Observability Analysis in Water Transport Networks: Algebraic Approach

Abstract

State estimation (SE) techniques are being applied to different network systems in order to convert system measurements into real information about the network state. SE applications to water systems are relatively novel, but these techniques have been implemented in other fields for decades. In those applications, observability analysis (OA) is required prior to application of SE techniques with different purposes: (1) to identify redundant information, (2) to detect elements that make no contribution in the subsequent SE process, or (3) to identify observable islands. However, no discussion has been found in the pertinent literature regarding any interest in applying OA to water networks, with there being only a few basic applications. The aim of this paper is twofold: first, to present the implementation of a novel algebraic OA approach to water networks, which is based on the application of a Gauss elimination technique to the measurement Jacobian matrix, and to discuss and justify the interesting aspects of implementing an OA in water transport networks (WTN) prior to using SE while also presenting the issues that this technique may resolve. The results obtained highlight the algorithm potential for real supply systems, improving the knowledge of what information provided by supervisory control and data acquisition (SCADA) systems is really worth compiling.

Las técnicas de estimación del estado (SE) se están aplicando a distintos sistemas de redes con el fin de convertir las mediciones del sistema en información real sobre el estado de la red. Las aplicaciones de la SE a los sistemas hídricos son relativamente novedosas, pero estas técnicas llevan décadas aplicándose en otros campos. En esas aplicaciones, el análisis de observabilidad (OA) es necesario antes de la aplicación de las técnicas SE con diferentes propósitos: (1) identificar información redundante, (2) detectar elementos que no contribuyen en el proceso SE posterior, o (3) identificar islas observables. Sin embargo, no se ha encontrado en la literatura pertinente ninguna discusión sobre el interés de aplicar OA a las redes de agua, existiendo sólo algunas aplicaciones básicas. El objetivo de este trabajo es doble: en primer lugar, presentar la implementación de un novedoso enfoque algebraico de OA a redes de agua, que se basa en la aplicación de una técnica de eliminación de Gauss a la matriz jacobiana de medidas, y discutir y justificar los aspectos interesantes de implementar un OA en redes de transporte de agua (WTN) antes de utilizar SE, presentando además los problemas que esta técnica puede resolver. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto el potencial del algoritmo para los sistemas de abastecimiento reales, mejorando el conocimiento de qué información proporcionada por los sistemas de control y adquisición de datos (SCADA) merece realmente la pena recopilar.