JP5416729B2 - 水道中央監視制御装置、水道監視制御システムおよび水道監視制御プログラム - Google Patents
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Description
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
上水道中央監視制御装置101は、コストモデル構築部111と、コスト計算部112と、運用計画最適化部113と、需要予測部114と、機器特性・制御ルール更新部115と、機器特性記憶部121と、制御ルール記憶部122と、コストモデル記憶部123と、施設制約記憶部124と、運用計画記憶部125と、実績運用データ記憶部126と、ヒューマンインタフェース部141と、通信部142とを有する。また、上水道中央監視制御装置101は、監視・制御の対象である制御対象施設151、制御対象施設152と通信部142を介して接続されている。
Ctotal:制御対象の全施設の運用コスト[kWh]
j:制御対象の施設を表すインデックス
M:制御対象の施設の総数
C(j):制御対象の施設jの運用コスト[kWh]
である。
各施設jの運用コストC(j)の計算方法についてはコストモデルの説明とあわせて図11の説明にて後述する。
消費電力計が設置されていない場合、消費電力の計測は、電流計による電流の計測値と力率の計測値を組み合わせて電力を推定することとしてもよい。
先に図4を参照して述べたとおり、機器特性テーブル300は、制御対象施設のポンプ号機ごとに同様の流量−揚程特性303を保持する。上水道向けに多く用いられる渦巻きポンプでは、流量−揚程特性は、式2または式3のいずれかによる近似が知られている。
H=A・Q^B+C …(式3)
ここで、
H:ポンプの全揚程[m]
Q:ポンプの吐出流量[m^3/h]
A、B、C:式ごとに独立な係数
^:べき乗
である。上記の式で流量−揚程特性を近似する場合は、近似式の種別と係数A、B、Cを保持すればよい。あるいは、複数の代表的な流量および揚程のペアをデータとして保持し、それらのデータを直線でつないだ折れ線で流量−揚程特性を近似することとしてもよい。
Q/S=一定 …(式5)
ここで、
S:回転数[rpm]
である。回転数ごとの流量−揚程特性の保持の方法としては、上記相似則での近似を用いることができる。あるいは、複数の代表的な回転数における流量−揚程特性を保持し、その他の回転数に関しては補間を行なって流量−揚程特性を近似することとしてもよい。
η=A・Q^3+B・Q^2+C・Q …(式7)
ここで、
η:ポンプの効率[−]
Q:ポンプの吐出流量[m^3/h]
A、B、C:式ごとに独立な係数
である。上記の式で流量−揚程特性を近似する場合は、近似式の種別と係数A、B、Cを保持すればよい。あるいは、複数の代表的な流量および効率のペアをデータとして保持し、それらのデータを直線でつないだ折れ線で流量−効率特性を近似することとしてもよい。
ここで、
E:ポンプ駆動に必要な電力[kW]
Q:ポンプの吐出流量[m^3/h]
H:ポンプの全揚程[m]
η:ポンプの効率[−]
k:比例係数[kWh/m^4]
である。
先に図7の制御ルールテーブルにて述べたとおり、吐出圧力設定による制御を行なう施設(配水ポンプ施設など)について、同様の吐出圧力設定方式を保持する。図8Aは、代表的な吐出圧力設定方式の一つである推定末端圧一定制御と呼ばれる方式を示す。この方式は、吐出圧力を吐出流量(または吐出流量に何らかの平均化処理をかけた値)から式9で定める。
ここで、
P:吐出圧力[kPa]
Q:吐出流量[m^3/h]
P0、C:係数
である。この方式のように、吐出流量のみから吐出圧力を決定する任意の方式を利用できる。任意の吐出流量に対して一定の吐出圧力を設定する吐出圧力一定制御を用いることもできる。一方で、他の施設の吐出流量などに依存して吐出圧力を決定する方式でも、図11の説明にて詳細を述べる方法によって取り扱うことができる。
先に図7の制御ルールテーブルにて述べたとおり、可変速ポンプ号機を含む制御対象施設で、吐出流量設定による回転数制御を行なう施設(送水ポンプ施設など)について、同様の管路モデルを保持する。管路モデルは、当該施設から水を送る先の管路に対して、吐出流量Q[m^3/h]を流す際に必要となる吐出圧力P[kPa]の関係を表す。代表的なモデルとして、管路での圧力損失としてヘーゼン・ウィリアムス式を仮定した式10を用いる。
ここで、
P:吐出圧力[kPa]
Q:吐出流量[m^3/h]
P0、C:係数
である。係数P0は、当該施設の標高と、送水先(管路の出口)の標高差に依存し、Cは管路の長さと口径等に依存する。
一方、この施設において図13のように状態遷移の除去および区分線形近似によるモデルの簡単化を行なう場合、図14Bの破線で示す消費電力関数を選ぶことができる。
流量−揚程特性の更新のステップ1701で、機器特性・制御ルール更新部115は、図5に示した流量−揚程特性を、更新する。ここでは、流量−揚程特性を式11
H=f(Q,A,B,C) …(式11)
ただし、
H:揚程[m]
Q:吐出流量[m^3/h]
でモデル化し、係数A、B、Cを定めると流量−揚程特性が定まる。また、回転数制御は、ポンプの相似則でモデル化する。すなわち、定格回転数S0を用いて、回転数Sのときの流量−揚程特性は式12
H=f(Q×S/S0,A,B,C)×S^2/S0^2…(式12)
でモデル化する。関数fの具体例としては、図5の説明で取り上げた式2、式3を用いることができる。
残差自乗和を最小にする係数の決定手法には、滑降シンプレックス法などの一般的な最適化手法を用いることができる。
η=g(Q,A,B,C) …(式13)
ただし、
η:効率[−]
Q:吐出流量[m^3/h]
でモデル化し、係数A、B、Cを定めると流量−効率特性が定まる。また、回転数制御はポンプの相似則でモデル化する。すなわち、定格回転数S0を用いて、回転数Sのときの流量−揚程特性は、式14
η=g(Q×S/S0,A,B,C) …(式14)
でモデル化する。このとき消費電力は、
E=k・Q・H/η …(式15)
ただし
E:消費電力[kW]
k:比例係数[kWh/m^4]
H:揚程[m]
とモデル化できる。関数gの具体例としては、図5の説明で取り上げた式2、式3を用いることができる。
残差自乗和を最小にする係数の決定手法には、例えば滑降シンプレックス法などの一般的な最適化手法を用いることができる。
Claims (8)
- 取水ポンプ施設と、送水ポンプ施設と、配水ポンプ施設とを制御対象とする水道中央監視制御装置において、
前記制御対象施設のポンプ号機ごとの機器特性を記憶する機器特性記憶部と、前記制御対象施設で各ポンプ号機の運転方式などを定める制御ルールを記憶する制御ルール記憶部と、前記機器特性記憶部と前期制御ルール記憶部の情報をもとに、前記制御対象施設ごとにコストモデルを構築し、コストモデル記憶部に格納するコストモデル構築部と、前記コストモデル記憶部に記憶されたコストモデルを用いて水道運用計画データの運用コストを評価するコスト計算部と、前記コスト計算部で評価される運用コストを最小とする最適な水道運用計画データを作成する運用計画最適化部と、前記最適な運用計画データを前記制御対象施設へと送信する通信部と、運転員とのインタフェースを行なうヒューマンインタフェース部とを有し、
前記コストモデルは、制御対象施設のポンプ運転台数を状態とする状態遷移関係と、各状態での制御対象施設の吐出流量を入力としてコストを与える関数とからなり、
前記コスト計算部は、前記コストモデルの状態遷移表現を実行する状態遷移機械によって構成されることを特徴とする水道中央監視制御装置。 - 請求項1に記載の水道中央監視制御装置であって、
さらに、実績運用データ記憶部と機器特性・制御ルール更新部とを有し、
前記通信部は、制御対象施設から運転実績に関する情報を収集して前記実績運用データ記憶部に格納し、
前記機器特性・制御ルール更新部は、前記運用実績に関する情報から、前記機器特性記憶部に記憶された機器特性情報、および前記制御ルール記憶部に記憶された制御ルール情報を更新することを特徴とする水道中央監視制御装置。 - 請求項1または請求項2に記載の水道中央監視制御装置であって、
前記コストモデル構築部は、制御対象施設のポンプ号機の稼働・停止状態ごとに独立の状態を有する状態遷移表現をもつコストモデルを、類似した状態を統合することで状態遷移表現を簡素化したコストモデルへ変換する機能を有し、各状態での制御対象施設の吐出流量を入力としてコストを与える関数を、区分的に線形な関数で近似する機能を有することを特徴とする水道中央監視制御装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の水道中央監視制御装置であって、
前記コストモデルの制御対象施設の吐出流量を入力としてコストを与える関数は、前記機器特性記憶部に記憶された、ポンプの吐出流量と揚程との関係を表す特性と、ポンプの吐出流量と効率との関係を表す特性と、を用いて、前記制御ルール記憶部に記憶された、吐出流量あるいは吐出圧力を設定する制御方式により定まる可変速ポンプの回転数と、バルブの減圧幅とを用いて計算されることを特徴とする水道中央監視制御装置。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の水道中央監視制御装置であって、
前記制御ルール記憶部に記憶された、配水ポンプ施設の吐出圧力を設定する制御方式として、推定末端圧力一定制御、あるいは吐出圧力一定制御を用いることを特徴とする水道中央監視制御装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の水道中央監視制御装置であって、
前記コスト計算部で評価し、前記運用計画最適化部で最小化する運用コストは、
水道施設の運用に要する消費電力、
あるいは前記消費電力を賄うための電力料金、
あるいは前記消費電力の温室効果ガス換算値のいずれかであることを特徴とする水道中央監視制御装置。 - 請求項1から請求項6に記載の水道中央監視制御装置を計算機サーバで実現し、
通信ネットワークを介して制御対象施設と接続することで、
水道中央監視制御装置が運用計画データを制御対象施設に送信し、実績運用データを制御対象施設から収集するよう構成された水道監視制御システム。 - 取水ポンプ施設と、送水ポンプ施設と、配水ポンプ施設とを制御対象とする水道監視制御プログラムにおいて、
コンピュータを
前記制御対象施設のポンプ号機ごとの機器特性を記憶する機器特性記憶部と、前記制御対象施設で各ポンプ号機の運転方式などを定める制御ルールを記憶する制御ルール記憶部と、前記機器特性記憶部と前期制御ルール記憶部の情報をもとに、前記制御対象施設ごとにコストモデルを構築し、コストモデル記憶部に格納するコストモデル構築部と、前記コストモデル記憶部に記憶されたコストモデルを用いて水道運用計画データの運用コストを評価するコスト計算部と、前記コスト計算部で評価される運用コストを最小とする最適な水道運用計画データを作成する運用計画最適化部と、前記最適な運用計画データを前記制御対象施設へと送信する通信部と、運転員とのインタフェースを行なうヒューマンインタフェース部と、として機能させ、
前記コストモデルは、制御対象施設のポンプ運転台数を状態とする状態遷移関係と、各状態での制御対象施設の吐出流量を入力としてコストを与える関数とからなり、
前記コスト計算部は、前記コストモデルの状態遷移表現を実行する状態遷移機械によって構成されることを特徴とする水道監視制御プログラム。
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