Otimização dos custos em sistemas de abastecimento através de um modelo de programação inteira associado ao software EPANET e heurística para correção de pressões irregulares e de volumes finais - Miquelin, Letícia Maria [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
Para as empresas de abastecimento de água do Brasil e de muitos países, o valor da energia elétrica é cobrado de acordo com a hora do dia, chamado de horário de ponta aquele que compreende os períodos onde a energia é mais cara. A maior parcela dos custos com energia dessas empresas origina-se da operação das bombas, que pode ser otimizada através de modelos matemáticos, acarretando na redução dos custos e do desgaste das bombas. Assim, este trabalho propõe um modelo matemático de programação inteira para minimizar os custos com energia elétrica advindos da operação das bombas hidráulicas nos sistemas de abastecimento de água. Tal modelo tem como característica o uso de grafo, viabilizando sua aplicação em redes malhadas, sendo de fácil resolução por solvers comerciais, onde sua solução é obtida de forma rápida e eficiente. O software EPANET é utilizado para simular e validar as soluções obtidas através do modelo matemático proposto. Também são propostas duas heurísticas que utilizam o EPANET em seu escopo: uma para corrigir pressões negativas que podem ser acusadas durante a simulação hidráulica; e uma para a correção dos volumes finais dos reservatórios, de modo a facilitar a operação de um novo horizonte de planejamento. Testes numéricos foram realizados através da implementação do modelo em Python e resolvido pelo pacote de otimização Gurobi, além do uso do EPANET. Foram testadas quatro redes da literatura: Mini rede de VanZyl, Rede de Florianópolis, e Redes Richmond e Richmond Esqueleto. A abordagem proposta indica sua viabilidade em todos os testes, onde foram obtidas soluções de boa qualidade e em baixo tempo computacional. Além disso, este trabalho contribui com a disponibilidade dos arquivos de dados utilizados, em que os testes demonstraram que pequenas alterações nos parâmetros inicias da rede geram soluções distintas.

For water supply companies in Brazil and many other countries, electricity pricing varies based on the time of day, with peak hours being the most expensive. A significant portion of these companies’ energy costs comes from pump operation, which can be optimized using mathematical models to reduce both costs and pump wear. This paper proposes an integer programming mathematical model to minimize electricity costs associated with the operation of hydraulic pumps in water supply systems. The model utilizes a graph-based approach, allowing its application in meshed networks, and can be efficiently solved by commercial solvers, yielding solutions quickly and effectively. The EPANET software is employed to simulate and validate the solutions obtained through the proposed mathematical model. Additionally, two heuristics incorporating EPANET are introduced: one to correct negative pressures that may arise during hydraulic simulations and another to adjust the final reservoir volumes, facilitating the transition to a new planning horizon. Numerical tests were conducted by implementing the model in Python and solving it using the Gurobi optimization package, in conjunction with EPANET. Four benchmark networks from the literature were tested: the Van Zyl Mini Network, the Florianópolis Network, and the Richmond and Richmond Skeleton Networks. The results demonstrate the viability of the proposed approach in all tests, yielding high-quality solutions with low computational time. Furthermore, this work contributes to the availability of the data files used, with tests showing that small variations in the network’s initial parameters lead to different solutions.
Cost optimization in Ssupply systems using an integer programming model associated with EPANET software and a heuristic for correcting irregular pressures and final volumes
Keywords: Pesquisa operacional; Sistemas de abastecimento de água; Bombas hidráulicas; Energia elétrica; Optimization; Pump scheduling; Electricity