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Optimierung der Stauraumabsenkung mit RTC-Tools

Der österreichische Stromhändler VERBUND Trading GmbH nutzt das Vorhersagesystem PROVIS auf Basis von Delft-FEWS für die energiewirtschaftliche Planung seiner Wasserkraftanlagen. Bei der Energieerzeugung sind Vorgaben des Hochwasserschutzes und der Gewässerökologie einzuhalten – eine  Optimierungsaufgabe unter konkurrierenden Zielen. 

Eine besondere Herausforderung stellt die Steuerung der Anlagen an der Drau dar. Dort betreibt die VERBUND Hydro Power GmbH eine Kette von zehn Kraftwerken im Schwellbetrieb auf einer Strecke von ca. 150 km.

Hydrotec und Deltares haben PROVIS um das Optimierungsmodul RTC-Tools 2 (Real Time Control Tools 2) erweitert, das die Entscheidungsunterstützung verbessert.

Optimierungsaufgabe – Steuerung der Staustufen an der Drau

Die österreichische Drau ist ein Gebirgsfluss mit steilem Einzugsgebiet und entsprechend geringen Reaktionszeiten. In einer Staustufenkette erzeugt die VERBUND Hydro Power GmbH dort mit zehn Kraftwerken im Schwall-/Sunk-Betrieb kontinuierlich Energie.

Zusätzlich zur Energiegewinnung dienen die Staustufen der Abflussregulierung im Hochwasserfall. Wesentliche Hochwasserschutzmaßnahme ist die Vorabsenkung des Wasserspiegels in den Staustufen, um Hochwasserwellen aufzunehmen und zu dämpfen.

Dabei ist auch die Gewässerökologie zu berücksichtigen. Der Abstau sollte unter Beachtung aller Sicherheitsaspekte und Rahmenbedingungen möglichst spät und gleichmäßig erfolgen, um die Fischhabitate in den Speicherseen nicht zu beeinträchtigen. Dabei darf der Abstau an sich keine Hochwasserwelle auslösen und soll sich nicht mit der prognostizierten Hochwasserwelle überlagern.

Randbedingungen für diese Optimierungsaufgabe sind in der Wehrbetriebsordnung festgelegt:

  • die Abstauregelung inklusive Vorabsenkung,
  • die Absenkziele in Abhängigkeit der prognostizierten Durchflüsse,
  • das Einhalten einer maximalen Absenkgeschwindigkeit.

Für die optimale Steuerung der Staustufen an der Drau wurde ein Entscheidungsunterstützungs-Tool für das Delft-FEWS-System entwickelt.

Kontinuierliche Vorhersage mit PROVIS

Zur Steuerung des komplexen Systems führt die VERBUND Trading GmbH kontinuierlich Prognoserechnungen durch. Sie nutzt dazu das Vorhersagesystem  PROVIS, das auf der Software Delft-FEWS und Niederschlag-Abfluss-Modellen (z. B. COSERO) basiert.

Aufgrund dieser Prognosen kann die VERBUND Trading GmbH den Kraftwerksbetreiber bei einer zu erwartenden Hochwasserwelle rechtzeitig über eine notwendige Vorabsenkung (Abstau) informieren.

Das hydrologische Modell berechnet kontinuierlich Prognosezuflüsse auf Basis numerischer Wettervorhersagemodelle. Auch veränderliche hydraulische
Werte (Wasserstand W, Abfluss Q) und Betriebszustände in den Staustufen, an den Wehranlagen und Turbinen werden laufend gemessen. Delft-FEWS dient als Datenintegrations- und Simulationsschale, die alle operationellen Prozesse automatisiert durchführt.

RTC-Tools 2 zur Entscheidungsunterstützung

Die Entscheidung für den Abstau basiert bisher auf Hochwasserprognosen aus PROVIS und dem Expertenwissen erfahrener Mitarbeiter. Die Herausforderung liegt dabei darin, dass sich meteorologische Prognosen und in weiterer Folge hydrologische Prognosen stündlich ändern. Auch das Abstauszenario verändert sich laufend wegen der Schwall- und Sunk-Dynamik.

Um für dieses dynamische System eine optimale Entscheidungsgrundlage zu schaffen, haben Deltares und Hydrotec PROVIS um die Software RTC-Tools 2 erweitert.

Mit dem neu entwickelten Tool für die Entscheidungsunterstützung lässt sich der Abstauprozess (Beginn und Dauer des Abstaus) unter folgenden Anforderungen und der im Moment der Berechnung vorliegenden hydrologischen Situation optimal bestimmen:

  • In jedem Fall rechtzeitig, um Sicherheit für Siedlungen und gefährdete Bereiche zu gewährleisten.
  • Abstau möglichst spät und so gleichmäßig wie möglich, um die Fischhabitate in den Speicherseen nicht zu beeinträchtigen.
  • Der Abstau selbst darf keine Hochwasserwelle auslösen und soll sich nicht mit der prognostizierten Hochwasserwelle überlagern.

RTC-Tools 2.0 ist ein Programm zur Optimierung der Steuerung von hydraulischen Systemen unter konkurrierenden Bewirtschaftungs-zielen. RTC-Tools steht für „Real Time Control Tools“. Es wird vom niederländischen Forschungsinstitut Deltares als Open-Source-Code entwickelt.

Zur Modellierung eines hydraulischen Systems verwendet RTC-Tools Modelica. Modelica ist eine Programmiersprache, die von vielen verschiedenen Anwendern zur Modellierung von physikalischen Systemen eingesetzt wird.

RTC-Tools hat eine umfangreiche Modelica-Modellbibliothek zur Verfügung, die mit eigenen Elementen erweitert werden. Damit bietet RTC-Tools ein hohes Maß an Flexibilität zur Modellierung verschiedenster Systeme.

Vorhersagebasierte Optimierung

Bei der vorhersagebasierten Optimierung wird die Steuergröße (hier: Abfluss aus den Speichern) über den Vorhersagehorizont so optimiert, dass die vorgegebenen Ziele unter den betrieblichen Nebenbedingungen erreicht werden (z. B. maximale Wasserstandsänderung im Speicher pro h).

Die so ermittelte Wehrfeldsteuerung wird dann für den ersten Zeitschritt implementiert. Für den nächsten Zeitschritt wird das Prozedere mit aktualisiertenVorhersagen wiederholt.

Anwendung von RTC-Tools 2 an der Drau

Im Projekt wurde ein Ersatzsystem für die iterative Simulation und Optimierung des hydraulischen Systems aufgebaut. Es umfasst die Kette der sieben unteren Speicher, Rosegg bis Lavamünd.

Abbildung der Staustufen von Rosegg bis Lavamünd in Modelica.

Dazu kam Modelica zum Einsatz – eine Modellierungssoftware, die eine spezifische Modul-Bibliothek für Hydraulik, Speicher, Wasserqualität etc. bietet. RTC-Tools 2 kann eine Optimierung unter konkurrierenden mehrfachen Zielen erreichen. Das Python-Skript enthält die Zielvariablen und die Zielfunktion sowie die Priorisierung der Zielvereinbarungen. Auch der Aufruf des RTC-Tools 2.0 Packages und des eigentlichen Solvers erfolgt über Python.

In einem letzten Schritt wurde das Optimierungs-System in das vorhandene  Vorhersagesystem PROVIS integriert. Dazu gehörte der Austausch von Eingabe- bzw. Ergebniszeitreihen zwischen RTC-Tools 2 und PROVIS sowie die Visualisierung des Prozesses in der grafischen Oberfläche von PROVIS für die Anwender.

Betrieb und Entscheidungen abgesichert

Ein Test mit realen Hochwasserdaten bestätigte:

  • Das Abstau-Tool ermöglicht es, die dynamische Entwicklung der Hochwasser- und Abstausituation zu verfolgen.
  • Situationen lassen sich länger beobachten und Trends besser erkennen.
  • Das Abstau-Tool ist gut in den operationellen Betrieb der Staukettensteuerung integrierbar.

Die Entscheidungsfreiheiten im Rahmen der Wehrbetriebsordnung können objektiviert genutzt werden und bleiben nachvollziehbar. All das sorgt dafür, dass die verantwortlichen Mitarbeiter eine größere Sicherheit bei der Entscheidungsfindung haben.

Das Pilotsystem soll im folgenden Projektverlauf auf weitere Prognoseprodukte in PROVIS ausgeweitet werden und auch im operationellen Client-Server-System der VERBUND Trading GmbH als Entscheidungsunterstützung für die Experten dienen.

Dr.-Ing. Oliver Buchholz, Dipl.-Ing. Simone Patzke

Veröffentlicht am 15.05.2018