project

DMA Fingerprinting – Fase II

Expert(s):
Claudia Quintiliani PhD, dr.ir. Mirjam Blokker

  • Startdatum
    01 jan 2020
  • Einddatum
    31 dec 2020
  • Opdrachtgever
    DPWE
  • samenwerkingspartner(s)
    PWN, Evides, Dunea, Waternet, University of Sheffield

Het doel van dit project is om in een onderzoek naar het opsporen van gesloten afsluiters te onderzoeken hoe de meting van #transients# (drukgolven) met behulp van spectrumanalyse kan worden opgeschaald om op netwerkschaal afwijkingen te kunnen detecteren. De experimenten die in het kader van dit project worden uitgevoerd moeten duidelijk maken welke informatie over de werking van een DMA (district metered area, een balansgebied) kan worden verkregen met hoge-frequentiedrukmeters. Het project zal ook belangrijke inzichten opleveren over de potentiële toepassingen en beperkingen van de methode (zoals de frequentie [Hz] voor het meten van transients, hoe spectrumanalyse snel kan worden vertaald/geïnterpreteerd om afwijkingen te signaleren en hoe de oorzaak van een geconstateerde verandering kan worden gevonden.

De metingen zullen worden gedaan in een of meer proefgebieden van een van de drinkwaterbedrijven betrokken in DPWE om ervoor te zorgen dat alle bevindingen ook beschikbaar zullen zijn voor de andere drinkwaterbedrijven.

Hoe kunnen afwijkingen in een DMA-structuur snel en efficiënter worden onderzocht?

Een foute afsluiterstand kan allerlei negatieve gevolgen hebben voor processen van een waterbedrijf. Bijvoorbeeld: (1) problemen met de druk in het systeem, (2) plotselinge stijging in OLM (ondermaatse leveringsminuten) doordat de druk in een aangrenzende sectie onbedoeld wordt verlaagd tijdens werkzaamheden, (3) verslechtering van de waterkwaliteit doordat water is blijven staan in een leiding wanneer een klep onbedoeld gesloten is gebleven na een reparatie, en (4) verkeerde interpretatie van de meetgegevens en/of foutieve validatie van hydraulische modellen.

Met het toenemend gebruik van sensoren en de toepassing van hydroinformatica in drinkwaterdistributienetwerken wordt het ook steeds belangrijker dat afsluiters in de goede stand staan. Er zijn momenteel echter nauwelijks vergaand geautomatiseerde methoden waarmee vanaf één plek op grotere schaal (met andere woorden, de volledige DMA) inspecties kunnen worden uitgevoerd om eventuele afwijkingen in de netwerkstructuur te signaleren. Uit eerder onderzoek van de universiteit van Sheffield bleek dat het meten van normaal optredende #transients# in een netwerk met behulp van hoge-frequentiedrukmeters (100 Hz) nuttige aanwijzingen kan opleveren voor afwijkingen in een regulier proces.

Simpel gezegd: iedere keer wanneer iemand ergens een kraan opendraait (of doucht, een wasje draait, etc.) wordt een kleine drukgolf doorgegeven via de DMA die bij de ingang van de DMA niet kan worden opgemerkt. De geometrie van de DMA bepaalt het pad van deze drukgolven en in combinatie met dagelijkse variaties in de vraag leidt dit tot een ‘vingerafdruk’ van de DMA in het spectrumdomein. Wanneer de geometrie verandert (doordat er bijvoorbeeld ergens een afsluiter wordt gesloten of een lek ontstaat) verandert ook het pad en daarmee de vingerafdruk.

In het verkennend bedrijfstakonderzoek van 2019 is al een spectrumanalyse uitgevoerd van transients-metingen in een DMA. Daaruit bleek dat dat inderdaad een vingerafdruk oplevert en dat afwijkingen kunnen worden gesignaleerd. Om voort te bouwen op die resultaten zal in dit nieuwe project uitgebreider onderzoek worden gedaan. Onder meer zullen er aanvullende experimenten in de praktijk worden uitgevoerd. Die zullen naar verwachting inzicht geven in de praktische toepasbaarheid en beperkingen van de methode en de basis leggen voor de verdere ontwikkeling ervan.

Gebruik van hoge-frequentiedrukmeters voor transient-metingen

In het project wordt gebruik gemaakt van een of meer proefgebieden van een van de DPWE-drinkwaterbedrijven. Het project is ontwikkeld met behulp van internationale expertise (vooral uit het VK).

Op verschillende plekken in de DMA(’s) worden hoge-frequentiedrukmeters geïnstalleerd. Vervolgens worden gedurende enkele dagen gegevens verzameld om de vingerafdruk te verkrijgen van het systeem onder normale omstandigheden. ‘Normale omstandigheden’ houdt ook in: volledig/gedeeltelijk sluiten van afsluiters, kortstondig openen van brandkranen en zo opzettelijk simuleren van lekken op verschillende plekken. Nadat de omvang van de DMA en het aantal en de locaties van de aanvoer zijn veranderd, zullen verdere afwijkingen worden gecreëerd en metingen verricht.

De verzamelde metingen (de met de drukmeters geregistreerde signalen) worden ontcijferd en verwerkt met behulp van de snelle fouriertransformatie (Fast Fourier Transformation, FFT) om het spectrum van frequentie te berekenen. De interpretatie van de spectrogrammen zal duidelijk maken of er iets is veranderd in de DMA en hoe de vingerafdruk is beïnvloed door de afzonderlijke verstoringen.

Van het DMA vingerafdruk ‘proof of concept’

Een voorbeeld van een spectogram onder normale omstandigheden (links in het beeld) en in het geval van een afwijking (aangegeven met de ‘dashed’ rechthoeken).

Spectrumanalyse van #transients# als methode om meer informatie te verkrijgen over de werking van een DMA

De belangrijkste resultaten van het project:

  • De uit te voeren metingen zullen meer duidelijkheid geven over de informatie die met hoog-frequentiedrukmeters kan worden verkregen over de werking van de DMA: of verschillende afwijkingen (zoals een volledig of gedeeltelijk gesloten afsluiter of een lek) kunnen worden gesignaleerd met behulp van spectrumanalyse.
  • Duidelijkheid over de vraag of spectrumanalyse dezelfde uitkomsten zou kunnen opleveren wanneer toegepast op grotere DMA’s;
  • Inzicht in de benodigde frequentie (Hz) bij het meten van #transients# om afwijkingen te kunnen signaleren;
  • Inzicht in de manier waarop spectrumanalyse snel kan worden vertaald/geïnterpreteerd om afwijkingen te signaleren en of de oorzaak van een geconstateerde verandering in het spectrum ermee kan worden bepaald (gesloten afsluiter, lek, geopende brandkraan, enz.).

De bevindingen in het proefgebied/de proefgebieden zullen waarschijnlijk weer nieuwe onderzoeksvragen oproepen, die aanleiding zullen geven tot verdere experimenten en ontwikkelingen. Met de aanvullende informatie over DMA’s die dat oplevert, kunnen drinkwaterbedrijven wellicht het ontwerp of de besluitvorming over interventies in hun processen verbeteren. Ook zal dit wellicht zorgen voor andere toepassingen, zoals de mogelijkheid om te testen of een afsluiter goed sluit, of een manier om een lek in het netwerk op te sporen wanneer stroming en druk daarvoor onvoldoende aanwijzingen geven.