The influence of the static component of the water supply network on the change in the power consumption of the pumping unit with frequency control

RELEVANCE. The effective functioning of urban water supply systems plays an important role in maintaining the normal life of cities and towns. Of particular importance is the management of pressure and the optimization of hydraulic regimes in water-wired networks, since they directly affect the reliability of water supply and the efficient use of resources. However, the determination of the optimal parameters and methods of regulation in each specific case requires careful research and analysis. In the context of a constant increase in requirements for automation of water supply and growing investments in its infrastructure, the problem of a correct feasibility study for such investments is of particular relevance.

PURPOSE. For smooth regulation of the pressure characteristic of the pump in the conditions of the need to maintain a given pressure of the water supply network, frequency converters are widely used. In the context of the significance of an accurate assessment of investment costs for the automation of pumping units, it becomes necessary to obtain equations that take into account the features of the operation of the water supply network at the pre-design stage. In this regard, the authors of the article set themselves the goal of studying the degree of influence of the static component of the water supply network on the change in the power consumption of the pumping unit with frequency regulation and testing the obtained dependencies on real statistics of the water and energy consumption modes of the Sozh water intake of the Gomel water utility.

METHODS. To solve the tasks, classical formulas of similarity of the pumping unit were used, reflecting the relationship between flow, pressure and power consumption. The mean squared error, the mean absolute error and the average absolute error in percentages were used as the evaluation metric for verifying the electric power supply model of the pumping unit.

RESULTS. The study demonstrates a significant improvement in the accuracy of power consumption modeling when using a modified coefficient reflecting the degree of power change when the frequency of the supply network changes. When using this approach, the standard error is reduced more than twice, from 0.35 to 0.167, the average absolute error is reduced from 0.347 to 0.165, and the average absolute percentage error is reduced from 0.20% to 0.08%.

CONCLUSION The conducted research confirms the effectiveness of the use of frequency control of pumping units, which provides a nonlinear change in electrical power, and demonstrates the possibility of more accurate forecasting of electricity consumption, taking into account the specifics of the water supply network. The results of this work can be useful for projects to optimize urban water supply systems, providing more accurate planning and use of resources.

1. Fedorov O. V. Expeditious forecasting of power consumption //2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). IEEE, 2017. С. 1-4.

2. Development of customized simulation models for high voltage generators / I. Kirillov, I. Morozov, N. Kuznetsov [et al.] // Sustainable Energy Systems: innovative perspectives : Conference proceedings, Saint-Petersburg, 29–30 октября 2020 года. – Saint-Petersburg: Springer, Cham, 2021. – P. 190-196. – DOI 10.1007/978-3-030-67654-4_21. – EDN GYZBKA.

3. Грачева Е.И. Потери электроэнергии и эффективность функционирования оборудования цеховых сетей / Е.И. Грачева, О.В. Наумов. Москва: Издательство «Русайнс», 2017. – 168 с. – ISBN 978-5-4365-1661-5. – EDN YNMXXT.

4. Муравлева О. О., Вехтер Е. В., Жарикова Т. В. Оценка влияния энергетических характеристик асинхронного двигателя на энергосбережение насосного агрегата //Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2005. Т. 308. – №. 1. – С. 174-178.

5. Мизюрин А.О., Матвейчук Н.М. Энергоэффективность использования частотнорегулируемого привода в системах водоснабжения в сельскохозяйственном производстве // Молодежь в науке-2016. – 2017. – С. 407-414.

6. Карелин В. Я., Минаев А. В. Насосы и насосные станции: Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Стройиздат, 1986.- 320 с : ил.

7. Грунтович, Н.В., Влияние работающих двигателей на остаточные напряжения узлов комплексной нагрузки станций / Н.В. Грунтович, А.А. Капанский, В.М. Пупин, Д.О. Сафонов, О.В. Федоров // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. – 2021. – № 2. – С. 78–90.

8. Оптимизация схем электроснабжения промышленных предприятий / Е.И. Грачева, Т.В. Синюкова, Т.В. Табачникова, А. Н. Алимова. – Казань : Казанский государственный энергетический университет, 2022. – 135 с. – EDN SMARQD.

9. Камаль С., Сулейман А. М. Особенности работы центробежных насосов с использованием преобразователя частоты вращения //Природообустройство. – 2013. – №. 5. – С. 64-67.

10. Фащиленко В.Н. Регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок горных предприятий: Учеб. пособие. — М.: Издательство «Горная книга». – 2011. – 260. с.: ил.

11. Гришин А.П., Коэффициент полезного действия частотно-регулируемого электронасоса. Автоматизация и информатизация электрифицированного сельскохозяйственного производства. [Текст]/Гришин А.П., Гришин В.А.//Научные труды. Том 89. М.: ВИЭСХ, 2004. с. 118 – 127.

12. Романюк, В.Н. Интенсивное энергосбережение в промышленных теплотехнологиях / В. Н. Романюк, А. А. Бобич, Т. В. Бубырь // Энергия и менеджмент. - 2013. - № 6. - С. 8-12.

13. Интеллектуальные системы учета как инструмент снижения потерь электрической энергии / Т. А. Мусаев, О. В. Федоров, С. Р. Шагеев, М. В. Прохорова // Строительство: новые технологии - новое оборудование. – 2021. – № 2. – С. 52-55. – EDN GDPLEJ.

14. Павлов В.В. Исследование степени влияния статического напора сети на изменение активной мощности потребления насоса / В.В. Павлов, А.А. Капанский // Современные проблемы машиноведения : сб. науч. тр. В 2 ч. Ч. 2 / М-вообразования Респ. Беларусь [и др.] ; под общ. ред. А. А. Бойко. – Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2023. – С 61-64

15. Hruntovich, N. V., Kapanski, A. A., Baczynski, D., Vagapov, G. V., & Fedorov, O. V. (2019). Optimization of a variable frequency drive pump working on a water tower. In E3S Web of Conferences (Vol. 124, p. 05060). EDP Sciences.

16. Chicco, D. The coefficient of determination R-squared is more informative than SMAPE, MAE, MAPE, MSE and RMSE in regression analysis evaluation / D. Chicco, M. J. Warrens, G. Jurman // PeerJ. Computer Science. – 2021. – Vol. 7. – P. 1-24. – doi 10.7717/PEERJ-CS.623. – EDN VSUBGE.

17. Грачева Е. И., Сафин А. Р., Садыков Р. Р. Применение аналитического метода расчета надежности элементов систем электроснабжения на основе вероятностных моделей //Надежность и безопасность энергетики. – 2017. – Т. 10. – №. 1. – С. 48-52.

18. Васильев, А. А. Применение м-оценок для определения начального значения экспоненциальной средней в модели прогнозирования Брауна нулевого порядка / А. А. Васильев // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Экономика и управление. – 2021. – № 3(55). – С. 150-165. – doi 10.26456/2219-1453/2021.3.150-165. – EDN AMCGRV.