[EN] Computer simulation of water distribution networks by means of mathematical models is nowadays an indispensable tool for the design and exploitation of those networks. Simulation is used not only for the design of new supply systems, or modifications and extensions of existing systems, but also for the normal operation tasks carried out in any network. Two main types of simulation can be differentiated: hydraulic simulation, by means of which the pressures and flows registered in the network are computed, and water quality simulation, the objective of which is to obtain information about chemical substance concentrations. The need for simulation comes often in the context of a wider problem of optimization or reliability analysis, which requires performing a large number of simulations, thus resulting in a process with considerable computational complexity. This fact, added to the growing size and level of detail of network models, as a consequence of the automatic incorporation of data coming from Geographical Information Systems, means that the performance of the simulation solver has a great impact in the overall computing time. In this context, this thesis considers and explores different strategies to improve the performance of water distribution network simulation. The first strategy consists of making some contributions to the hydraulic simulation method known as Looped Newton-Raphson (or more simply the loop method), which is based on the consideration of flow corrections associated to a set of independent loops within the network. Even though the method known as Global Gradient Algorithm (GGA) is more widely used and accepted, the loop method has the potential to be faster, owing to the smaller size of the underlying linear systems. In this thesis some contributions are presented to improve the performance of the loop method for hydraulic simulation. Firstly, efficient algorithms are developed for the selection of a suitable set of independent loops, leading to a highly sparse linear system. Secondly, methods are developed for efficient modeling of hydraulic valves, and especially pressure reducing/sustaining valves. The second strategy explored is the introduction of high performance computing in the hydraulic simulation using distributed memory platforms. In particular, the code of Epanet, a widely accepted water distribution network simulation software, is taken as the starting point for the introduction of parallel simulation algorithms, using the Message Passing Interface (MPI) tool for inter-process communications. As a result of this work, firstly a parallel algorithm is presented for the simulation of flows and pressures by means of the GGA method, making use of multifrontal algorithms for the parallel solution of the underlying linear systems. Secondly, a parallel algorithm for water quality simulation by means of the Discrete Volume Element Method (DVEM) is described, based on partitioning the network by means of multilevel recursive bisection algorithms. Thirdly, a parallel method is presented for leakage minimization by finding the optimal pressure settings for a set of pressure-reducing valves. In distributed memory platforms the overhead due to communication and synchronization can be excessively high, counterbalancing the gain derived from the division of the computation among the processors. This effect is less pronounced in shared memory platforms such as multicore systems, which have gained popularity over the last years. This fact motivates the third strategy explored in this thesis, which is the development of parallel algorithms for simulation of flows and pressures using multicore systems. OpenMP is the tool used for the parallelization, both of the method GGA as implemented in Epanet software and of the loop method with the contributions on it that have been made in the context of this thesis. / [ES] La simulación por computador de las redes de distribución de agua potable, mediante el uso de modelos matemáticos, es hoy en día una herramienta indispensable para el diseño y la explotación de dichas redes. La simulación se utiliza tanto en el diseño de nuevos abastecimientos y en ampliaciones o modificaciones de abastecimientos existentes, como en las tareas de operación normales de cualquier red. Se puede diferenciar entre dos tipos de simulación: la simulación hidráulica, que permite obtener las presiones y caudales que se registran en la red, y la simulación de la calidad del agua, cuyo objetivo es obtener información sobre concentraciones de sustancias químicas. A menudo la necesidad de simulación surge dentro de un problema más amplio de optimización o de análisis de fiabilidad, que requiere llevar a cabo un gran número de simulaciones, con lo que el proceso completo resulta de una complejidad computacional considerable. Esto, añadido al hecho de que el tamaño y nivel de detalle de los modelos de redes crece constantemente, como consecuencia de la incorporación automática de datos contenidos en Sistemas de Información Geográfica, hace que las prestaciones del solver de simulación tengan un gran impacto en el tiempo total de cálculo necesario. En este contexto, esta tesis considera y explora distintas vías para mejorar las prestaciones de la simulación de redes de distribución de agua. La primera de estas vías consiste en realizar algunas aportaciones al método de simulación hidráulica conocido como método de Newton-Raphson de mallas, el cual se basa en la consideración de caudales correctores asociados a un conjunto de mallas independientes definidas sobre la red. Aunque el método conocido como Algoritmo del Gradiente Global (GGA) goza de mayor aceptación, el método de mallas tiene el potencial de ser más rápido, debido al menor tamaño de los sistemas lineales subyacentes. Esta tesis presenta aportaciones para mejorar las prestaciones del método de mallas de simulación hidráulica. En primer lugar, se desarrollan algoritmos eficientes para la selección de un conjunto de mallas adecuado, que conduzca a un sistema altamente disperso. En segundo lugar se desarrollan métodos para la modelización eficiente de válvulas, y especialmente válvulas reductoras/sostenedoras de presión. La segunda vía explorada es la introducción de la computación de altas prestaciones en la simulación hidráulica usando plataformas de memoria distribuida. En particular, se parte del código de Epanet, un software de simulación de redes de amplia aceptación, y se introducen en él algoritmos paralelos de simulación, usando la herramienta Message Passing Interface (MPI) para la comunicación entre procesos. Como resultado de ello, se presenta en primer lugar un algoritmo paralelo para la simulación de caudales y presiones por medio del método GGA, haciendo uso de algoritmos multifrontales para la resolución paralela de los sistemas lineales subyacentes. En segundo lugar, se describe un algoritmo paralelo para la simulación de la calidad del agua mediante el Método de Elementos Discretos de Volumen (DVEM), particionando la red por medio de algoritmos de bisección recursiva multinivel. En tercer lugar, se presenta un método paralelo para la minimización de fugas mediante la determinación de las consignas óptimas de una serie de válvulas reductoras de presión. Finalmente, la tercera vía explorada es el desarrollo de algoritmos paralelos sobre memoria compartida para la simulación de presiones y caudales. Se considera con ello un tipo de plataformas que han ganado popularidad en los últimos años. Se utiliza la herramienta OpenMP para la paralelización, tanto de Epanet y de su implementación del método GGA, como del método de mallas, con las aportaciones al mismo que se han realizado en el contexto de esta tesis. / [CAT] La simulació per computador de les xarxes de distribució d'aigua potable, per mitjà de l'ús de models matemàtics, es hui en dia una ferramenta indispensable per al disseny i l'explotació d'abastiments d'aigua. La simulació s'utilitza tant per al disseny de nous abastiments o ampliacions i modificacions d'abastiments existents, com per a les tasques d'operació normals en qualsevol xarxa. Es pot diferenciar entre dos tipus de simulació: la simulació hidràulica, que permet obtindre les pressions i cabals que es produeixen en la xarxa, i la simulació de la qualitat de l'aigua, l'objectiu de la qual és obtindre informació sobre concentracions de substàncies químiques. Sovint la necessitat de simulació sorgeix dins d'un problema més ampli d'optimització o d'anàlisi de fiabilitat, que requereix dur a terme un gran nombre de simulacions, amb la qual cosa el procés complet resulta d'una complexitat computacional considerable. Això, afegit al fet de que la grandària i nivell de detall del models de xarxes creix constantment, com a conseqüència de la incorporació automàtica de dades contingudes en Sistemes d'Informació Geogràfica, fa que les prestacions del solver de simulació tinguen un gran impacte en el temps total de càlcul necessari. En este context, esta tesi considera i explora diferents vies per a millorar les prestacions de la simulació de xarxes de distribució d'aigua. La primera d'estes vies consisteix en realitzar algunes contribucions al mètode de simulació hidràulica conegut com mètode de Newton-Raphson de malles (o simplement mètode de malles), el qual es basa en la consideració de cabals correctors associats a un conjunt de malles independents definides en la xarxa. Encara que el mètode conegut com Algorisme del Gradient Global (GGA) gaudeix de major acceptació, el mètode de malles té el potencial de ser més ràpid, degut a la menor grandària dels sistemes lineals subjacents. En esta tesi es presenten contribucions per a millorar les prestacions del mètode de malles de simulació hidràulica. En concret, en primer lloc es desenvolupen algorismes eficients per a la selecció d'un conjunt de malles adequat, que conduïsca a un sistema lineal altament dispers. En segon lloc es desenvolupen mètodes per a la modelització eficient de vàlvules, i especialment vàlvules reductores/sostenidores de pressió. La segona via explorada és la introducció de la computació d'altes prestacions en la simulació hidràulica utilitzant plataformes de memòria distribuïda. En concret, es parteix del codi d'Epanet, un programari de simulació de xarxes de distribució d'aigua d'amplia acceptació, i s'hi introdueixen algorismes paral·lels de simulació, utilitzant la ferramenta Message Passing Interface (MPI) per a la comunicació entre processos. Com a resultat d'este treball, es presenta en primer lloc un algorisme paral·lel per a la simulació de cabals i pressions per mitjà del mètode GGA, fent ús d'algorismes multifrontals per a la resolució en paral·lel dels sistemes lineals subjacents. En segon lloc, es descriu un algorisme paral·lel per a la simulació de la qualitat d'aigua amb el Mètode d'Elements Discrets de Volum (DVEM), particionant la xarxa per mitjà d'algoritmes de bisecció recursiva multinivell. En tercer lloc es presenta un mètode paral·lel per a la minimització de fugues mitjançant la determinació de les consignes òptimes d'una sèrie de vàlvules reductores de pressió. Finalment, la tercera via explorada és el desenvolupament d'algorismes paral·lels sobre memòria compartida per a la simulació de pressions i cabals. Es considera amb això un tipus de plataformes que han guanyat popularitat en els últims anys. S'utilitza la ferramenta OpenMP per a la paral·lelització, tant del programari Epanet i de la seua implementació del mètode GGA, com del mètode de malles, amb les contribucions al mateix que s'han realitzat en el context d'esta tesi. / Alvarruiz Bermejo, F. (2016). Reducción del Tiempo de Simulación de Redes de Distribución de Agua, mediante el Método de Mallas y la Computación de Altas Prestaciones [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61764 / TESIS

En esta tesis se analizan diversos aspectos para la optimización y mejora de redes de distribución de la energía eléctrica. En dicho análisis se ha tenido en cuenta el estado actual de las redes y los desafíos a los que se están enfrentando. Entre los factores que más afectan a la concepción de las nuevas redes se encuentran la calidad de la energía eléctrica (CEE) y la generación distribuida (GD). Son estos factores los que están marcando cambios significativos tanto en la forma de entender el negocio eléctrico como en los requisitos técnicos que debe cumplir la red de distribución. Es por eso que la tesis se centra en estudiar la influencia de la CEE y cómo varían los parámetros del sistema cuando se introduce en una red convencional la GD, de manera que se puedan analizar los límites que las actuales redes de distribución tienen para expandirse e integrar GD y los puntos de operación más adecuados para la misma. Esta metodología de análisis permite establecer criterios de diseño para las futuras redes de distribución y evaluar las ventajas y desventajas de las nuevas redes. La preocupación por el cambio climático está llevando a grandes cambios en el negocio de la energía eléctrica. Como objetivos generales se busca un bajo coste, una buena CEE y la eficiencia energética. Estas consignas han calado hondo en el sector y como consecuencia se están llevando a cabo varios proyectos en diferentes países que tratan de alcanzar estos objetivos. Una de las tendencias que más se está popularizando es el concepto de microrred. En esta tesis se recogen algunos de los aspectos de las microrredes, sin embargo se diferencia de este concepto puesto que no son objetivos principales la operación en isla, el almacenaje de energía o la optimización del control de la GD integrada en la red. Las microrredes pueden ser consideradas en estos aspectos rupturistas con el concepto actual. / Yebra Vega, T. (2010). Nuevos retos en el diseño de redes eléctricas de distribución. Enfoque a la carga, la red y la calidad de la energía eléctrica [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8683 / Palancia

[ES] La sectorización de las redes ha demostrado ser una metodología estratégica en la reducción de los volúmenes incontrolados fugados, considerado uno de los principales problemas a los que tienen que enfrentarse diariamente los gestores de los sistemas de distribución de agua. Su principal objetivo es facilitar la monitorización de las redes, dividiéndolas en subsistemas, sobre los que se puede realizar un mejor y más fácil control de las anomalías en el consumo y presión. Uno de los inconvenientes que presenta esta técnica recae en su diseño. No existe una solución única, sino que atiende a diversos criterios para realizarlo. De manera generalizada, este diseño se basa en la experiencia del propio diseñador, siguiendo criterios puramente prácticos y con procesos manuales de prueba y error, cuyo grado de dificultad está vinculado al tamaño y complejidad de la propia red. Esta tesis plantea una metodología sistemática para el diseño de la sectorización de una red de distribución de agua, según criterios energéticos, con el fin de facilitar la delimitación de cada uno de los sectores de la red. Como resultado, se obtiene una organización de la red en sectores buscando una optimización energética de la misma, de tal modo que posteriores técnicas de mejora, como es el caso de la gestión de presiones, se vean favorecidas. La sectorización ha resultado ser una técnica eficaz en la búsqueda de fugas. Sin embargo, como supone una pérdida de capacidad hidráulica y una merma en la calidad del agua, esta tesis se cuestiona el planteamiento de una técnica no intrusiva alternativa que logre los mismos resultados. Así, se propone el desarrollo de una metodología que localice las fugas centrada en la interdependencia de todos los elementos y en el empleo de sensores de caudal y presión. El trabajo pone de manifiesto que es posible sectorizar la red de tal manera que se consigan mayores beneficios para la misma. Ahora bien, también es posible el empleo de otras técnicas que no requieran el cierre de tuberías pero que desprendan soluciones similares. El empleo de una técnica u otra dependerá de cada caso, de los objetivos establecidos y de la política de trabajo de cada gestor. / [CA] La sectorització de les xarxes ha demostrat ser una metodologia estratègica en la reducció dels volums incontrolats perduts, considerat un dels principals problemes als quals han d'enfrontar-se diàriament els gestors dels sistemes de distribució d'aigua. El seu principal objectiu és facilitar la monitorització de les xarxes, dividint-les en subsistemes, sobre els quals es pot realitzar un millor i més fàcil control de les anomalies en el consum i pressió. Un dels inconvenients que presenta aquesta tècnica recau en el seu disseny. No existeix una solució única, sinó que atén diversos criteris per a realitzar-ho. De manera generalitzada, aquest disseny es basa en l'experiència del propi dissenyador, seguint criteris purament pràctics i amb processos manuals de prova i error, el grau de dificultat del qual està vinculat a la grandària i complexitat de la pròpia xarxa. Aquesta tesi planteja una metodologia sistemàtica per al disseny de la sectorització d'una xarxa de distribució d'aigua, segons criteris energètics, amb la finalitat de facilitar la delimitació de cadascun dels sectors de la xarxa. Com a resultat, s'obté una organització de la xarxa en sectors buscant una optimització energètica d'aquesta, de tal manera que posteriors tècniques de millora, com és el cas de la gestió de pressions, es vegen afavorides. La sectorització ha resultat ser una tècnica eficaç en la cerca de fuites d'aigua. No obstant això, com suposa una pèrdua de capacitat hidràulica i una disminució en la qualitat de l'aigua, aquesta tesi es qüestiona el plantejament d'una tècnica no intrusiva alternativa que aconseguisca els mateixos resultats. Així, es proposa el desenvolupament d'una metodologia que localitze les fuites d'aigua centrada en la interdependència de tots els elements i en l'ús de sensors de cabal i pressió. El treball posa de manifest que és possible sectoritzar la xarxa de tal manera que s'aconseguisquen majors beneficis per a aquesta. Ara bé, també és possible l'ús d'altres tècniques que no requerisquen el tancament de canonades però que desprenguen solucions similars. L'ús d'una tècnica o una altra dependrà de cada cas, dels objectius establits i de la política de treball de cada gestor. / [EN] The sectorization of networks has proven to be a strategic methodology in the reduction of uncontrolled leakage volumes, considered one of the main problems that water distribution system managers must face on a daily basis. Its main objective is to facilitate the monitoring of the networks, dividing them into subsystems, on which a better and easier control of anomalies in consumption and pressure can be performed. One of the drawbacks of this technique lies in its design. There is no single solution, but it is based on different criteria. In general, this design is based on the designer's own experience, following purely practical criteria and with manual trial and error processes, whose degree of difficulty is linked to the size and complexity of the network itself. This thesis proposes a systematic methodology for the design of the sectorization of a water distribution network, according to energy criteria, in order to facilitate the delimitation of each of the sectors of the network. As a result, an organization of the network in sectors is obtained, looking for an energetic optimization of the same, in such a way that later improvement techniques, such as pressure management, are favoured. Sectorization has proven to be an effective technique in the search for leaks. However, as it implies a loss of hydraulic capacity and a decrease in water quality, this thesis questions the approach of an alternative non-intrusive technique that achieves the same results. Thus, it is proposed the development of a methodology to locate the leaks focused on the interdependence of all the elements and the use of flow and pressure sensors. The present work shows that it is possible to sectorize the network in such a way as to achieve greater benefits for the network. However, it is also possible to use other techniques that do not require pipe closure but provide similar solutions. The use of one technique or another will depend on each case, on the established objectives and on the working policy of each manager. / Salguero Barceló, FJ. (2021). La sectorización basada en criterios energéticos como herramienta para la gestión hídrica de redes de distribución de agua [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/178235 / TESIS

This thesis proposes a framework for identifying the root-cause of a voltage disturbance, as well as, its source location (upstream/downstream) from the monitoring place. The framework works with three-phase voltage and current waveforms collected in radial distribution networks without distributed generation. Real-world and synthetic waveforms are used to test it. The framework involves features that are conceived based on electrical principles, and assuming some hypothesis on the analyzed phenomena. Features considered are based on waveforms and timestamp information. Multivariate analysis of variance and rule induction algorithms are applied to assess the amount of meaningful information explained by each feature, according to the root-cause of the disturbance and its source location. The obtained classification rates show that the proposed framework could be used for automatic diagnosis of voltage disturbances collected in radial distribution networks. Furthermore, the diagnostic results can be subsequently used for supporting power network operation, maintenance and planning. / En esta tesis se propone una metodología para la identificación de la localización relativa (aguas arriba/abajo) y la causa de una perturbación eléctrica. La metodología utiliza las ondas trifásicas de tensión y de corriente registradas en redes de distribución radial sin presencia de generación distribuida. La metodología es validada utilizando perturbaciones eléctricas reales y simuladas. La metodología involucra atributos que han sido concebidos basándose en principios eléctricos e hipótesis de acuerdo a cada uno de los fenómenos eléctricos analizados. Se propusieron atributos tanto basados en la forma de onda como en la fecha de ocurrencia de la perturbación. La cantidad de información contenida y/o explicada por cada atributo es valorada mediante la aplicación del análisis multivariante de la varianza y algoritmos de extracción automática de reglas de decisión. Los resultados de clasificación muestran que la metodología propuesta puede ser utilizada para el diagnóstico automático de perturbaciones eléctricas registradas en redes de distribución radial. Los resultados de diagnóstico pueden ser utilizados para apoyar las tareas de operación, mantenimiento y planeamiento de las redes de distribución.

This thesis proposes a formalism to analyse and automatically exploit sequences of events, which are related with faults occurred in power distribution networks and are recorded by power quality monitors at substations. This formalism allows to find dependencies or relationships among events, looking for meaningful patterns. Once those patterns are found, they can be used to better describe fault situations and their temporal evolution or can be also useful to predict future failures by recognising the events that match the early stages of a pattern. / En aquesta tesi es proposa un formalisme per analitzar conjunts de dades d'esdeveniments relacionats amb les fallades que es produeixen en les xarxes de distribució elèctrica, i explotar automàticament seqüències d'esdeveniments registrats pels monitors de qualitat d'ona instal•lats en substacions. Aquest formalisme permet cercar dependencies o relacions entre esdeveniments per trobar patrons significatius. Quan els patrons es troben, es poden utilitzar per descriure millor les situacions de fallada i la seva evolució. Els patrons també poden ser útils per a predir fallades futures mitjançant el reconeixement dels successos que coincideixin amb les primeres etapes d'un patró.

Advances in information technology in the past two decades have seen innovations in the field of domestic and industrial computing that led to a paradigm shift in the management and operation of urban water systems by water utility companies. The traditional public management policy that focused on ensuring a minimum quality of service regardless of the costs associated with the processes of catchment, treatment and distribution of water, in many cases even unknown, have evolved towards more efficient cost sensitive models. These new wholly or partly public funded management systems improve not only the quality of service offered to users, but also optimize resources by reducing the cost and causing the minimum environmental impact. The new challenges raised by the European Water Framework1 Directive by imposing cost recovery to improve water efficiency and environmental sustainability have led to a significant change at all levels of water management. Consequently, new priorities have been established in terms of infrastructure management that require the reduction of water losses and the improvement of the water efficiency in urban networks for human consumption. Likewise, in a broader context which includes the water--energy binomial, it is also desirable to improve the energy efficiency and carbon emissions of these systems. Today, network sectoring is the most commonly used strategy to improve management and increase network performance. It basically consists of dividing the network into several smaller hydraulic sectors, where water inlets and outlets are perfectly controlled. This simplifies the task of carrying out periodic water balances in each of the sectors, and allows water loss volume to be assessed for a given period of time. As configuring network sectors is not a trivial task, it is therefore important to have appropriate tools to perform the task efficiently and effectively. Mathematical models can play an important role as decision support tools to help water managers assess the performance of water network distribution systems. This thesis aims to address the current problems of managing urban water networks by combining new information-processing technologies with innovative network modelling techniques. It intends to facilitate the system diagnosis and extend the use of models on the decision-making process to provide better solutions to the management of urban water networks. For this purpose a software extension that works on a geographic information system (GIS) has been developed. It integrates: the hydraulic and water quality simulation program EPANET 2, innovative tools for model analysis and diagnostic, automatic tools for sectoring and computing tools to conduct water balances in the sectors using actual measurements. The work demonstrates the compatibility and complementarity of GIS and hydraulic models as technologies that can be used to support the assessment and diagnosis of water distribution networks. Considering that the majority of information linked to the network system has some geographic reference, it is not surprising that GIS has become a popular tool for dealing with such information. At the same time, the integration of mathematical modelling and simulation tools, offers the GIS a new dimension in the realm of hydraulic study of water networks. Furthermore, if this specific integration is provided with new features aimed not only to facilitate the model building, but also to assist the user in decision-making using powerful algorithms based on the application of the graph theory, the result is a powerful up-to-date analytical tool, which opens up new possibilities in the field of management and efficient operation of urban water supply systems. / Bartolín Ayala, HJ. (2013). Confección de modelos de redes de distribución de agua desde un Sig y desarrollo de herramientas de apoyo a la toma de decisiones [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33152 / TESIS