SS ττττττττττ = SS WW ή (XX + WWW) Προσθήκη στη στήλη SS αααααααα κ.ο.κ

26 Καμπύλη ενέργειας (1) Συνολική ΥΗE: Παραγωγή λόγω μηνιαίου στόχου + δευτερεύουσα Συνάρτηση count() Πιθανότητα υπέρβασης εμπειρικής κατανομής! Στήλη με Α/Α

27 Καμπύλη ενέργειας (2) Κατάταξη μηνιαίας παραγωγής ΥΗΕ σε φθίνουσα σειρά Το k μεγαλύτερο στοιχείο στο array Στήλη κλειδωμένη

28 Γραφική απεικόνιση παραγωγής Data selection Insert Scatter Scatter with Smooth Lines Καμπύλη ενέργειας (3) Εύρεση πρωτεύουσας ενέργειας (95% ή 99%) Χρήση συνάρτησης VLOOKUP() Αναζήτηση αυτής της τιμής Στήλη από την οποία επιστρέφει τιμή Vertical look up Array στο οποίο ψάχνει το όρισμα η συνάρτηση True: όχι ακριβής ταύτιση

29 Αστοχία/Αξιοπιστία Κριτήρια επίδοσης (1) Μέσο μηνιαίο έλλειμμα Άθροισμα 0 και 1 Μέσος όρος στήλης Συχνότητα αστοχίας Αξιοπιστία = 1-Αστοχία

30 Κριτήρια επίδοσης (2) Ανθεκτικότητα (Resilience) Ευαισθησία (Vulnerability) Άθροισμα και διαίρεση με το συνολικό αριθμό αστοχιών Αστοχία στο προηγούμενο βήμα Άθροισμα ελλειμμάτων και διαίρεση με το συνολικό αριθμό αστοχιών Μη αστοχία σε αυτό το βήμα Λογικός Τελεστής AND

31 Υπολογισμός κόστους/οφέλους Τιμή δευτερεύουσας Ρήτρα στόχου Παραγωγή δευτερεύουσας Μέση μηνιαία τιμή Άθροισμα όλων των στηλών Τιμή πρωτεύουσας Κανονική παραγωγή Έλλειμμα ΥΗΕ Απόληψη εκτροπής Κόστος εκτροπής

32 Βελτιστοποίηση παραγωγής Μεταβλητή ελέγχου: Μηνιαίος Στόχος Παραγωγής PP Στοχική συνάρτηση: Maximize Μέσο Μηνιαίο Κόστος/Όφελος Περιορισμοί: PP 0, άνω όριο? Αλγόριθμος βελτιστοποίησης: Simplex, GRG ή Evolutionary (μη γραμμικό πρόβλημα) Data Solver (Επίλυση) Μεταβλητή Ελέγχου $Β$7 Περιορισμοί $Β$7<=30 $Β$7>=0 Κελί Στοχικής συνάρτηση $ΑΝ$12 Αλγόριθμος Μη γραμμικό GRG

33 Επόμενα βήματα Διαμόρφωση ισοζυγίου Ταμιευτήρα 2 (στο ίδιο φύλλο! αλλιώς ο solver δεν δουλεύει) Σύνδεση των δύο ταμιευτήρων μέσω του κανόνα λειτουργίας! Προσθήκη στο Μέσο Μηνιαίο Κόστος/Όφελος το κέρδος/ρήτρες από της άλλες χρήσεις Προσοχή: και ο Ταμιευτήρας 2 παράγει ενέργεια. Τι είδους; Για κάθε χρήση υπολογίστε τα μέτρα επίδοσης που αναφέρθηκαν + την αξιοπιστία σε όρους κάλυψης για άρδευση/ύδρευση (σύνολο απόληψης/σύνολο ζήτησης) Για το ερώτημα 4 οι μεταβλητές ελέγχου γίνονται 2! Για να δημιουργήσετε τιμές από κανονική κατανομή στο Ερώτημα 6 χρησιμοποιήστε την συνάρτηση =norm.inv( rand(), MEAN, SD ) Πως θα χειριστείτε την διαφορά στις μονάδες(gwh και hm 3 ) στο ερώτημα 10?

34 Επόμενα βήματα Τυποποίηση στο διάστημα [0-1] με αλλαγή κλίμακας: YY ii YY mmmmmm YY mmmmmm YY mmmmmm Διαμόρφωση στοχικής συνάρτησης με βάρη στα δύο κριτήρια που πλέον έχουν ίδιες μονάδες: max(ff xx ), όππππππ FF xx = ww 1 κκκκκκκκκκκκκκοο 1 + ww 2 κκκκκκκκκκκκκκοο 2 Διαλέξτε αρκετούς συνδυασμούς βαρών ww 1 + ww 2 = 1. Κάποιοι από τους συνδυασμούς δεν θα είναι αναγκαστικά βέλτιστοι κατά Pareto, ή ίδιες τιμές κριτηρίων θα επαναλαμβάνονται! Εύρος, R