CN102677740A

CN102677740A - 配水压控制系统

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Publication number: CN102677740A
Application number: CN2012100700796A
Authority: CN
Inventors: 高桥信补; 足立进吾; 佐藤达广; 栗栖宏充; 田所秀之; 安富弘泰
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: JP2012193585A; JP5723642B2; WO2012127783A1; CN102677740B

Abstract

一种能够高精度地控制配水管网的末端压的配水压控制系统，具备：管道阻力模型生成部，基于在配水管网与泵之间设置的输出压力计测器所计测的输出压、在从配水管网接受供水的配水目的地的水管与该配水管网之间设置的末端压计测器所计测的末端压、以及在配水管网与泵之间设置的流量计测器所计测的流量，生成反映了由规定等级的模型化误差产生的影响的该配水管网的管道阻力模型；压力损失计算部，基于管道阻力模型和预先由配水压控制系统具有的配水流量模式，计算在配水管网中产生的水压的压力损失量；目标输出压计算部，接收末端压的目标值，并基于压力损失量和末端压的目标值，计算目标输出压；以及转速控制部，控制泵的转速以达到目标输出压。

Description

配水压控制系统

技术领域

本发明涉及将净水通过泵从配水地经由上水管的配水管网送至末端的用水户的情况的配水压控制装置。尤其涉及能够考虑在配水压控制中利用的管道阻力模型的模型化误差、发生火灾时的突发性的用水需求或配水区间的调水等对配水系统的干扰，来对配水管网的末端压进行精密控制的配水压控制装置。

背景技术

专利文献1提供了一种配水压控制装置，将净水通过泵从自配水地经由管道而配置的上水管的配水管道网送至末端的用水户，在作为控制对象的配水块中，基于其流入流量和输出压、末端压、需求量的实处理数据，将管道阻力进行模型化，利用该模型能够抑制因需求变动或管道网处理的经年变化而引起的控制性能劣化。

专利文献2实现一种配水控制器，为了对应于进行配水区域之间的调水的情况或火灾等异常时来精密地控制末端压，根据实时的处理数据对配水管网的状态进行模拟，能够对包括各配水注入点的操作点自动计算最优的操作量并进行设定。

专利文献1：日本特开2009-209523

专利文献2：日本特开2006-104777

专利文献1中，能够对应于随着经年变化的处理特性变化而维持控制精度，但没有考虑管道阻力模型的模型化误差，存在难以将末端压精密控制到极限下限值的问题。由此消耗多余的泵能量。此外，存在难以对应于与本来的家庭、工厂等的需求不同的火灾的消火栓流量等突发性干扰而维持控制性能的问题。

专利文献2中，能够利用管网模型捕捉配水系统细微部分的压力变动来控制末端压，但由于管网计算的运算负荷大、控制周期大，因此存在难以进行对应于消火栓流量等的急剧减少的流量变化的控制。即，存在末端压从目标值偏离预定以上的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种配水压控制装置，对作为控制对象的配水块的管道阻力模型进行模型化，并且计算其模型化误差，基于考虑压力模型化误差的管道阻力模型，提高末端压成为目标值以上的可能性。

一种配水压控制系统，具备：

管道阻力模型生成部，基于在配水管网与泵之间设置的输出压力计测器所计测的输出压、在从配水管网接受供水的配水目的地的水管与该配水管网之间设置的末端压计测器所计测的末端压、以及在配水管网与泵之间设置的流量计测器所计测的流量，生成反映了由规定等级的模型化误差产生的影响的该配水管网的管道阻力模型；

压力损失计算部，基于管道阻力模型和预先由配水压控制系统具有的配水流量模式，计算在配水管网中产生的水压的压力损失量；

目标输出压计算部，接收末端压的目标值，并基于压力损失量和末端压的目标值，计算目标输出压；以及

转速控制部，控制泵的转速，以达到目标输出压。

发明效果

根据本发明，对作为控制对象的配水块的管道阻力模型进行模型化，并且计算其模型化误差，基于考虑了模型化误差的管道阻力模型，在最坏的情况下也能够控制配水压，以使末端压成为目标值以上。此外，利用流量传感器计测消火栓流量等与通常的需求模式不同的突发性需求(干扰)，从而迅速判断突发需求，利用管道阻力模型以比原来短的周期计算目标输出压，从而能够精密控制配水压。此外，能够构筑考虑了与原来的需求模式不同的突发需求模型(干扰)的独立的管道阻力模型，来精密控制配水压。

附图说明

图1是表示配水压控制系统的结构例的图。

图2是表示数据库中保存的数据的例的图。

图3是表示流量与压力损失的关系例的图表。

图4是表示配水压控制处理例的流程图。

图5是表示需求模式的例子的图。

图6是表示泵的流量-扬程特性的例子的图。

图7是表示考虑和不考虑推测值的偏差(不均匀)的情况下的控制性能的一例的图。

图8是表示配水压控制系统的其他结构例的图。

图9是表示消火栓流量发生的情况和未发生的情况的末端压的变化的一例的图。

图10是表示配水压控制处理的其他一例的流程图。

图11是表示配水压控制系统的其他结构例的图。

图12是表示管道阻力模型的系数值和系数的标准误差的一例的图。

图13是表示配水压控制处理的其他一例的流程图。

符号说明

100配水压力控制装置

101DB(数据库)

102管道阻力模型判别单元

103需求预测单元

104压力损失计算单元

105目标输出压计算单元

106输出压控制单元

107转速控制单元

具体实施方式

使用附图说明本发明的实施方式。

(实施例1)

参照图1至图7说明实施例1。

图1是实施例1的配水压控制系统的结构图。控制系统包括配水管网1、配水池11、计测输出压的第1压力传感器2、计测末端压的第2压力传感器3、计测配水流量的流量传感器4、泵8、9、10、计测泵转速的转速传感器5、6、7、储存计测时间序列数据的DB(数据库)101、管道阻力模型判别单元102、以及以上述各种传感器的计测值、管道阻力模型、目标末端压为输入对泵转速进行控制以实现目标末端压的配水压控制装置100。

第1压力传感器2是计测从泵配水到配水管网1的水的压力(输出压)的传感器，设置在泵8、9、10与配水管网1之间。第2压力传感器3是计测从配水管网1向接受供水的供给目的地(也称为配水目的地)的水管的水的配水压力(末端压)的传感器，设置在配水管网1与供给目的地的水管的边界。流量传感器4是计测从泵配水到配水管网1的水的流量的传感器，设置在泵8、9、10与配水管网1之间。

DB101、管道阻力模型判别单元102、配水压控制装置100分别是具有处理器和存储器、HDD等存储装置的计算机。即，DB101通过由处理器执行保存在存储器内的程序，从上述的各种传感器取得计测值，并将这些作为DB数据保存到存储装置。管道阻力模型判别单元102通过由处理器执行保存在存储器内的程序来访问DB101，取得各种传感器的计测值并对管道阻力进行模型化，并且计算模型化误差的推测值。在配水压控制装置100中，通过由处理器执行保存在存储器中的各种程序，实现配水压控制装置100所具有的后述的各种单元。

另外，DB101、管道阻力模型判别单元102、配水压控制装置100既可以由分别不同的计算机构成，也可以由相同的计算机构成。

配水压控制装置100具有需求预测单元103、压力损失计算单元104、目标输出压计算单元105、转速控制单元107。压力传感器2、3分别设置在配水管网的入口、末端，分别计测输出压、末端压。流量传感器4设置在配水管网的入口，计测配水流量。

DB101中保存规定时刻的各种传感器的计测、即流量、输出压、末端压的值。图2表示其一例。在本例中，每隔3个小时计测并存储数据。也可以缩短计测周期，来提高后述的管道阻力模型判别精度。

在管道阻力判别单元102中，利用保存在数据库中的数据，将管道阻力模型进行模型化，并且推测模型化误差的等级。这里，管道阻力模型由下式给出，存储在构成管道阻力判别单元102的计算机的存储器中。

P＝Pe+h+k·Q^α (1)

这里，

P：输出压(m)

Pe：末端压(m)

h：输出压测定点的标高(m)-末端压测定点的标高(m)

k：常数

Q：配水流量(m³/s)

α：常数(利用1.85或2.0的值)

h是已知的实数，预先设定在构成管道阻力判别单元102的计算机的存储器中。由于P、Pe、Q的时间序列数据存在于DB101内，因此管道阻力判别单元102能够通过使用式(1)的最小二乘法来推测(计算)常数k。这里，α也作为未知参数，能够与k一起推测。在计算α的情况下，管道阻力判别单元102在计算式(1)的两边的对数之后适用最小二乘法。

管道阻力判别单元102能够通过最小二乘法推测系数k的推测值k0、以及表示系数推测值的偏差(不均匀)的标准误差σk。这是用标准偏差表示系数k以其推测值(期望值)为中心以何种程度偏差。

例如，系数k为k0-2σk以上且k0+2σk以下的概率为约95％。对此在图3中用图表表示。在图表中，压力损失H为(P-Pe)。由用虚线表示的两个曲线包围的范围是95％置信区间。末端压下降最大的是上面的曲线的情况、即k＝k0+2σk的情况。因此，若利用k＝k0+2σk的情况的管道阻力模型来进行控制，则能够将末端压大致保持在目标值以上。

图7是比较利用不考虑系数k的偏差的管道阻力模型进行控制的情况、和考虑系数k的偏差而利用k＝k0+2σk的情况的管道阻力模型进行控制的情况的图。若不考虑系数k的偏差，则有可能多次小于目标压，相对于此，若考虑系数k的偏差而利用k＝k0+2σk的情况的管道阻力模型进行控制，则实际的末端压以97.5％的概率成为目标值以上(实际的末端压成为目标值以下的是2.5％的概率)，因此能够将末端压控制在目标值以上的可能性提高。进而，通过将模型值的目标压设定为即可能下限，能够使泵耗能最小化。

参照图1、图5说明用于实现该控制的配水压控制装置的处理概要。

在图1的需求预测单元103中，例如，配水压控制装置100利用保存在其存储装置内的按季节或星期几的需求模式数据(即，配水流量模式数据、例如表示图5的需求模式的数据)，预测将来的需求。例如，若控制装置的控制周期为5分，则检索当前时刻的需求Q0、以及2.5分后的需求Q2.5。在将当前的配水流量计测值设为Q时，通过下式计算需求预测量Qf。

Qf＝Q-Q0+Q2.5 (2)

接着，压力损失计算单元104基于下式计算压力损失H。

H＝h+(k0+2σk)Qf² (3)

目标输出压计算单元105接受目标末端压Pe0的输入，对其加上压力损失，通过下式计算目标输出压P0。

P0＝Pe0+h+(k0+2σk)Qf² (4)

输出压控制单元106及转速控制单元107通过向各泵的信号，控制泵转速，以使计算出的目标输出压与计测输出压一致。首先，输出压控制单元106决定目标转速N0。图6是表示图示了配水压控制装置100在其存储装置内具有的泵的性能特性数据的泵的性能曲线的图，纵轴为流量Q，横轴为扬程H。描绘了一台泵运转、2台泵运转、3台泵运转的情况的性能曲线。将这些用数学式表现则如下。

H＝fi(Q，N) (5)

这里，H：扬程，Q：流量，N：泵转速，f：表现性能曲线的函数，i：常数1，2，3，相当于泵运转台数。

这里，需要决定泵运转台数，这基于预测流量Qf进行。例如，输出压控制单元106基于常数Q1、Q2(Q1＜Q2)，如下判断泵的运转台数。

在Qf＜Q1时，1台运转

Q1≤Qf＜Q2时，2台运转 (6)

Q2≤Qf时，3台运转

用(5)式求解转速而得到下式。

N＝gi(H，Q) (7)

利用该式，用下式计算目标转速N0。

N0＝gi(P0，Qf) (8)

这里，P0：目标输出压，Qf：预测需求，N0：泵目标转速

接着，泵转速控制单元107控制向泵的信号，以使计测转速与目标转速一致。接着，基于图4，说明如上所述的压力控制装置的处理流程。该处理例如以5分周期执行。控制周期能够通过对配水压控制装置的设定而设定为任意的长度，可长可短。若使控制周期较长，则控制性能劣化，但若较短，则运算负荷大，因此优选设定取两者的折中的平衡的周期。另外，图4所示的处理由配水压控制装置100执行。

首先，在步骤401中，基于(2)式，需求预测单元103根据需求模式数据计算预测需求。在步骤402中，基于(3)式，压力损失计算单元104计算压力损失。在步骤403中，基于(4)式，目标输出压计算单元105计算目标输出压。在步骤404中，利用(6)式所记载的判断式，转速控制单元107判断泵运转台数。在步骤405中，基于(8)式，转速控制单元107计算泵的目标转速。最后在步骤406中，转速控制单元107控制向泵的信号，以使计测转速与目标转速一致。以上，结束处理。

以上，根据实施例1，如图7所示能够以较高的概率将末端压保持在目标值以上。此外，通过将目标输出压设定在即可能下限，能够使泵耗能最小化。

(实施例2)

接着参照图8至图10说明第2实施例。在该实施例中，提供在发生消火栓流量等的突发需求时也能够将末端压维持在目标值的压力控制方法。

图8表示配水压控制系统的整体结构图。与实施例1的不同点是在配水管网1中设有消火栓801、802，设有计测该消火栓流量的传感器803、804，在配水压控制装置内设有临时处理判断单元805。其他处理与实施例1相同。

临时处理判断单元805随着消火栓流量发生，判断是否需要临时的控制处理，在需要临时的控制处理的情况下，启动图4所示的配水压控制处理。临时处理判断单元805的处理以与图4所示的配水压控制处理的控制周期(5分)相比非常短的周期、例如100ms执行。

设时刻t的消火栓1的流量为q1(t)、消火栓2的流量为q2(t)时，临时处理判断单元805判断是否满足以下的条件。

|q1(t)-q1(t-0.1)|＞某阈值

或 (9)

|q2(t)-q2(t-0.1)|＞某阈值

这些条件是用于判断消火栓流量的发生及其停止的瞬间的条件。

只要满足这些判断条件，配水压控制装置100以100ms的周期执行图4的配水压控制处理。由此，能够对应于火灾等突发性需求的发生或需求的消失时，防止末端压急速下降或上升。

图10表示本临时处理的流程。图10所示的处理以100ms的启动周期执行。

在步骤1001中，临时处理判断单元805基于下式计算消火栓流量的变化量Δq1、Δq2。

Δq1＝|q1(t)-q1(t-0.1)| (10)

Δq2＝|q2(t)-q2(t-0.1)| (11)

在步骤1002中，临时处理判断单元805判断这些变化量是否为预先设定的规定的阈值以上。若小于规定的阈值则处理结束，若为规定的阈值以上，则进入步骤1003。在步骤1003中，临时处理判断单元805启动图4所示的配水压控制处理。但是，不执行需求预测401。代替需求模式数据，需求预测单元103从流量传感器4取得最新的流量计测值并将该值设为Qf。然后各单元基于该Qf，计算各种状态量。

图9表示实施例2的效果。在以往技术中，消火栓流量刚发生后，末端压大幅下降，但若使用本发明的方式，能够防止该现象。

另外，在本实施例中，示出了消火栓为两个的情况，但在3个以上的情况下也能够以同样的处理应对。

另外，在本实施方式中，作为需要水的突发性需求的例子而使用了消火栓，但只要是产生不基于需求模式的需求的结构，则也可以不是消火栓。

(实施例3)

接着，参照图11至图13说明实施例3。本实施例中作为管道阻力模型而利用考虑消火栓流量的更精致的模型，由此更高精度地控制末端压。

图11表示配水压控制系统的整体结构图。与图8的不同点是数据库的输入中追加了消火栓流量计测值。本实施方式的管道阻力模型判别单元1102考虑这些消火栓流量来进行管道阻力模型的构建。数据库1101中除了本来的流量、压力之外，还存储每个消火栓的流量。

作为管道阻力模型而利用以下模型。

P＝Pe+h+m1·Q²+m2·Q·q+m3·q² (12)

这里，P：输出压(m)

Pe：末端压(m)

h：输出压测定点的标高(m)-末端压测定点的标高(m)

k：常数

Q：除了消火栓流量之外的配水流量(本来的需求)(m³/s)

q：消火栓流量(m³/s)

通过与本来的需求Q分别设定消火栓流量变量q，实现模型的精细化。

在管道阻力模型判别单元1102中，利用保存在数据库1101中的压力、流量的时间序列，通过最小二乘法推测系数m1、m2、m3，并且计算这些系数的标准误差σm1、σm2、σm3。对q而言，使用每个消火栓的流量，如图12那样计算每个消火栓的系数值、标准误差。压力损失计算单元1103利用这些计算值，通过下式计算压力损失H。

H＝h+(m10+2·σm1)Q²+(m20+2·σm2)Q·q

+(m20+2·σm2)q²

(13)

图13表示与消火栓流量等需求骤变对应的控制处理的流程。步骤1001、1002的处理与图10的步骤1001、1002的处理同样，由临时处理判断单元805执行。

在步骤1301中，检索图12的表，求出与发生流量的消火栓对应的系数值、标准误差。这里，图12所示的表是由管道阻力模型路程单元1102通过最小二乘法计算的系数，配水压控制装置100从管道阻力模型路程单元1102取得最新的系数值并保存在存储器中。

在步骤1302中，压力损失计算单元1103利用(12)式计算压力损失。其后的步骤403至406的处理与图4的相同步骤号的处理相同。但是，与实施例2同样，需求预测单元103代替需求模式数据而将从流量传感器4取得的最新流量计测值设为Qf。另外，该处理与通常进行的每隔5分的配水压控制(图4)并行地执行。

以上，根据实施例3，针对消火栓流量等突发性需求，能够精密控制末端压。

另外，在多个消火栓同时启动时，也能够以同样的方法构筑管道阻力模型并进行应对。

此外，通过将作为干扰的消火栓流量置换为配水区间的调水流量，本实施例还能够利用于有调水的情况的末端压精密控制。

Claims

1.一种配水压控制系统，控制从配水地经由泵向配水管网配水时的从该泵向该配水管网的配水压，其特征在于，具备：

管道阻力模型生成部，基于在上述配水管网与上述泵之间设置的输出压力计测器所计测的输出压、在从上述配水管网接受供水的配水目的地的水管与该配水管网之间设置的末端压计测器所计测的末端压、以及在上述配水管网与上述泵之间设置的流量计测器所计测的流量，生成该配水管网的管道阻力模型，该配水管网的管道阻力模型反映了规定等级的模型化误差所造成的影响；

压力损失计算部，基于上述管道阻力模型和配水压控制系统所预先具有的配水流量模式，计算在上述配水管网中产生的水压的压力损失量；

目标输出压计算部，接收末端压的目标值，并基于上述压力损失量和末端压的目标值，计算目标输出压；以及

转速控制部，控制上述泵的转速，以达到上述目标输出压。

2.如权利要求1所述的配水压控制系统，其特征在于，

上述管道阻力模型生成部基于上述输出压、上述末端压以及上述流量，生成反映了通过最小二乘法产生的标准误差的管道阻力模型。

3.如权利要求1所述的配水压控制系统，其特征在于，

按规定的每个周期，上述压力损失计算部计算压力损失量，上述目标输出压计算部计算目标输出压，上述转速控制部控制泵的转速。

4.如权利要求3所述的配水压控制系统，其特征在于，

还具备临时处理部，该临时处理部基于在上述配水管网的规定的位置上设置的流量计测器所计测的流量，判断该流量是否满足规定的条件，在该流量满足规定的条件的情况下，与上述周期无关地使上述压力损失计算部基于上述管道阻力模型和在上述配水管网与上述泵之间设置的流量计测器所计测的流量来计算压力损失量，使上述目标输出压计算部计算目标输出压，并使上述转速控制部控制泵的转速。

5.如权利要求3所述的配水压控制系统，其特征在于，

还具备临时处理部，该临时处理部基于在上述配水管网的规定的位置上设置的流量计测器所计测的流量，在该流量满足规定的条件的情况下，

使上述管道阻力模型生成部基于在上述规定的位置上设置的流量计测器所计测的流量、在上述配水管网与上述泵之间设置的流量计测器所计测的流量、上述输出压以及上述末端压，生成管道阻力模型，

与上述周期无关地使上述压力损失计算部基于该管道阻力模型和在上述配水管网与上述泵之间设置的流量计测器所计测的流量来计算压力损失量，使上述目标输出压计算部计算目标输出压，并使上述转速控制部控制泵的转速。

6.如权利要求4或5所述的配水压控制系统，其特征在于，

设置流量计测器的上述配水管网的规定的位置是向设置在上述配水管网中的消火栓的配水口。