Otimização operacional de sistemas de abastecimento de água com objetivo de redução de custo de energia elétrica

Abstract

O trabalho desenvolveu um modelo de otimização, com foco na redução dos custos de energia elétrica, para aplicação no planejamento operacional de sistemas de abastecimento de água. O modelo foi aplicado ao caso do sistema de abastecimento do Rio Descoberto, no Distrito Federal, que é de um sistema de grande porte, com capacidade de produção de 5.300 l/s, onde foram considerados 32 elementos, entre bombas e válvulas, que podem ser comandados para que o abastecimento seja realizado com sucesso. O modelo utiliza o simulador EPANET para representação do comportamento hidráulico e a técnica de algoritmos genéticos para a busca da solução otimizada. Foi desenvolvido um código computacional em linguagem C++, que implementa a biblioteca de algoritmos genéticos apresentado por Wall (1996), em conjunto com as rotinas da Tollkit Library do EPANET, de forma a testar diversas soluções de operação e encontrar a que produz os melhores resultados. Cada solução encontrada foi avaliada por uma função aptidão, que considerou, além do custo de energia, o atendimento às restrições operacionais expressas em termos de penalidade. Para a demanda de água foram adotados valores médios mensais que representaram o comportamento característico do sistema estudado para um período de 24h. Apesar da dimensão e da complexidade do sistema de abastecimento, os resultados demonstraram que o modelo de otimização é capaz de encontrar regras operacionais condizentes com as adotadas pelo Centro de Controle Operacional da CAESB, com redução do custo de energia, porém com um número excessivo de acionamentos de bombas e válvulas. A otimização consumiu um tempo computacional elevado, o que inviabilizaria a aplicação do modelo na operação em tempo real. A qualidade dos resultados obtidos indica que existe viabilidade de aplicação do modelo no auxílio à operação de sistemas de abastecimento, porém há necessidade de ajustes na abordagem para que se reduza o número de acionamentos de bombas e válvulas. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This work presents an optimization model with a focus on reducing energy costs for application in operational management in the Descoberto river water supply system in Federal District – Brazil. It is a large water supply system, with production capacity of 5.3 m3/s, in which were considered 32 elements, including pumps and valves, that can be triggered in order to successfully accomplish the water supply. The optimization model uses the EPANET simulator for representation of the hydraulic behavior and genetic algorithms to minimize pumping costs. A C++ computer code was developed to test the alternatives and find a near-optimal solution. Each solution was evaluated by a fitness function that considered, in addition to energy cost, the compliance with operational constraints expressed in terms of penalties. The water demand in the network was represented by the average behavior of the system studied for a period of 24h. Despite the water supply system size and complexity, the results show that the optimization model is able to find operating rules compatible with the rules adopted by the Operational Control Center of CAESB, with energy cost reduction, but leading to excessive pump/valve switches. Large computation time was required by the optimization which impair the application of the model for real time operation. The quality of the results obtained indicates that there is feasibility in applying the model to assist the operational planning, but there is need to improve the model to reduce the pumps and valves switches.