Observability Analysis in Water Transport Networks: Algebraic Approach

Abstract

Nowadays, state estimation (SE) techniques are 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: i) to identify redundant information, ii) to detect elements that make no contribution in the subsequent SE process or iii) to identify observable islands. However, no discussion has been found in the pertinent literature as regards any interest in applying OA to water networks, with there being only a few basic applications. The aim of this paper is twofold: firstly, 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 whilst also presenting the issues that this technique may resolve. The

Aproximación estocástica al análisis de observabilidad en redes de abastecimiento de agua

“…De hecho, el mayor problema que puede existir al aplicar esta metodología a un escenario redundante consiste en detectar cuáles son precisamente esas medidas redundantes. Una estrategia posible para detectar las medidas que están provocando el malfuncionamiento de la aproximación estocástica es realizar el método algebraico propuesto por Díaz et al (2015) de forma previa. Este planteamiento también permite analizar la observabilidad de todas las variables, pero su estructura matricial permite además detectar medidas redundantes entre sí.…”

“…De acuerdo con Díaz et al (2015), una isla observable es una región del sistema donde todas las variables de estado se conocen a pesar de la falta de observabilidad de la red en su totalidad, siendo posible su identificación mediante la agrupación de las variables observables. El hecho de que esta metodología permita identificar regiones observables la hace competitiva con otros métodos, como la propuesta algebraica de estos mismos autores.…”

“…No obstante, también se identifica una zona del sistema en la que sólo los flujos resultan observables, que se corresponde con la región ramificada de la red. Es interesante mencionar que de haberse aplicado el método algebraico tal y como lo presentan Díaz et al (2015) únicamente se habrían podido obtener los sombreados grises que aparecen en la Figura 2, lo cual pone de manifiesto la información adicional que supone la implementación del método estocástico gracias al cálculo del índice de observabilidad, que complementa el resultado y da una idea del nivel de observabilidad de la red.…”

“…Nagar and Powell (2000) presentan una metodología que también evalúa la incertidumbre asociada a las medidas y los parámetros del sistema. Díaz et al (2015) adaptan del sector eléctrico un método algebraico para el análisis de la matriz jacobiana J, que permite extraer gran cantidad de información. Además, en la literatura propia el sector eléctrico, un referente en la implementación de técnicas de EE y AO, se pueden encontrar una gran variedad de propuestas: métodos topológicos (Krumpholz et al, 1980;Nucera and Gilles, 1991; entre otros), algebraicos (Castillo et al, 2005;Solares et al, 2009; entre otros), híbridos entre los dos anteriores (Contaxis and Korres, 1998;Korres and Katsikas, 2003; entre otros) e incluso otros basados en técnicas heurísticas (Habiballah and Irving, 2001;Caro et al, 2013).…”

Static structural system identification for beam-like structures using compatibility conditions

“…[19] Observability Method (OM) is a mathematical tool dealing with the observability, that is, the existence and the uniqueness of the solution of a system of equations (or a subset of it). [26] It has been applied to many engineering fields, for example, water distribution systems, [27] power systems, [28] traffic networks. [29] An algebraic technique to analyze the observability of the solution of a linear system is checking the null space of the coefficient matrix.…”