모든수운영시스템의공통된목표 : 브라질 Belo Horizente 시의오프라인및온라인관망모델 Petr Ingeduld 1, Alejandro Lasarte 2, Ricardo Negri 3, Tatiana Santana 4, Stefan Robinson da Silva and Marcus Tulius 3 1 DHI Water Environment Health, Na vrsich 5, 100 00, Prague, Czech Republic, email: p.ingeduld@dhigroup.com 2 DHI Water Environment Health, Caixa Postal 1741, 80011-970, Curitiba, Brazil, email: ael@dhigroup.com 3 COPASA, Rua Mar de Espanha, 453, 30330-270 Bairro Santo Antonio, Belo Horizonte, Brazil, email: ricardo.negri@copasa.com.br; marcus.lemeeng@copasa.com.br 4 Telvent, Estrada do Camorim, 633, Jacarepagua CEP 22780-070, Rio de Janeiro, Brazil, email: tatiana.santana@telvent.abengoa.com; stefanrobinsondasilva@telvent.abengoa.com Abstract 브라질에서세번째로큰도시인 BELO HORIZONTE는상수공급과분배의전략적수리모델을개발하였다. 이모델은 ArcGIS, ESRI, CAD, 고도데이터, 소비자정보, 과금정보자료, 원격계측기로부터얻은 SCADA자료등의다양한정보를근거로개발하였고, 대략 13,200개의파이프, 126개탱크, 145개펌프, 387개의제수변을포함하고있다. 절점노드수요는인구권역을기초로나누고, 중요측점에서유량을측정한다. 대용량상수사용처, 주거용, 상업용, 산업용, 누수및기타다양한목적에맞도록사용할수있다. 모델의주요보정은원격계측기에서나오는실시간데이터와과거데이터를근거로수행한다. 보정모델은 OaSys SCADA 시스템과연동되어예측과자동업데이트및주기적인업데이트를수행한다. 과거와현재데이터및기상데이터를바탕으로상수수요량예측을위한맞춤예측모듈을개발하였다. 본문서에서는 Belo Horizonte 지역에서 GIS와 SCADA를이용하여온라인과오프라인에대한전략적모델의개발경험을설명하고자한다. 1. 소개 Belo Horizonte 지역의상수공급과분배시스템은대략 31개의지자체로구성되어있고 ( 그림1), COPASA가운영하며, 약 6,000km 2 정도이다. 통합상수공급시스템은원수가되는강과배수지등을포함하며, 생산량약 17.5m 3 /sec, 실제공급량은 14.3m 3 /sec 이다. 이시스템은 30개의펌프, 50개의배수지, 550개의제수변으로구성되고, Belo Horizonte에거주하는 2,500,000명을포함한대략 4,500,000명에게상수를공급하고있다.
이런상수공급및분배시스템모델의개발은 3T 프로젝트의일환으로개발되었고, 오프라인과온라인에서모두사용할수있다. 오프라인모델은 GIS 시스템에연계되어지형데이터를공급받는다. 온라인모델은 SCADA 시스템에연계되어실제시스템의운영에근거한주기적인업데이트를수행하게된다. 그림 1. 대략 250 만의거주자가있는브라질 3 번째대도시 Belo Horizonte 2. 프로젝트 3T 프로젝트 3T는상수공급과하수처리의자동화시스템으로주요목적은상수낭비감소, 에너지소비절감및유지관리비용절감이다. 본프로젝트는 Belo Horizonte의 COSPA의 DVAP 에서수행하고, 2005년 12월에시작되었다. 당시에프로젝트의개발자인 Joao Andrade는 라틴아메리카에이와유사한프로젝트는없으므로우리에게큰도전입니다. 원하는목적에도달할때까지기다립시다. 라고발표했었다. 이렇게기다린기간은약 480일정도되고, 투자금인 2,800 만 R$( 한화약원 ) 은 3년안에회수될것으로예상한다. 3T인 Telemetering, Telesupervision, Telecommand는실시간으로배수지, 저장탱크, 상수처리및공급, 에너지비용, 수질, 유량, 압력및 ph 조절을할수있는시스템이다.
3. 관망 관망의약 70% 에서 GIS 데이터가활용되고, 모델에사용되는주요인자들은 GIS-ID, 직경, 길이, 재질등이다. 모든관망의관들은 CAD 도면에서사용가능하지만, 모델에서적용할수있는속성이없다. 즉, CAD 파이프들은직경에해당하는라벨이있지만이라벨은모델에서부여한다른것들로대체된다. 모델은 GIS와 CAD 데이터를가져와서, 모델속성을업데이트하고, 자동적으로관련절점노드를생성하고, 네트워크지형을채운다. ( 그림 2.) 누락된값이나범위밖의값들을체크하기위해데이터점검툴을사용한다. 이모델에서사용된전체파이프의숫자는대략 13,200개이다. 이는 350mm가넘는모든관들및시스템에서중요한루프를만드는관들중에서선택하였다. 그림 2. GIS 와 CAD 를이용한파이프네트워크. 대략 13,200 개의관으로이루어짐 4. 노드고도 노드고도는모델에서각절점노드를정의하는데필요하다. 이작업은 GIS 의등
고선자료를참고하여작업하거나 CAD에서노드고도를수동적으로입력해도된다. 이런데이터소스들은 ArcGIS에서통합하여 TIN 모델이개발되고, MIKE URBAN에서는 TIN모델에서절점노드를보간하여결정한다. 이런과정은입력값의에러를찾는데도도움이된다. ( 그림 3) TIN 모델은새로운절점이삽입될때마다모델이만들어지는동안에반복적으로사용된다. 탱크바닥깊이, 압력차혹은수위들은기술도면이나특정관측값으로부터구할수있다. 그림 3. 지형모델에근거하여절점고도가결정됨 5. 수리구조물 본모델은 126개저장탱크, 145 펌프와 387개의제수변을포함하고있다. 이들은적절히배열되어서모델안에삽입되어있다. 각속성들은탱크레벨, 펌프 Q-H 곡선등이있고, 밸브셋팅은현장검측과같은기술자료에근거하였다. Q-H 곡선은온라인모델이개발되어보정하는동안에자동계측기자료를근거로하여작성된다. 수리구조물 ( 그림 4) 를위한데이터수집과보정을위해모델을만드는대부분의시간이소요된다. 수리모델에데이터를입력하기전에 AutoCAD에서개념도를얻었으며명명방식을주의깊이유지해서 GIS와 SCADA 시스템에서의연계성을유지할수있도록하였다.
그림 4. 수리구조물, 저장탱크, 펌프장, 상수원, 제수변조합 6. 수요량계산 상수소비는노드에서의수요에의해결정된다. 각절점노드마다주거용, 상업용, 누수, 대용량상수사용자등의다양한종류로나뉠수있다. 각절점노드에서는물사용량에따라자동적으로분배방법이결정되고, 주거용, 상업용, 누수에는파이프의직경과길이에도관련이있다. 그러나대용량상수사용자의경우에는개별적으로모델의적절한노드에연결한다. 모델지역에는 160개의주요측점이있고여기에는유량이기록되고약 45 zone이해당하며평균물소비량은관련된주요측점에기초해서계산한다. 위와같은모든정보를사용하여수요량분배를수행한다. 7. 모델보정 모델보정은처음에정상상태조건하에서수요와운영조건을점검하기위해수행한다. 이과정에서잘못닫혀진밸브, 지형, 노드고도, PSV, PRV 밸브문제등을점검한다. 펌프 Q-H 곡선은계측기자료를토대로보정한다. 모델의주요보정이완료되면, 온라인모델을사용하여매 10분마다보정하고시뮬레이션한압력과유량은원격계측기에서얻은값과비교한다. 확장기간의보정을수행하면서펌프장관련된것들은매우복잡해서이를제어하는데집중해야했으며, 지금까지도여전히제어규칙을개발하기위해서노력을하고있다. 이를위해서는현장의시스템운영자와긴밀한대화를통하여모
델의제어전략의차이점을계속해서학습해야한다. ( 그림 5) 모델보정의일환으로, 파이프유속계수와노드수요간의민감도분석을수행하였다. 그림5. SCADA 자료를토대로제어규칙개발과검증, 파란색은펌프운영시작동하는펌프의숫자를나타내는것이고, 분홍색은모델의결과로펌프들이운영되고있는그래프. 8. GIS 통합 모델과 GIS를통합하는것은몇가지단계가있다. GIS 모델로부터필요한자료를토대로수리모델을개발한뒤에는자동적으로데이터가져오기, 부가, 업데이트과정을개발한다. 동시에, 데이터가져오기에관한기초적인경험은새로운 GIS 시스템의데이터구조를맞추는데도기여하여수리모델과평가데이터를좀더직접적으로일치시킬수있게된다. 이과정은특히저장탱크, 밸브, 펌프의경우에해당하고, GIS 데이터베이스는탱크크기, 밸브와펌프의셋팅까지로확장된다. 모델과 GIS 통합의두번째단계를통해서모델구성요소를사용할수있게즉, ArcGIS 환경내에서직접시뮬레이션을구동하거나결과를불러오는등의일을할수있게한다. 이단계에서 MIKE URBAN 모델의 COM 구성성분인 MIKE 객체를사용하여통합한다. 9. SCADA 통합 수리모델은 SCADA 시스템에연계되어서주기적으로모델을자동업데이트하고현재조건에맞게모델을시뮬레이션하며, 이뿐만아니라확장기간조건에따른향후예측시스템으로사용할수있다. 모델과 SCADA 시스템간의연계는 SCADA 시스템의서버인 OPC 서버에서제공하는 OPC 데이터통신과 DIMS(DHI) 를이용한다. 자동적으로실제저장탱크에서의수위, 펌프와밸브의조절상태, 주요측점을통한유량과압력데이터들은 SCADA에서 DIMS로그리
고모델로이동한다. 모델에서시뮬레이션된결과는반대로 DIMS에서 SCADA 로나가고운영자는 SCADA 화면으로시뮬레이션결과를보고측정값과비교하면서특정한임계값에서차이점이있을경우경고를한다. ( 그림 6) 그림 6. 새로운원격계측장비를설치하여 SCADA 와모델을연결해줌 10. 온라인모델링 Mike Urban의온라인모듈은 DIMS를경유하여 SCADA 시스템에서실시간자료를받는다. 이를통하여시스템의상태를온라인으로분석하고바뀌는조건에대응한다. SCADA에서받은자료를토대로실시간으로관망사용량시뮬레이션과정상상태하에서의유량과압력등을계산하는데심지어측정값이없는지역에도계산을수행한다. 이러한가상모드는시스템의수리적특성, 모델의주요보정, 측정값과시뮬레이션값과의차에대한자동비교등을통하여시스템을이해하는데도움이된다. 이런차이점이중요한경우에는알람을설정해둔다. 수리, 수질이나에너지비용등은 HMI 화면에서실시간으로 SCADA 데이터베이스로이동하여다운로드받을수있다. ( 그림 7) 다른운전모드로는예측기능이있다. 이는향후 6, 12, 24시간후의시스템의결과를예측하는것이다. 이런모드를사용하기위해서는네트워크의수요량 ( 물소비량 ) 을적절히추정하여야한다. 수요량예측을위해서기상예측과유사하게대용량상수소비자를포함한특정지역의과거소비패턴을고려한모듈을개발하였다.
그림 7. 각통제지역과모델이연계되어있음. 온라인모드에서모델운전결과가주기적으로 SCADA 시스템과자동연동됨. 11. 결론 Belo Horizonte 지역에 3T 프로젝트의일환으로, 물공급과배분시스템의모델이개발되어현재까지운영중에있다. SCADA 기술, GIS와모델링이하나로통합되어복합적으로작동하고있다. 데이터수집을위한디지털기술력과, 모델링기법, 업데이트된도구들이이런통합작업을가능하게하였다. 온라인과오프라인에서작동되는본모델은목표를설계하고시스템운영의최적화를가능하게하며, 운영자들이문제를해결하고지원하는일상의과정에서중요한의사결정도구가될수있다. 본솔루션은모든프로젝트목표를맞추기위해설계하였지만, 그중일부는여전히개발과정에있고시간을두면서평가를받아야한다. 이것을가능하게하기위해서는기술적인능력도중요하지만, 이기술력의사용과모델그리고, 모델을업데이트하는데필요한자원을할당하고매일의연습이바탕이된, 경험이조합되는것이중요하다하겠다. 12. 알림 본프로젝트는브라질 Belo Horizonte 의 COPASA 와 DHI 가공동으로추진하였음.