Baw-Kollquium am 19.06.2002
Regelung und Wasserbewirtschaftung
der Mosel
Ref. Wasserbauwerke, Stauhaltungen und Kanäle Dr.Ing.Werner SiebertAbt. Wasserbau im Binnenbereich
Ruwer
Kraftwerk
WehrTrier
km166.370/ 326Schleuse
WehrDetzem
km166.850/ 290
km18
3.60
0/ 1
23 Schleusenkanal
Stammgerinne
Kyll
km17
8.50
0/ 17
4 km167.300/ 319
Schleuse km195.700/ 291Schleusenkanalkm195.400/ 294 km
185.
700/
102
�kleiner Hafen�
�groß
er Hafe
n�
km195.700/ 328
km17
3.80
0/ 22
1
km195.850/ 327
Kraftwerk
km167.000/ 229
km166.850/ 330HafenTrier
km18
4.10
0/ 11
8
Baw-Kollquium am 19.06.2002
Ursprung beim Col de Bussang/ Frankreich 735 m+NNMündung in den Rhein bei Mosel- km 0 60 m+NNGesamtlänge: 520 kmFranzösicher Ausbaustrecke 1958-1979 km 394,1 - 242,4Länge 124 kmFallhöhe 72 mStaustufen 14Deutsch-Luxemburgischer Abschnitt km 205,9 - 242,4Länge 36 kmFallhöhe 10mStaustufen 2Deutscher Abschnitt 1958 - 1964 km 205,9 - 000,0Länge 206 kmFallhöhe 70 mStaustufen 10
Die Mosel
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Rhein
Kyll
Sauer
Apach
Rhein
Kanzem / Saar
Ab 1998: Ersatz der elektro- regel- u. maschinen-technischen Anlagen der Wehre
Koblenz
Trier
Fankel
Detzem
Wintrich
Zeltingen
EnkirchSt. Aldegund
Lehmen
Müden
Staustufen der Mosel: Deutscher Abschnitt
Grevenmaker
Palzem
Staustufen der Mosel: Deutsch-luxemburgischer Abschnitt
1664 - 2001 : Stauzielregelung
! Stauzieleinhaltung am OW-Pegelinnerhalb des Toleranzbereichs
! Ausnutzen der Stauzieltoleranzen: - kein Gegenregeln bei Schleusungen,- Minimierung der Stellbefehle.- Dämpfung von Abflusswellen - Stützen des Wasserstandes im UW
bei niedrigen Abflüssen,- Vergleichmäßigung des Mosel-
zuflusses in den Rhein! Regelbereich NNQ bis Vollöffnung der
Wehrverschlüsse ! Automatikbetrieb auch über Staulegung und -wiedererichtung! Sonderprogramme
(Turbinenschnellschluß, n-1 Fall, ...)
Anforderungen an die neue Abfluss- und Stauzielregelung der Mosel:
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Staustufe TrierStauziel 130,25 m+NNStautoleranz + 0,00 m - 0,30 m
Staustufe GrevenmacherStauziel 136,50 m+NNStautoleranz + 0,05 m - 0,05 m
Staustufe PalzemStauziel 140,50 m+NNStautoleranz + 0,05 m
- 0,05 m
Staustufe Apach
Staustufe KoblenzStauziel 130,25 m+NN
Alle StaustufenStautoleranz + 0,05 m - 0,05 m
Staustufe Trier Staustufe DetzemStauziel 123,00 m+NN
Obere Mosel:
Untere Mosel:
Mosel- km212,9 195,9229,8242,4
Mosel 17,0 kmSaar ca. 8 km16,9 km12,6 km
Mosel- km 2,0195,9
29,0 km
166,9
193,9 km
Stauziele (Normalstau) Stauzieltoleranzen Stauhaltungslängen
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! Entwicklung eines Konzepts in Zusammenarbeit mit der T.U.-Ilmenau und der Fraunhofergesellschaft, AnwenderzentrumIlmenau
! Erstellung eines Standardalgorithmus zur lokalen ASR der Moselstaustufen
! Untersuchungen mittel HN-Simulation von Extrem- und Natusszenarien: - Grundsätzliche Funktion des Regelungs- und Steuerungseinrichtungen - Staulegung-/ wiedererrichtung
- Optimierung der Abflussregelung - Untersuchungen zum Stauzielwechsel - Optimierung der Regelung hinsichtlich des Schleusenbetriebs
- Untersuchungen zur WSV-seitigen Regelung bei Kraftwerksbetrieb
! Umsetzung des Konzepts durch ausführende Firmen
Vorgehensweise bei der Aufstellung der Abfluss- und Stauzielregelung der Mosel:
QTrier HsollDetzem
1000 - 1100 122.80
1200 - ...... 122.50
Abflussäbhängige Stauziele:
StaustufeTrier
StaustufeDetzem
ÜberstauNormalstauUnterstau
Mosel-km
195.700
Mosel-km
166.850
Hydrostat.Stau
...... - 400 123.20Überstau 400 - 1000 123.00Normalstau
1100 - 1200 122.60Unterstau
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Untere
Mosel
Obere
Mosel
Kyll
Sauer
Staustufe ApachMosel
Rhein
Getrennte Wasserbewirtschaftung der oberen und unteren Mosel
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Untere
Mosel
Obere
Mosel
Rhein
Getrennte Wasserbewirtschaftung der oberen und unteren Mosel
Nutzung etwaiger Wasservorrätenur stromabwärts
Defizit
Vorrat
Vorrat
Defizit
Lokale ASR Koblenz
Lokale ASR Trier
Lokale ASR Fankel
Lokale ASR Wintrich
Lokale ASR Zeltingen
Lokale ASR EnkirchLokale ASR St. Aldegund
Lokale ASR Lehmen
Lokale ASR Müden
Lokale ASR Grevenmaker
Lokale ASR Palzem
Lokale ASR Detzem
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Untere
Mosel
Obere
Mosel
Rhein
Getrennte Wasserbewirtschaftung der oberen und unteren Mosel
Zentrale WasserbewirtschaftungObere Mosel
Zweischichtiges Regelungskonzept der Mosel
Akt. Abfluss derSaarstaustufen
Akt. Abfluss derMoselstaustufen(Frankreich)
Vorgaben an die lokale ASR:4Variation des Stauziels innerhalb des Toleranzbandes4Filterung und Vorgabe des Störwerts (Oberliegerzufluss)
ZentraleWasserbewirtschaftung
Untere Mosel ?
ZuflussprognoseTrier
Messwerte :4Oberwasserstand4Unterwasserstand4Wehr- u. KW-Abfluss der Staustufen
Lokale ASR Koblenz
Lokale ASR Trier
Lokale ASR Fankel
Lokale ASR Wintrich
Lokale ASR Zeltingen
Lokale ASR EnkirchLokale ASR St. Aldegund
Lokale ASR Lehmen
Lokale ASR Müden
Lokale ASR Grevenmaker
Lokale ASR Palzem
Lokale ASR Detzem
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Untere
Mosel
Obere
Mosel
Staustufe ApachMosel
Staustufe TrierMosel
Staustufe KoblenzMoselPilotprojekt :
Lokale Abfluss- und Stauzieregelund der Staustufe Detzem
Staustufe Detzem / Übersicht
Schleuse Detzem
Baw-Kollquium am 19.06.2002
PI-Regler, Variante 2, in Detzem realisiertQuelle: FhG-Anwenderzentrum Ilmenau, T.U.-Ilmenau
PI-Regler, Variante 1:Quelle: FhG-Anwenderzentrum Ilmenau, T.U.-Ilmenau
Abflusszustände der Staustufe Detzem
0
2000
QR= 2900 Staulegung, Stauerrichtung
QE = 2200 Einstau
[m3/s]
Wehr-Regelung
QB
3000
1000
1T
3T4T
2T KW-Regelung
KW-Betrieb QTmax = 380
Wehr-Regelungim Störfalldes KW
Reglervarianten
Wehrregelungbei NNQ
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StaustufeTrier
Wehrsteuerung
PI - ReglerParametrisierung
Stauziel-ermittlung
Abflussverteilung
NKW
PegelkurveTrier
Algorithmus+ Parameter+ Messwerte
StaustufeDetzem
HUW
HOW
Mose
lstau
haltu
ng D
etze
m{
Wehr+ Kraftwerk+ Schleuse
Algorithmus+ Parameter+ Messwerte
Algorithmus+ Parameter+ Messwerte
Einflüsse von Strömungsgrößen, Parametern und Algorithmenauf regelungs- und steuerungs-technischen Komponenten
Wehranlage Detzem / Längsschnitt
Kraftwerk Detzem / Längsschnitt
QKW ist = f(NKW ,How,Huw)
HOW
QOL
Sektorstellungen
QOL
Hsoll
Qwehr,soll
Qwehr,ist
Qsoll,gesamt
Sektorstellungen
HUW
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Anforderungen :! Simulation instationärer Strömungen
! Modellierung von Verzweigungen
! Unterscheidung zwischen überfluteten und durch- strömten Bereichen im Querschnitt
! Trockenfallen und Fluten einzelner Gerinne- strecken
! Alternierende Berechnungen des Abflusses - Abfluss strömend / schiessend ( approx. ) - Abfluss strömend / Überfallströmung
! Simulation von Einrichtungen zur Abfluss- und Stauzielregelung und zur Wasserbewirtschaftung,
! Simulation von sequentiell ablaufenden Regler- und Bauwerksfunktionen einschließlich Ablaufs der Manöver der einzelnen Stellorgane,
! Anbindung des HN-Modells an die realen Einrich tungen zur Abfluss- und Stauzielregelung und Wasserbewirtschaftung zwecks Funktions. erprobung im Echtzeitbetrieb
Untersuchnungen von Systemen zur Wasserbewirtschaftung und zur lokalenAbfluss- und Stauzielregelung mittels 1D HN-Simulation instationärer Strömungen
Steuerungs-u. regelungs-technischeKomponenten
Stauzielvorgabe
WSV-Regler
Wehrsteuerung
HSoll
QSollAbflussverteilung
Wehrmanöverpro Zeitschritt
Σ Abfluss / Feld
QWehr
HN-Modell
T.Steuerung
Abflussber.� pro Iteration� pro Turbine
T.Manöverpro Zeitschritt
Öffnung/Turbine.
Σ Abfluss pro T.QKW
Wehr:Sollstellungen
Rech
nung
pro
Itera
tions
schr
ittRe
chnu
ng p
roHN
- Ze
itsch
ritt
Rech
nung
pro
Syst
em Z
eitsc
hritt
Turbinen: Sollstellungen
Freispiegelst.+EinstauHN-Rechnung mit
bewegl. Sohle / Feld
Überfallströmung HN-Rechnung : Ein- beidseitige Randbed.
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Oberwasserstand in Detzem
Regler in Betrieb
Zufluss in Trier
Regler in Betrieb
Inbetriebnahme der lokalen Regelungeinrichtungenam 23.11.2001
Naturszenario Nov. 1997 (Ohne Stauzielwechsel)
Zufluss in Trier Abfluss der Staustufe Detzem
Zuflussganglinie in Trier
Oberwasserstand in Detzem
Baw-Kollquium am 19.06.2002
Zuflussganglinie in Trier
Oberwasserstand in Detzem: Parametersatz 1
In Detzem derzeit implementiert: Parametersatz 1
Steigerung der Abflussvergleichmäßigung durchEinführung einer Ansprechschwelle ( I-Anteil )
Naturszenario Nov. 1997 (Ohne Stauzielwechsel)
Oberwasserstand in Detzem Ansprechschwelle ( I-Anteil im PI-Algorithmus ) ± 3 cm
Oberwasserstand in Detzemohne Optimierung
Zufluss in Trier Abfluss der Staustufe Detzemohne Optimierung
Zufluss in Trier Abfluss der Staustufe DetzemAnsprechschwelle ( I-Anteil im PI-Algorithmus ) ± 3 cm
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In Detzem derzeit implementiert: Parametersatz 1
Oberwasserstand in Detzem, ohneOptimierung
Oberwasserstand in Detzem, mit Ansprechschwelle ± 3 cm
Zuflussganglinie in Trier
Abfluss der Staustufen Detzem, Wintrich, Zeltingenohne Optimierung
Abfluss der Staustufen Detzem, Wintrich, Zeltingenmit Ansprechschwelle ± 3 cm
Naturszenario Okt. 1992 (mitStauzielwechsel)
Stauzielwechsel
Stauzielwechsel
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Optimierung der Abflussvergleichmäßigung bei Stauzielwechsel
Ohne OptimierungStauzielbildung aus Oberliegerzufluss
Ansprechschwelle ± 3 cmStauzielbildung aus Oberliegerzufluss
Ansprechschwelle ± 3 cm Stauzielbildung aus akt. Zufluss in Trier
Ansprechschwelle ± 3 cmStauzielbildung aus Zuflussprognose in Trier
Naturszenario Okt. 1992 mit Stauzielwechsel
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Durchfluss durch drei StaustufenRegelung ohne und mit KoordinatiomTesthochwasser: Maximaler Zufluss in Trier 730 m3/s
Quelle: FhG-Anwenderzentrum Ilmenau, T.U.-Ilmenau
Wiederholte Berechnung in äquidistanten Zeitschritten
! Ermittlung des Anfangzustandes ( Zustandsschätzung ) von einem historischen Zeitpunkt ausgehend mittels Minimierung der quadratischen Abweichungen von gemessenen und berechneten Wasserständen und durch Vorwärtssimulation zum aktuellen Zeitpunkt
! Berechnung einersteuerstrategie durch Lösung modellgestützten Optimalsteuerungsproblems
Anforderungen an die Wasserstandsregelung, Abflussvergleich-mäßigung , Energieerzeugung werden bei diesem Verfahren als Zielkriterien und Beschränkungen formuliert.
Übergeordnete Wasserbewirtschaftung mittels einesmodell gestützten opto- prädiktiven Reglers
Baw-Kollquium am 19.06.2002
Aus den Anforderungen, welche sich
�aus der Sicherung der Schifffahrt, �aus der Ökologie und �aus der Energiewirtschaft ergeben,
sind die Aufgaben, welche moderne Einrichtungenzur automatischen Regelung von Staustufen zuerfüllen haben, wesentlich komplexer als früherund bedingen die zentrale Bewirtschaftung ganzerStauhaltungsketten.
Detailuntersuchungen, welche die Wirkung derder Regelungskonzepte in Verbindung mit denmit der mess- steuerungstechnischenUmgebung analysieren, sind Entscheidungshilfenzwischen einfacheren und aufwendigen Lösungen.
Fazit
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