JP6622012B2 - 運転支援装置、運転支援方法及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
図1は、下記実施形態における運転支援装置1及び投資支援装置2の概要を示す概略図である。
図1の送水施設100は、下記実施形態において省エネルギー化を図る対象となる施設である。送水施設100は、輸送路10、ポンプ20−1〜20−4、流量計30、圧力計40、電力供給スイッチ50、制御システム60及び電力計70を備える。
図2は、第1の実施形態における運転支援装置1の機能構成を示す機能ブロック図である。
運転支援装置1は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)やメモリや補助記憶装置などを備え、運転支援装置プログラムを実行する。運転支援装置1は、運転支援装置プログラムの実行によって記憶部11、通信部12、特性情報取得部13、最適流量推定部14、計画水量取得部15及び運転支援情報生成部16を備える装置として機能する。なお、運転支援装置1の各機能の全て又は一部は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアを用いて実現されてもよい。運転支援装置プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。運転支援装置プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
通信部12は、LAN(Local Area Network)等のネットワークに接続するための通信インターフェースを用いて構成される。通信部12は、ポンプ効率推定装置3と通信する。
図3(A)は、ポンプ20の吐出流量と、エネルギー原単位との関係を示す図である。エネルギー原単位とは、エネルギー効率を表す指標の一つである。本実施形態では、ポンプ20の単位吐出量あたりの消費電力量をエネルギー原単位とする。図3(A)において、横軸はポンプ20の吐出流量を表す。縦軸は吐出流量に対するエネルギー原単位を表す。図3(A)が示す吐出流量とエネルギー原単位との関係は次の式(3)のように表される。
計画水量取得部15は、送水プロセスに求められる送水量を示す計画水量を取得する。例えば、図1の送水施設が各世帯への給水を目的とする場合、計画水量取得部15は、水道施設設計指針等のガイドラインに基づいて計画水量を取得することができる。この場合、計画水量取得部15は、次の式(4)によって算出される一日の最大給水量qmaxを計画水量として取得する。
図4は、計画水量と最適水量の加算値を棒グラフで示した図である。図4の縦軸は水量を表す。棒グラフの右に記載した稼働順位の軸は、最適水量の加算値を示す棒グラフが稼働順位の高いものから順に積み上げられていることを表している。図4は、稼働順位が1号機、4号機、2号機、3号機の順に高い場合を示している。
図5は、揚程曲線及び抵抗曲線の具体例として、揚程曲線300、抵抗曲線301−1及び301−2を表している。抵抗曲線は、ポンプ20の揚程に対して抵抗として働く圧力(以下、「抵抗圧力」という。)を示す曲線である。抵抗曲線301−1は、吐出弁が全開の状態における抵抗圧力を示す。この場合、吐出弁の絞りによる抵抗圧力がないため、抵抗曲線301−1は流路における摩擦等の抵抗圧力を表す。一方、弁開度が小さくなるほど吐出弁の絞りによる抵抗圧力は大きくなる。そのため抵抗曲線は、弁開度を小さくするほど抵抗曲線301−2に近づいていく。このような抵抗曲線は、吐出流量q及び弁開度uの関数として次の式(5)によって表される。
図6は、ポンプ効率推定装置3の機能構成を示す機能ブロック図である。
ポンプ効率推定装置3は、バスで接続されたCPUやメモリや補助記憶装置などを備える。CPUは、メモリや補助記憶装置に記憶されたポンプ効率推定プログラムを実行する。ポンプ効率推定装置3は、ポンプ効率推定プログラムの実行によって運転情報取得部31、流量情報取得部32、圧力情報取得部33、電力情報取得部34、運転期間抽出部35及び運転効率推定部36を備える装置として機能する。なお、ポンプ効率推定装置3の各機能の全て又は一部は、ASICやPLDやFPGA等のハードウェアを用いて実現されてもよい。ポンプ効率推定プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。ポンプ効率推定プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
流量情報取得部32は、流量計30から流量情報を取得する。流量情報取得部32は、取得された流量情報を運転効率推定部36に出力する。
圧力情報取得部33は、圧力計40から圧力情報を取得する。圧力情報取得部33は、取得された圧力情報を運転効率推定部36に出力する。
電力情報取得部34は、電力計70から電力情報を取得する。電力情報取得部34は、取得された電力情報を運転効率推定部36に出力する。
図7において、図7(a)は運転情報の具体例を示す図である。図7(b)は流量情報の具体例を示す図である。図7(c)は圧力情報の具体例を示す図である。図7(d)は電力情報の具体例を示す図である。図7(a)、図7(b)、図7(c)及び図7(d)の横軸は時間を表し、各図の時間軸は同じ時間を表す。図7(a)の縦軸は、1号機〜4号機の4台のポンプの運転状況を表す。図7(b)、図7(c)及び図7(d)の縦軸は、それぞれ流量、圧力及び電力を表す。
運転期間抽出部35は、運転情報取得部31から運転情報を取得する。運転期間抽出部35は、運転情報が示す各ポンプの運転状況に基づいて、運転情報が示す期間から1つのポンプが単独で運転されている期間(以下、「単独運転期間」という。)を抽出する。運転期間抽出部35は、抽出された単独運転期間と、その単独運転期間に運転されていたポンプと、を示す単独運転情報を運転効率推定部36に出力する。
図8において縦軸は運転効率の値を表し、横軸は時間を表す。図8にプロットされた点は、単独運転期間における複数の計測データに基づいて算出された、複数の運転効率の値を示す。運転効率の各値は、各時刻における計測データから算出されたものである。図8の例は、運転効率推定部36が、各点の重心における値を運転効率の推定値とすることを示している。各点の重心における運転効率の値は、例えば次の式(7)によって表される。
まず、ポンプ効率推定装置3は、運転情報、流量情報、圧力情報及び電力情報を取得する(ステップS101)。具体的には、運転情報取得部31が制御システム60から運転情報を取得し、流量情報取得部32が流量計30から流量情報を取得し、圧力情報取得部33が圧力計40から圧力情報を取得し、電力情報取得部34が電力計70から電力情報を取得する。運転情報取得部31は、取得した運転情報を運転期間抽出部35に出力する。流量情報取得部32、圧力情報取得部33、電力情報取得部34は、それぞれ取得した流量情報、圧力情報及び電力情報を運転効率推定部36に出力する。
以下、第2の構成例のポンプ効率推定装置3aについて説明する。第1の構成例のポンプ効率推定装置3は、運転情報から各ポンプの単独運転期間を抽出することにより、ポンプごとの運転効率を推定した。しかしながら、第1の構成例における推定方法では、計測データが存在する流量の範囲(以下、「流量範囲」という。)においては運転効率を推定することができるが、流量範囲外では運転効率を推定することができない場合がある。一般に、流量と圧力との間、及び流量と消費電力との間には相関があることが知られており、流量範囲が異なるポンプ同士の運転効率を単純に比較することができない。そのため、第2の構成例のポンプ効率推定装置3aは、流量範囲の異なるポンプについて運転効率を比較することが可能となるように、あるポンプについて取得された単独運転期間における計測データから流量に対する圧力及び電力を推定する。
なお、図10では、図6と同じ符号を付すことによって図6と同様の機能部についての説明を省略する。
ポンプ効率推定装置3aは、運転効率推定部36に代えて運転効率推定部36aを備える点、圧力曲線推定部37及び電力曲線推定部38をさらに備える点で第1の構成例のポンプ効率推定装置3と異なる。
図11における図11(a)は、あるポンプの単独運転期間における圧力情報を示す図である。図11(b)は、当該ポンプの単独運転期間における電力情報を示す図である。図11(c)は、当該ポンプの単独運転期間における圧力情報及び電力情報に基づいて推定された、運転効率推定モデルを示す図である。このように、任意の流量範囲で取得される圧力情報及び電力情報に基づいて、任意の流量に対する運転効率を示す運転効率推定モデルが構築されることによって、ポンプ効率推定装置3aは、異なる流量範囲のポンプ同士で運転効率を比較することを可能にする。
なお、図12では、図9と同じ符号を付すことによって図9と同様の処理についての説明を省略する。
圧力曲線推定部37は、運転期間抽出部35から各ポンプの単独運転期間を示す情報を取得する。また、圧力曲線推定部37は、流量情報取得部32及び圧力情報取得部33から、それぞれ流量情報及び圧力情報を取得する。圧力曲線推定部37は、流量情報及び圧力情報における単独運転期間の計測データに基づいて、各ポンプの圧力パラメータを決定する(ステップS201)。圧力曲線推定部37は、決定した各ポンプの圧力パラメータを運転効率推定部36aに出力する。
以下、第3の構成例のポンプ効率推定装置3bについて説明する。ポンプ効率推定装置3aは、ある流量範囲について取得された計測データに基づいて、任意の流量範囲における運転効率を推定する運転効率推定モデルを構築することによって、流量範囲の異なるポンプについて運転効率を比較することを可能にした。しかしながら、第2の構成例における推定方法では、各ポンプについて単独運転期間の計測データが十分に得られない場合、運転効率推定モデルの圧力パラメータ及び電力パラメータを決定できない可能性がある。そのため、ポンプ効率推定装置3bは、複数のポンプが同時に運転された状況で取得された計測データに基づいて、圧力パラメータ及び電力パラメータを決定することを可能にする。
なお、図13では、図10と同じ符号を付すことによって図10と同様の機能部についての説明を省略する。
ポンプ効率推定装置3bは、運転期間抽出部35を備えない点、圧力曲線推定部37に代えて圧力曲線推定部37bを備える点、電力曲線推定部38に代えて電力曲線推定部38bを備える点でポンプ効率推定装置3aと異なる。
以下、第4の構成例のポンプ効率推定装置3cについて説明する。第3の構成例のポンプ効率推定装置3bは、複数のポンプが同時に運転された状況で取得された計測データに基づいて定式化される非線形最適化問題を解くことで、圧力パラメータ及び電力パラメータを決定した。しかしながら、第3の構成例におけるパラメータの決定方法では、最適化問題において推定すべきパラメータの数が多いため、可同定性が低下したり、最適解が得られない場合があった。そのため、第4の構成例のポンプ効率推定装置3cは、まず計測データの近似直線を決定し、決定された近似直線のパラメータをもとに、ポンプの特性を考慮して外挿することで圧力パラメータ及び電力パラメータを決定する。
なお、図14では、図13と同じ符号を付すことによって図13と同様の機能部についての説明を省略する。
ポンプ効率推定装置3cは、圧力曲線推定部37bに代えて圧力曲線推定部37cを備える点、電力曲線推定部38bに代えて電力曲線推定部38cを備える点、直線近似部39をさらに備える点で第3の構成例のポンプ効率推定装置3bと異なる。以下、圧力パラメータ及び電力パラメータのそれぞれについて、各パラメータの決定における各機能部の構成について説明する。
直線近似部39は、運転情報取得部31から運転情報を取得する。また、直線近似部39は、流量情報取得部32及び圧力情報取得部33から、それぞれ流量情報及び圧力情報を取得する。直線近似部39は、取得した運転情報、流量情報及び圧力情報に基づいて、各ポンプにおける流量によって圧力を表す近似直線を決定する。狭い流量範囲について計測データが取得される場合、圧力H(t)を示す近似直線は次の式(29)のように表される。
図15の横軸は流量を表し、縦軸は圧力を表す。図15の点群401は、圧力曲線(揚程曲線)を求める対象となるポンプについて取得された計測データがプロットされた点の集合を表す。ここでは、点群401に示される計測データに対応する単独運転しているポンプを仮にポンプAと記載する。また、点群402は、ポンプA単独ではなく、複数台のポンプが運転する計測データがプロットされた点の集合を表す。
図15に示された前提条件と、図16が示す前提条件との違いは、式(34)が式(37)に置き換えられた点である。そして、式(38)は、圧力曲線404が、流量範囲の最大値において近似直線403上の点を通るという前提条件を表しているのに対して、式(37)は、圧力曲線404が、流量範囲の最小値において近似直線403上の点を通るという前提条件を表している。
直線近似部39は、運転情報取得部31から運転情報を取得する。また、直線近似部39は、流量情報取得部32及び電力情報取得部34から、それぞれ流量情報及び電力情報を取得する。直線近似部39は、取得した運転情報、流量情報及び電力情報に基づいて、各ポンプにおける流量によって電力を表す近似直線を決定する。狭い流量範囲について計測データが取得される場合、電力P(t)を示す近似直線は次の式(39)のように表される。
図17の横軸は流量を表し、縦軸は電力を表す。図17の点群411は、電力曲線(消費電力曲線)を求める対象となるポンプAについて取得された計測データがプロットされた点の集合を表す。また、点群412−1及び点群412−2は、ポンプAについて異なるタイミングで取得された計測データがプロットされた点の集合を表す。以下、説明を簡単にするために、特に区別しない限り点群412−1及び点群412−2を点群412と記載する。
以下、第5の構成例のポンプ効率推定装置3dについて説明する。上述した第2〜第4の構成例では、運転効率を推定するための圧力パラメータ及び電力パラメータの決定を最適化問題として定式化した。最適化問題を解くことにより運転効率を推定する場合、決定すべきパラメータの可同定性が重要となる。そして、上述した最適化問題の可同定性に本質的に影響を与えるのはポンプの運転情報である。
図18は、3台のポンプの運転状態を示すd(t)が{1、1、0}又は{1、1、1}の2パターンの値しかとらない場合を示している。図18における全体流量は、各ポンプの流量の総和を表し、全体消費電力は、各ポンプの消費電力の総和を表す。この場合、ポンプ3については稼働及び非稼働の切り替わりが運転情報に含まれるため、パラメータの推定が可能である。しかしながら、ポンプ1及びポンプ2については、稼働及び非稼働の切り替わりが運転情報に含まれないため、パラメータを推定することができない。
なお、図19では、図14と同じ符号を付すことにより、図14と同様の機能部についての説明を省略する。
ポンプ効率推定装置3dは、カバー率向上部3Aをさらに備える点でポンプ効率推定装置3cと異なる。
以下、カバー率向上部3Aが行うカバー率向上処理の詳細について説明する。
カバー率Rは、例えば次の式(47)のように定義される。
図20は、式(48)で表される運転情報に対して、間引きの対象となるポンプの組み合わせを変えてカバー率向上処理を行った結果を示す。図20の間引きパターンは、間引きの対象となるポンプの組み合わせを表す。間引きパターンに「×」が記載されたポンプが間引きの対象となるポンプである。対象ポンプ台数は、カバー率向上処理後の運転情報でパラメータの推定が可能となるポンプの台数を表す。図20から、間引きの対象となるポンプが多くなるほど、カバー率が向上することが分かる。なお、図20において、対象ポンプ台数が1台の場合にカバー率をゼロとしているのは、式(48)で表される運転情報において、ポンプ1、ポンプ2及びポンプ3の全てが稼働しない運転状態を示すパターンがないことを表している。
第1の方法は、計測データから、ポンプの起動時や停止時に計測される過渡的なデータを除去する方法である。この場合、ポンプ効率推定装置は、例えば図21のように、ポンプの起動時又は停止時を含む所定期間のデータを計測データから削除する。
図22は、第2の実施形態における運転支援装置1aの機能構成を示す機能ブロック図である。
運転支援装置1aは、計画水量取得部15に代えて計画水量取得部15aを備える点、可視化部17をさらに備える点で、第1の実施形態の運転支援装置1と異なる。その他の機能部は、運転支援装置1と同様である。運転支援装置1と同様の機能部については、図2と同じ符号を付すことにより説明を省略する。
図23に示されるグラフ501は、計画給水人口の遷移と、計画水量の遷移とを示すグラフである。グラフ501の横軸は現在からの経過年数を示す。グラフ501の左の縦軸は計画水量を表し、右の縦軸は計画給水人口を表す。また、図23に示されるグラフ502は、指定された経過年数における各ポンプ20の最適水量の加算値を示す棒グラフである。グラフ502の縦軸は、グラフ501の縦軸に対応する。
図24は、第3の実施形態の投資支援装置2の機能構成を示す機能ブロック図である。
投資支援装置2は、バスで接続されたCPUやメモリや補助記憶装置などを備え、投資支援装置プログラムを実行する。投資支援装置2は、投資支援装置プログラムの実行によって記憶部21、通信部22、特性情報取得部23、最適流量推定部24、削減コスト算出部25及び回収期間算出部26を備える装置として機能する。なお、投資支援装置2の各機能の全て又は一部は、ASICやPLDやFPGA等のハードウェアを用いて実現されてもよい。投資支援装置プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。投資支援装置プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
図25において、曲線501−1は、ポンプ20が回転数を変化させる前の定格回転数N0で動作する場合の揚程曲線である。すなわち、揚程曲線501−1は定格回転数で動作するポンプ20の揚程を示し、インバータを導入しない場合の揚程曲線と同じである。ポンプ20の回転数を減少させた場合、吐出流量の減少に伴い揚程も減少する。そのため、揚程曲線は、回転数の減少に伴って揚程曲線501−2に変化する。一般に、揚程曲線は、ポンプ20の回転数N及び定格回転数N0を用いて次の式(54)のように表される。
回収期間算出部26は、インバータの導入に要する投資コストと、削減コスト算出部25によって算出された削減電力コストとに基づいて、投資コストを削減電力コストで回収するために要する投資回収期間を取得する。
投資支援装置2は、インバータの導入に代えてモーターの交換を実施した場合の投資回収期間を取得してもよい。モーターは、インバータのように設定によって細かく回転数を変化させることはできないが、極数に応じた回転数の変化が可能である。モーターの極数pと回転数Nとの関係は次の式(56)によって表される。
投資支援装置2aは、特性情報に基づいて、モーターの交換によって得られる最適極数を推定する最適極数推定部27をさらに備える点で、第2の実施形態の投資支援装置2はと異なる。他の機能部は、投資支援装置2と同様である。投資支援装置2aは、最適極数推定部27を備えることによって、モーターの交換に要する投資額の投資回収期間を投資支援装置2と同様の方法で取得することが可能となる。
図27は、変形例の投資支援装置2bの機能構成を示す機能ブロック図である。
投資支援装置2bは、投資判断部28をさらに備える点で投資支援装置2aと異なる。投資判断部28は、インバータの導入した場合の投資回収期間と、モーターを交換した場合の投資回収期間を比較して短い方の投資回収期間を選択する。投資判断部28は、選択した投資回収期間と、対応する施策(インバータ導入又はモーター交換)とを示す情報を投資支援情報として出力する。
図28(A)は、インバータを導入した場合の投資回収効果を示す図である。図28(B)は、モーターを交換した場合の投資回収効果を示す図である。図28(A)及び図28(B)において、横軸は投資額を表し、縦軸は投資回収期間を表す。投資額は、導入するインバータの数や交換するモーターの数から算出される。図28の例は、インバータを導入する方が、より早く投資額を回収することを表している。
Claims (5)
- 時間の経過に伴って変化するポンプごとの特性を示す特性情報を取得する特性情報取得部と、
時間の経過に伴って変化する水の需要量を示す計画水量情報を取得する計画水量取得部と、
前記特性情報取得部によって取得された前記特性情報と、前記ポンプの運転に関する制約を示す制約情報とに基づいて、前記ポンプの消費電力が前記制約を満たしつつ最小となる最適流量を前記ポンプごとに推定する最適流量推定部と、
前記最適流量推定部によって推定された前記ポンプごとの最適流量と、前記計画水量取得部によって取得された前記計画水量情報と、前記ポンプごとのエネルギー原単位とに基づいて、前記需要量の給水を最小の消費電力で実現するポンプを複数の前記ポンプから選択する選択部と、
を備える運転支援装置。 - 前記特性情報に基づいて、前記選択部によって選択されたポンプの吐出流量を前記最適流量に保つための吐出弁の開度を取得する弁開度取得部をさらに備える、
請求項1に記載の運転支援装置。 - 前記計画水量取得部は、現在の前記需要量と将来の前記需要量とを前記計画水量情報として取得し、
前記選択部は、前記ポンプごとの最適流量と、前記計画水量情報とに基づいて、現在及び将来の需要量の給水を最小の消費電力で実現するポンプを複数の前記ポンプから選択し、
表示装置に、前記選択部によって選択されたポンプに関する情報を、現在及び将来で比較可能な態様で表示させるための情報を生成する可視化部をさらに備える、
請求項1又は2に記載の運転支援装置。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載の運転支援装置として機能するコンピュータが、時間の経過に伴って変化するポンプごとの特性を示す特性情報を取得する特性情報取得ステップと、
前記コンピュータが、時間の経過に伴って変化する水の需要量を示す計画水量情報を取得する計画水量情報取得ステップと、
前記コンピュータが、前記特性情報取得ステップにおいて取得された前記特性情報と、前記ポンプの運転に関する制約を示す制約情報とに基づいて、前記ポンプの消費電力が前記制約を満たしつつ最小となる最適流量を前記ポンプごとに推定する最適流量推定ステップと、
前記コンピュータが、前記最適流量推定ステップにおいて推定された前記ポンプごとの最適流量と、前記計画水量情報取得ステップにおいて取得された前記計画水量情報と、前記ポンプごとのエネルギー原単位とに基づいて、前記需要量の給水を最小の消費電力で実現するポンプを複数の前記ポンプから選択する選択ステップと、
を有する運転支援方法。 - 時間の経過に伴って変化するポンプごとの特性を示す特性情報を取得する特性情報取得ステップと、
時間の経過に伴って変化する水の需要量を示す計画水量情報を取得する計画水量情報取得ステップと、
前記特性情報取得ステップにおいて取得された前記特性情報と、前記ポンプの運転に関する制約を示す制約情報とに基づいて、前記ポンプの消費電力が前記制約を満たしつつ最小となる最適流量を前記ポンプごとに推定する最適流量推定ステップと、
前記最適流量推定ステップにおいて推定された前記ポンプごとの最適流量と、前記計画水量情報取得ステップにおいて取得された前記計画水量情報と、前記ポンプごとのエネルギー原単位とに基づいて、前記需要量の給水を最小の消費電力で実現するポンプを複数の前記ポンプから選択する選択ステップと、
をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。
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