• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.158-158
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• 2017

상수관망을 통한 용수 공급에서는 송수펌프, 배수지 등의 수리 시설물이 중요한 역할을 수행한다. 우리나라의 송 배수 방식은 송수펌프를 통해 고지대의 배수지에 물을 확보하고, 이를 자연유하 방식으로 공급하는 것이 일반적이며, 따라서 송 배수시스템의 운영이란 송수펌프의 가동과 그에 따른 배수지의 수위 현황을 관리하는 것을 의미한다. 이 때, 펌프의 가동을 위한 전력소모에 많은 비용이 발생되므로 효율적인 펌프 운영을 위한 최적화 연구의 필요성이 제기되었다. 기존 연구를 통해 송 배수시스템의 운영을 모의하고, 펌프 가동비용을 최소화 하는 실시간 최적 펌프운영 모형이 개발되었으나, 미리 결정된 펌프와 배수지를 바탕으로 송 배수시스템을 모의하기 때문에 계획 및 설계 단계에서 이를 활용할 수 없는 한계점이 존재하였다. 본 연구에서는 최적화 알고리즘 중 하나인 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm, GA)을 사용하여, 실시간 펌프운영뿐만 아니라 송수펌프와 배수지의 효율적인 용량을 제시할 수 있는 최적화 모형을 개발하였다. 특히, 개발 모형은 펌프와 배수지의 설계/운영 시, 국내 설계기준, 시설물 비용, 시간별 전력단가 등을 제약조건으로 고려하여 현실적인 결과를 도출할 수 있도록 개발되었다. 본 연구는 실제 운영 중인 S시의 광역상수도 시스템을 바탕으로 개발 모형을 적용하였으며, 또한 송 배수시스템의 계획 및 관리에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.158-158
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• 2015

대부분의 대규모 배수지는 고지대에 위치함으로써 자연유하를 통해 배, 급수지역으로 용수를 공급한다. 이를 위해 배수지 전단에는 가압장이 위치하여 정수장에서 처리된 용수를 고지대에 위치한 배수지로 송수한다. 이때 가압장에서 발생하는 전력소비량이 매우 높은 것으로 알려져 있으며, 효율적인 펌프운영을 통해 상당한 전력비용 절감이 가능할 것으로 판단된다. 일반적인 가압장의 운영은 시스템 운영자의 경험을 토대로 해당 가압장에 연결된 배수지의 수위에 따라 펌프의 작동여부를 결정하는 방법이 주로 사용되고 있다. 이러한 운영방법은 용수공급의 안전성을 우선시함으로써 배수지의 수위를 일정하게 유지하고자 빈번하게 펌프를 작동하게 되고 따라서 가압장에서 소모되는 전력량이 커서 운영효율 측면에서는 바람직하지 않다고 할 수 있다. 또한 빈번한 펌프의 작동으로 인해 펌프의 수명이 단축될 뿐만 아니라, 배수지내 용수의 수질저하 문제도 발생할 수 있다. 본 연구에서는 효율적인 펌프장 운영을 위해 급수지역의 24시간 용수사용량을 예측하고, 그에 따른 펌프장의 가압 유량 및 양정을 파악하여 적정용량의 펌프를 선정하고 운영함으로써 펌프의 운영비용의 최소화 및 안정적인 용수공급을 동시에 달성하고자 한다. 이를 위해, 실시간 최적화 모형을 개발하였다. 개발된 최적화 모형은 상수관망해석 프로그램(EPAENT)을 연계하여 수요절점의 수압조건 및 운영상황을 모의하였다. 최적화 기법으로는 유전자알고리즘을 사용하였으며, 실제 시스템의 운영상황를 반영하기 위한 다양한 제약조건(operational constraints)을 적용하였다. 개발된 모형은 정속펌프(혹은 On/Off 펌프) 뿐만 아니라, 최근 실무에서 널리 사용되고 있는 변속펌프(variable speed pump)를 추가적으로 고려하였다. 개발된 모형은 국내에서 실제 운영되고 있는 송, 배수 시스템에 적용하여 모형의 실무 적용가능성을 검증하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.276-281
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• 2009

장거리 용수공급 시스템에서 전력비용은 전체 운영비용의 큰 부분을 차지한다. 본 연구는 시간단위의 펌프와 배수지 시스템의 최적 운영계획을 수립하기 위해 동적계획기법에 기초한 방법론을 제시하고 있다. 해석방법은 가용 가능한 펌프의 효율적 운전과 전력요금체계, 시간대별 용수수요추이 그리고 배수지 특성과 송수관로의 제약조건 등을 고려하였다. 이를 위해 적용 가능한 시스템 운영목적과 제약조건이 제시되었고 개발된 방법은 수도권 광역상수도 양주계통의 2개 가압장과 5개 배수지를 대상으로 적용되었으며, 적용결과는 상당한 수준의 펌프운전비용을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 방법은 생애주기 비용 최소화 측면에서 실제 용수공급 시설 운영과 대규모 용수공급 체계의 설계 등에 적용이 가능하다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.185-185
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• 2016

일반적인 송 배수시스템의 운영은 지대가 높은 곳에 위치한 배수지(tank)에 용수를 저장한 후, 자연유하에 의해 수요절점으로 용수를 공급한다. 이때 배수지에 용수를 송수하기 위한 펌프장 운영에서 많은 전기에너지가 소모된다. 일반적으로 송수펌프의 운영은 다년간의 운영자료를 기반으로 운영자의 판단에 의해 이루어지거나, SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)시스템을 통해 관측되는 배수지 수위를 기준으로 펌프 작동여부를 결정하고 있다. 본 연구에서는 이러한 기존 펌프운영방법을 개선하고 좀 더 효율적인 운영방법을 모색하기 위해 실시간 송수펌프 최적운영 모형을 개발하였다. 최적화 기법으로는 유전자 알고리즘(genetic algorithm)을 사용하였으며, 다양한 제약조건(operational constraints)을 적용하고 급수지역의 24시간 용수사용량을 미리 예측하여 실제 시스템의 운영형태와 근접하게 반영하였다. 또한 최적화 과정에서 상수관망해석 프로그램(EPANET)을 연계하여 수요절점의 수압조건 및 시스템의 운영상황을 모의하였다. 개발된 모형을 국내 P시의 광역상수도 시스템에 실제 적용하였으며, 현장 실시간 운영 데이터를 입수하여 전력사용량, 배수지수위, 이산화탄소 발생량 등을 비교, 분석하였다. 개발 모형을 이용하여 펌프운영을 실시하였을 경우, 기존의 운영방식과 비교하여 경제적/환경적으로 뚜렷한 개선 효과를 확인할 수 있었다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.51 no.12
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• pp.1171-1180
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• 2018

Korea's water transmission system is operated by the nonpressure flow method that flows from highlands to lowlands due to the nature of Korea with many mountainous areas. In order to store water in the highlands, the water pumps are installed and operated. However, In this process, a lot of electrical energy is consumed. therefore, it is necessary to minimize the energy consumption by optimizing the size and operation schedule of the water pumps. The optimal capacity and operation method of the water pump are affected by the size of the tank (distributing reservoir). Therefore, in order to economically design and operate the water transmission system, it is reasonable to consider both the construction cost of the water pump and the tank and the long-term operation cost of the water pump at the step of determining the scale of the initial facilities. In this study, the optimum design model was developed that can optimize both the optimal size of the water pump and the tank and the operation scheduling of the water pump by using the genetic algorithm (GA). The developed model was verified by applying it to the water transmission systems operated in Korea. It is expected that this study will help to estimate the optimal size of the water pump and the tank in the initial design of the water transmission system.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.42 no.9
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• pp.759-771
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• 2009

The electricity cost of pumping system accounts for a large part of the total operating cost for long distance water supply networks. This study presents a method based on dynamic programming for establishing an joint optimal operation of pumps and storages system on a hourly basis. Analysis is taken of the relative efficiencies of the available pumps, the structure of the electricity tariff, the consumer-demand pattern, and the storage characteristics and operational constraints of the pipe. The possible system objectives and constraints are described. An application of the method to the existing Yangju Water Supply System consisted of two pump station and 5 storage pools under the condition of expanding pumping facility in the part of the Capital Area Water Supply System is presented, showing that considerable electricity cost savings are remarkable. The approach was found to be implementable in real system operation and large-scale water supply system design in respect of minimizing life-cycle total cost.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.50 no.12
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• pp.803-813
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• 2017

Recently, various studies have been conducted to optimize the pump operation scheduling and/or the pump/tank size minimizing the system cost of water distribution network. Prior to that, it is important to understand the sensitivity of pump/tank size on the system cost and overall water quality. Here, we have performed the sensitivity analysis to investigate the effect of pump/tank size on the economic cost (construction and operation) and water quality (water age). The analysis was applied on a real, large-scale water transmission network currently operating in South Korea. The results revealed that the pump/tank size has a strong influence on system construction/operation costs. Especially, the tank size has a significant effect on the system-wide water quality. In the case of applied networks, the operating cost decreases as the capacity of the facility increases, but the design cost increases. Using a sensitivity analysis, a suitable range of pump/tank size could be suggested to minimize costs and stabilize the water quality at the same time prior to a system design.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.160-160
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• 2015

지진은 인간의 통제가 불가능한 자연재해의 하나로 중요한 사회기반시설인 상수관망 시스템에 큰 피해를 유발하여 사회기능의 마비로 이어질 수 있다. 이러한 피해를 경감하기 위해서는 재해발생 이전에 시스템의 사전 보강을 통해 내구성을 강화하고, 재해피해 상황을 사전에 모의하여 필요한 복구전략, 복구자원 등의 대책을 마련하고, 실제 지진이 발생한 상황에서는 최대한 신속하게 피해를 복구하는 노력이 필요하다. 본 연구에서는 재해발생 상황을 고려하여 상수관망시스템의 지진피해를 모의하고 복구전략을 수립함으로써 복구대책을 마련할 수 있는 방안을 모색하고자 한다. 재해가 발생한 이후의 비상상황을 모의한 후, 시스템의 취약도 및 수리분석을 통해 최적의 복구대책 및 전략을 수립하기 위한 컴퓨터 기반의 시뮬레이션 모형을 개발하였다. 먼저, 지진발생 시 발생 가능한 상수관망시스템의 관 파손, 누수, 배수지(정수지) 파손, 펌프시설 파손 및 전력차단으로 인한 펌프운영 중단, 기타 구조물의 파손 등의 취약도 분석을 통해 시스템 파괴 모의를 한 후, 복구 우선순위와 복구에 필요한 소요인력, 장비 등을 결정한다. 시스템의 피해상황을 관망 수리해석 모형인 EPANET 모형에 반영하여 정밀한 수리해석을 실시함으로써 재해 상황에서의 용수공급 상황을 실제와 가깝게 재현하도록 한다. 다음으로, 복구전략에 따른 실제 복구진행상황(파손관의 수리, 전력회복에 따른 펌프재가동 등)을 시간별로 모의하여 절점별 공급 가능량을 계산한다. 효율적인 복구전략을 마련하기 위해 다양한 민감도분석을 실시하여, 가장 효과적인 복구전략을 선정하였다. 본 연구에서 개발한 컴퓨터 기반의 시뮬레이션 모형은 복구 소요시간 예측, 복구 소요자원 산출, 시 공간적 복구 진행상황 등을 정량화한 의사결정 시스템의 역할을 수행 할 수 있다. 또한, 상수관망에 발생할 수 있는 다양한 지진피해를 모의하여, 해당 시스템에 가장 효과적인 복구전략을 마련하는데 도움을 줄 것이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.309-309
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• 2017

EPANET은 U.S. EPA(U.S. Environmental Protection Agency, 미 환경청)에서 개발한 상수관망 시스템의 수리해석 모의 프로그램으로서, 다양한 상수관망의 설계 및 운영을 모의하기 위해 세계적으로 활발히 활용되고 있다. EPANET 프로그램은 사용자 친화적인 GUI(Graphic User Interface) 환경으로 개발되었으며, 직관적인 네트워크 요소와 폭 넓은 모의 옵션을 제공한다는 장점이 있다. 특히, 상수관망의 실무 및 연구 분야에서는 공학용 분석프로그램과 프로그래밍 언어의 활용이 활발해짐에 따라, 이를 EPANET 프로그램과 연계시킬 수 있는 EPANET Toolkit이 개발되면서 그 활용도는 계속해서 확장될 전망이다. 그러나 지속적인 보완에도 불구하고, 기존의 EPANET Toolkit에서 제공하고 있는 기능은 EPANET 프로그램을 전부 반영하지 못하고 있어 실용성 있는 프로그램의 개발이 제한되고 있는 실정이다. 기존 연구에서는 EPANET Toolkit의 미비한 기능에 대해, "프로그램 수행 - 결과 확인 - EPANET 네트워크 수정"을 반복 수행하여 문제를 해결하였으며, 따라서 복잡하고 세밀한 상수관망 모의 연구에 많은 제약이 존재하였다. 본 연구에서는 EPANET Toolkit의 내부를 수정, 보완하여 기존에 고려하지 못하였던 다양한 기능을 추가하여 관련 연구에 활용할 수 있도록 하였다. 구체적으로는 Pump Curve를 변경 및 입력하여 Pump 교체를 위한 최적 펌프용량을 결정하거나, Energy Pattern을 입력하여 손쉽게 전력비용을 산정하는 등의 기능이 개선되었다. 그밖에도 EPANET Toolkit의 활용성을 향상시키기 위한 다양한 함수들을 추가적으로 구성하였으며, 이는 펌프 용량 및 효율 곡선과 배수지 설계 등 상수관망 구성요소의 설계에도 폭 넓게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Institute of Information and Commucation Sciences Conference
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• 2022.10a
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• pp.43-46
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• 2022

The optimal operation of the water purification plant can be carried out only when the required flow rate is supplied in a timely manner using the minimum electrical energy by accurately predicting the pattern and amount of tap water used in the consumer. In order to ensure the stability of tap water production and supply, a system that can be pre-verified before applying AI-based composite sensors to the water purification plant was established to derive complementary matters through the pre-verification model for each composite sensor and improve the quality and operation stability of the composite sensor data.