JP2001280597A - 配水管網の末端圧力制御装置 - Google Patents
配水管網の末端圧力制御装置Info
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Abstract
にして、配水管路の更新や需要量変化に対応可能な末端
圧力制御装置を実現する。 【解決手段】 管路の圧力操作点に配置された弁2(ま
たはポンプ)と、圧力計4と、流量計5と、配水管網3
の末端圧力を測定する末端圧力計7と、弁2の圧力、流
量及び末端圧力の測定値に基づいて弁2から末端までの
等価的な管路抵抗係数を逐次推定し、この管路抵抗係数
と弁の流量測定値と末端圧力目標値とを用いて弁の二次
圧力設定値を求めるオンライン演算手段12と、求めた
圧力設定値に従って弁2を操作する弁開度制御装置14
及び弁開度操作部6と、を備える。
Description
において、末端の圧力(水圧)を最適にかつ自動的に決
定するための配水管網の末端圧力制御装置に関する。
中での漏水が増え、有収率の悪化につながる。逆に、圧
力が低いと必要な水が十分に供給できなかったり、更に
低くなって負圧になると空気の吸い込みや汚水の吸い込
みが起こる。そこで、配水管網の圧力を適正に保つ必要
があり、これを実現するための方法として、従来次のよ
うな方法が取られている。
06893号公報等を参照) この方法は、配水管網のデータを入力し、操作点の圧力
を与えて管網計算により末端の圧力を計算し、その計算
結果と設定圧力との差から操作点の設定圧力を計算する
方法である。 (2)計測した末端圧力によりフィードバック制御を行
う方法(特開平9−62369号公報等を参照) この方法は、計測した末端圧力と設定圧力の差によりP
ID制御等の制御アルゴリズムを用いて操作点の設定圧
力を計算する方法である。 (3)流量に応じた設定圧力により制御する方法(特開
平8−95645号公報、同9−34557号公報、同
11−82897号公報等を参照) この方法は、操作点の流量と末端の圧力との関係を実験
により予め求めておいてテーブルに作成し、この関係を
用いて操作点の圧力を設定する方法である。
ると、導入当初は用いられても、時間が経つにつれ配水
管網の更新や人口増による需要量の増加に伴って状態が
変化し、この変化に管網計算用のデータの更新が追いつ
かずに利用されなくなる場合がある。また、当初の管網
計算用のデータの作成に多大の作業が必要である。
(2)の方法は、配水池出口等の上流の操作点から配水
管網の末端の制御点までの水の流れのルートが複数ある
こと、管路は圧力に関して振動的な動特性を持っている
ため、末端の圧力を上流の操作点で安定に制御するのは
難しいこと、更に、(1)と同様に配水管路の更新や需
要量の増加に伴い、制御パラメータを適宜調整し直さな
ければならない。(3)の方法も、導入した当初は用い
られても、配水管路の更新や需要量の増加に伴い、デー
タテーブルを適宜調整し直さなければならない。
を調整する手間を要することなく、配水管路の更新や需
要量の増加に追従して操作点の圧力を最適値に設定し、
これによって配水管網の末端圧力をほぼ目標値に一致さ
せるように制御可能とした配水管網の末端圧力制御装置
を提供しようとするものである。
に、本発明では、配水管網の末端圧力を直接制御せず
に、制御の容易な圧力操作点(配水池と配水管網との間
にある弁またはポンプ等の圧力制御装置設置点)の二次
圧力(出口圧力)を制御するようにした。
池から管路を介して配置された上水道の配水管網の末端
圧力を目標値に制御するための末端圧力制御装置におい
て、前記管路の圧力操作点に配置された圧力制御装置
と、前記圧力操作点の圧力を測定する手段と、前記圧力
操作点の流量を測定する手段と、前記配水管網の末端圧
力を測定する手段と、前記圧力操作点の圧力、流量及び
前記末端圧力の測定値に基づいて前記圧力操作点から末
端までの等価的な管路抵抗係数を逐次推定し、この管路
抵抗係数と前記圧力操作点の流量測定値と末端圧力目標
値とを用いて前記圧力操作点の圧力設定値を求めるオン
ライン演算手段と、前記圧力設定値に従って前記圧力制
御装置を制御する手段と、を備えたものである。
1に記載した配水管網の末端圧力制御装置において、前
記圧力操作点の流量を予測し、この流量予測値を用いて
前記圧力操作点の圧力設定値をスケジュールとして求め
るスケジュール演算手段と、前記オンライン演算手段ま
たはスケジュール演算手段の何れか一方によって求めら
れた圧力設定値を選択する手段と、を備えたものであ
る。
の末端までを等価的に一つの管路と考えれば、末端圧力
は、圧力制御装置としての弁(ポンプでも良いが、以下
では便宜的に弁の場合につき述べる)の流量を用いて数
式1によって表すことができる。
の二次圧力、rは弁から配水管網の末端までの等価管路
抵抗係数、Qは弁の流量、zは管路損失計算累乗の指数
(1.85または2)、cは弁と末端(末端圧力計設置
点)との標高差である。
量Qが計測または予測により決まれば、弁の二次圧力の
設定値Pbkは数式2のように定めることができる。
で、zを1.85または2(一定値)とおき、rを推定
する問題を考える。数式1の関係により、弁から配水管
網の末端までの等価管路抵抗係数rは、形式上、数式3
のようになる。
に一つの管路抵抗係数rによって表した。しかし、圧力
や流量は振動的な特性をもっており、更にその計測値に
はノイズが加わるために、数式1から逆算される見かけ
の管路抵抗係数rはこれらによって大きく変動する。こ
のため、数式2による二次圧力設定値Pbkひいては実際
の末端圧力が大きく変動することになる。そこで、以下
に示すように、計測されたPe,Pb,Qからカルマンフ
ィルタを使ってrを最適に推定する。すなわち、数式
4,5から数式6を得る。
を表し、e(k)は測定誤差や近似誤差等のノイズであ
る。数式6にカルマンフィルタを適用することにより、
数式7のごとくr(k)を推定する。なお、σ2はe
(k)の分散、数式8に示すP(k)はr(k)の推定
誤差分散である。添字(k−1)は1ステップ前を示
す。
(k)・r(k−1)}・P(k)・x(k)
1)・x2(k)}-1・P2(k−1)・x2(k)
末端圧力目標値Pe0、現在の弁流量測定値Q並びにz,
cから、数式2の関係により現在の弁の二次圧力設定値
Pbkを求める。但し、流量の瞬時値にはフィルタをか
け、短時間の変動や計測ノイズを取り除く。求められた
二次圧力設定値Pbkに等しくなるように弁開度を制御す
れば、配水管網の末端圧力を目標値に制御できることに
なる。この計算を任意の時間単位で逐次実行する。以上
述べたような本発明によれば、管路の更新、変更による
経年変化や渇水時の配水区域の変更を反映させて管路抵
抗係数rを逐次推定し、この管路抵抗係数rを用いて末
端圧力制御を行うことができる。
態を説明する。図1はこの実施形態の全体構成を示すブ
ロック図であり、上水道の配水設備には配水池1が設置
され、この配水池1に所定時間の需要を賄える量の浄水
が蓄えられている。配水池1から配水管網3に至る管路
には、弁2、圧力計4、流量計5が設けられ、配水管網
3内の末端の任意位置には末端圧力計7が設置されてい
る。また、弁2は弁開度操作部6により開度を制御可能
である。なお、この実施形態では圧力制御装置として弁
2を用いているが、ポンプを用いても良い。
り弁2の二次側の浄水圧力が計測され、同時に流量計5
によって弁2を通過する浄水の流量も計測される。ま
た、末端圧力計7により、配水管網3の末端の水圧が計
測される。
等の入出力装置を備えたマンマシンインターフェースで
ある。操作員は、このマンマシンインターフェース8か
らプラントの計測値を監視し、配水管網3の末端圧力目
標値や各種の演算用パラメータの入力、設定を行う。
イン演算手段12は、操作員により設定されたパラメー
タ(末端圧力目標値Peo、弁2と末端圧力計7の設置点
との標高差c、前記指数zなど)及び逐次計算されたパ
ラメータ(弁二次圧力オンライン演算手段12により逐
次演算される管路抵抗係数rなど)からなる演算用パラ
メータ13と、圧力計4により測定した弁2の二次圧力
Pbと、流量計5により検出した流量Qと、末端圧力計
7により測定した末端圧力Peとから、カルマン・フィ
ルタを用いて最適な弁二次圧力設定値Pbkを演算する。
2による具体的な演算内容は、以下の通りである。すな
わち、まず、測定された二次圧力Pb、流量Q及び末端
圧力Peから、カルマン・フィルタを用いて前述の数式
4〜8に従い、管路抵抗係数rを推定する。この管路抵
抗係数r(k)と、末端圧力目標値Peo、現在の弁流量
測定値Q、前記標高差c及び指数zを用いて、数式2に
従い現在の弁2の二次圧力設定値Pbkを演算する。この
演算は、管路抵抗係数rを所定時間間隔で逐次計算する
度に実行される。
チ17を介して弁開度制御装置14に送られる。そし
て、弁2の二次圧力が上記設定値Pbkに一致するように
弁開度操作部6により弁2の開度が操作される。これに
より、配水管網3の末端圧力はその目標値Peoに制御さ
れることになる。
である場合には、流量に見合ったポンプ運転台数を選択
して回転数を制御するポンプ運転台数・回転数制御装置
を弁開度制御装置14の代わりに設置する。
の流量を実測する代わりに需要予測演算手段9が浄水の
流量(需要量)を予測し、この予測流量に基づいて弁二
次圧力スケジュール演算手段10が数時間先までの弁二
次圧力設定値をスケジュールとして演算する。なお、需
要予測演算手段9は、現在の季節や時間帯、過去の実績
データ等を用いてファジィ推論やニューラルネットワー
ク等により流量予測を行うが、その具体的な方法は特に
限定されない。弁二次圧力スケジュール演算手段10
は、基本的には前記数式2に従い、その流量Qとして流
量予測値を用いることにより二次圧力設定値Pbkを演算
する。なお、管路抵抗係数rは例えば一定値と仮定する
ものとし、この管路抵抗係数rや標高差c及び指数z等
が演算用パラメータ16として使用される。
運転するか、または、前述の弁流量測定値からオンライ
ンで演算した弁二次圧力設定値に従って運転するかは、
スイッチ17により任意に選択可能とする。
2が数式7により逐次求めた管路抵抗係数rの推定値
(破線により示す)と、前記数式3により末端圧力Pe
や弁2の二次圧力Pb等から逆算した見かけ上の管路抵
抗係数rの計算値(実線により示す)の1時間ごと6日
間の比較結果を示すものである。この比較結果から、推
定値は計算値とほぼ一致しており、管路抵抗係数rを高
精度に推定できることが立証されている。なお、図2の
縦軸において、「E−04」,「E−05」はそれぞれ
10-4,10-5を示す。
と、二次圧力Pb及び流量Qの実測値と、指数z及び標
高差cを与え、前記数式1により計算した末端圧力Pe
の推定値(破線により示す)と実測値(実線により示
す)の6日間の比較結果を示している。この図から、本
実施形態により推定した管路抵抗係数rから末端圧力P
eがほぼ実測値通りに良好に推定できていることがわか
る。
(300kPa)としたときの、数式2により求めた二
次圧力設定値Pbk(破線により示す)と制御を行ってい
ない二次圧力実測値(実線により示す)の比較結果であ
る。図5は、図2,図3,図4の計算に使用したときの
実際の弁2の流量である。本実施形態においては、図4
に示される二次圧力設定値Pbkに基づいて弁2を制御す
ることにより、その流量が図5に示すように変化し、配
水管網の末端圧力を目標値Peoに制御できることが確認
されている。
のように配水管網の更新や需要変化に応じてデータテー
ブルや制御パラメータをその都度更新しなければならな
い方法に比べ、所望の末端圧力目標値のもとで、弁など
の圧力制御装置の流量、逐次推定演算される管路抵抗係
数等を用いて圧力制御装置の二次圧力設定値を求めるこ
とができ、この二次圧力設定値に従って圧力制御を行う
ことにより配水管網の末端圧力をほぼ目標値通りに制御
することができる。特に、配水管路が更新された場合に
は管路抵抗係数に自動的に反映されるので、従来のよう
にデータ更新等の煩雑な手間に煩わされることもない。
また、需要変化に対しては需要予測演算に基づく二次圧
力設定値のスケジュール演算によって対応可能である。
が安定して目標値近傍に保たれることにより、夜間の需
要量が少ない時間帯には末端圧力を低くすることが可能
になる。これにより漏水量が減少し、渇水時には必要最
低限の圧力に制御することが可能になって浄水の浪費を
減らすことができる。従って、経済的な効果も大なるも
のがある。
値との比較図である。
の比較図である。
の二次圧力設定値と実測値との比較図である。
値を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 配水池から管路を介して配置された上水
道の配水管網の末端圧力を目標値に制御するための末端
圧力制御装置において、 前記管路の圧力操作点に配置された圧力制御装置と、 前記圧力操作点の圧力を測定する手段と、 前記圧力操作点の流量を測定する手段と、 前記配水管網の末端圧力を測定する手段と、 前記圧力操作点の圧力、流量及び前記末端圧力の測定値
に基づいて前記圧力操作点から末端までの等価的な管路
抵抗係数を逐次推定し、この管路抵抗係数と前記圧力操
作点の流量測定値と末端圧力目標値とを用いて前記圧力
操作点の圧力設定値を求めるオンライン演算手段と、 前記圧力設定値に従って前記圧力制御装置を制御する手
段と、 を備えたことを特徴とする配水管網の末端圧力制御装
置。 - 【請求項2】 請求項1に記載した配水管網の末端圧力
制御装置において、 前記圧力操作点の流量を予測し、この流量予測値を用い
て前記圧力操作点の圧力設定値をスケジュールとして求
めるスケジュール演算手段と、 前記オンライン演算手段またはスケジュール演算手段の
何れか一方によって求められた圧力設定値を選択する手
段と、 を備えたことを特徴とする配水管網の末端圧力制御装
置。
Priority Applications (1)
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
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