Regelung und Wasserbewirtschaftung der MoselPalzem Staustufen der Mosel: Deutsch-luxemburgischer Abschnitt 1664 - 2001 : Stauzielregelung! Stauzieleinhaltung am OW-Pegel innerhalb

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


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


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:


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


! 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


Untere

Mosel

Obere

Mosel

Kyll

Sauer

Staustufe ApachMosel

Rhein

Getrennte Wasserbewirtschaftung der oberen und unteren Mosel


Untere

Mosel

Obere

Mosel

Rhein


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


Untere

Mosel

Obere

Mosel

Rhein


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


Untere

Mosel

Obere

Mosel

Staustufe ApachMosel

Staustufe TrierMosel

Staustufe KoblenzMoselPilotprojekt :

Lokale Abfluss- und Stauzieregelund der Staustufe Detzem

Staustufe Detzem / Übersicht

Schleuse Detzem


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


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



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


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.


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



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


In Detzem derzeit implementiert: Parametersatz 1

Oberwasserstand in Detzem, ohneOptimierung

Oberwasserstand in Detzem, mit Ansprechschwelle ± 3 cm


Abfluss der Staustufen Detzem, Wintrich, Zeltingenohne Optimierung

Abfluss der Staustufen Detzem, Wintrich, Zeltingenmit Ansprechschwelle ± 3 cm

Naturszenario Okt. 1992 (mitStauzielwechsel)

Stauzielwechsel

Stauzielwechsel


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


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


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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