以下に、本発明の実施の形態にかかる直流き電電圧制御装置、直流き電電圧制御方法、および直流き電電圧制御プログラムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる直流き電電圧制御装置の構成例を示す図である。図1に示すように、実施の形態1にかかる直流き電電圧制御装置1は、変電所電圧Vo1~Vonの指令値である指令値Vs1~Vsnを算出する。直流き電電圧制御装置1は、指令値Vs1~Vsnを各々含む電圧指令Vr1~Vrnを生成し、生成した電圧指令Vr1~Vrnを各々変電所31~3nへネットワーク4を介して出力する。なお、nは、自然数である。
変電所31~3nは、電圧指令Vr1~Vrnに各々含まれる指令値Vs1~Vsnに基づいて、指令値Vs1~Vsnで規定される電圧値を各々有する変電所電圧Vo1~Vonをき電線5へ印加する。具体的には、変電所31は、指令値Vs1で規定される電圧値を有する変電所電圧Vo1をき電線5へ印加する。変電所32は、指令値Vs2で規定される電圧値を有する変電所電圧Vo2をき電線5へ印加する。変電所3nは、指令値Vsnで規定される電圧値を有する変電所電圧Vonをき電線5へ印加する。
変電所電圧Vo1~Vonは、電気鉄道の直流電化区間におけるき電線5へ各々変電所31~3nから印加される直流電圧であり、き電電圧とも呼ばれる。変電所電圧Vo1~Vonは各々変電所31~3nとき電線5との接続点に印加されるが、変電所電圧Vo1~Vonは、き電線5の電圧を制御することができるものであればよく、変電所3とき電線5との接続点の電圧を結果的に制御できる電圧であればよい。
以下において、変電所31~3nの各々を区別せずに示す場合、変電所3と記載し、変電所電圧Vo1~Vonの各々を区別せずに示す場合、変電所電圧Voと記載する場合がある。指令値Vs1~Vsnの各々を区別せずに示す場合、指令値Vsと記載し、電圧指令Vr1~Vrnの各々を区別せずに示す場合、電圧指令Vrと記載する場合がある。なお、指令値Vsで規定される変電所電圧Voの電圧値は、指令値Vsと実質的に同じ電圧であるが、例えば、指令値Vsで規定される電流-電圧特性を有する電圧値であってもよい。
直流電化区間を走行する各列車61~6mは、き電線5から架線を介して供給される電力に基づき、力行運転を行う。また、各列車61~6mは、制動の際に回生ブレーキにより電力回生を行って架線へ回生電力を供給することができる。以下、列車61~6mを総称して列車6と記載する場合がある。なお、mは自然数である。
ここで、電力回生を行っている列車6を「回生車」と記載し、回生ブレーキで発生した回生電力であって回生電力絞り込み制御がなければ架線へ供給可能な最大電力を「回生可能電力」と記載する。また、回生可能電力を架線へ供給した場合に回生車から架線へ供給される電流を「回生可能電流」と記載し、回生電力絞り込み制御が行われた状態で架線へ回生できる電力を「回生電力」、回生電力絞り込み制御が行われた状態で架線へ供給される電流を「回生電流」と記載する。
また、回生車で発生した回生電力は、力行運転を行っている列車6に架線を通じて供給される。以下、力行運転を行っている列車を「力行車」と記載し、力行車の走行に必要な電力を「力行電力」と記載する。また、列車6の回生電力または力行電力を単に列車6の電力と記載する場合がある。
回生電力に対して力行電力が少ないと、回生電力が過多となりき電線5の電圧が高くなりすぎる。列車6は、き電線5の電圧が高くなりすぎることを防止するため、回生ブレーキで発生した回生電力の一部または全部のき電線5への供給を抑制する回生絞り込み制御を行う。
回生絞り込み制御は、き電線5に接続された架線に列車6のパンタグラフが接する点の電圧であるパンタ点電圧に基づいて行われる。図2は、実施の形態1にかかる回生車における回生絞り込み制御の一例を示す図である。横軸はパンタ点電圧を示し、縦軸は回生電力を示す。回生電力はパンタ点電圧と回生電流との積である。
回生車が回生電流、すなわち回生電力を架線に供給すると、パンタ点電圧が上昇する。回生車は、パンタ点電圧が図中に示す回生絞り込み開始電圧値Vstart未満の領域では回生可能電力を架線へ供給するが、パンタ点電圧が回生絞り込み開始電圧値Vstart以上となる領域では架線へ回生する回生電力を減少させる制御である回生絞り込み制御を行う。回生車では、回生絞り込み開始電圧値Vstartから回生絞り込み終了電圧値Vendまでの間でパンタ点電圧が高いほど回生絞り込み量を高めるように回生絞り込み制御が行われる。
かかる回生絞り込み制御が実施された場合、いわゆる回生失効により回生電力の一部が回生車で無駄に消費されるため、消費された回生電力を力行電力として有効に活用することができなくなる。
そこで、直流き電電圧制御装置1では、回生電力を有効に活用して直流電化区間における消費電力量の低減を図ることができるように直流き電電圧制御装置1が指令値Vs1~Vsnを算出し、指令値Vs1~Vsnで規定される電圧値を有する変電所電圧Vo1~Vonがき電線5へ印加されるように変電所31~3nを制御する。これにより、直流電化区間における消費電力量の低減を図ることができるように、変電所電圧Vo1~Vonが制御される。
列車6は、CBTC(Communication Based Train Control)と呼ばれる無線列車制御システムの列車である。そのため、各列車6の位置および電力を示す列車情報を無線通信によってリアルタイムで収集し、収集した列車情報に基づいて、変電所電圧Vo1~Vonをリアルタイムに制御することも考えられる。
この場合、各列車6から列車情報を収集するための通信時間、および変電所電圧Vo1~Vonの最適な値である指令値Vs1~Vsnを算出するための算出時間が必要である。したがって、各列車6から収集された列車情報を用いてリアルタイムに変電所電圧Vo1~Vonを制御しようとすると、通信時間および算出時間によって制御遅れが生じ、省エネルギーの効果が低減したり、列車6の運行遅延が発生したりする。例えば、変電所電圧Vo1~Vonが高すぎると、電力消費量が多くなって省エネルギーの効果が低減する。また、変電所電圧Vo1~Vonが低すぎると、列車6への電力供給が不足して列車の速度などが不足することで列車6の運行遅延が発生する。また、列車6への電力供給の不足がつづくと、列車の運行遅延が拡大する。
そこで、直流き電電圧制御装置1は、各列車6から収集された列車情報に基づいて予測される列車6の将来の列車情報に基づいて、直流電化区間における消費電力量が予め設定された条件を満たす最適な指令値Vs1~Vsnを算出する。
さらに、直流き電電圧制御装置1は、列車6の列車情報の予測誤差および変電所電圧Voの制御可能範囲によっては、列車6への電力供給が不足したり、省エネルギー効果の低減が大きくなったりする可能性があることから、列車6の列車情報の予測誤差に基づいて、指令値Vs1~Vsnが各々変更可能な範囲である制御可能範囲Ro1~Ronを制限する。これにより、省エネルギー効果の低減を抑えつつ、列車6の運行遅延を抑制することができる。
例えば、指令値Vs1~Vsnの最大制御範囲が1450~1550[V]であるとする。直流き電電圧制御装置1は、列車6の列車情報の予測誤差が相対的に小さい場合、列車6への電力供給が不足する可能性が低いことから、制御可能範囲Ro1~Ronを例えば1450~1550[V]にする。これにより、省エネルギー化を図ることができる。
また、直流き電電圧制御装置1は、列車6の列車情報の予測誤差が相対的に大きい場合、列車6への電力供給が不足する可能性が高いことから、制御可能範囲Ro1~Ronを例えば1500~1550[V]にする。これにより、列車6への電力供給の不足を抑制できるため、列車6の運行遅延を抑制することができる。なお、以下において、制御可能範囲Ro1~Ronの各々を区別せずに示す場合、制御可能範囲Roと記載する場合がある。
図3は、実施の形態1にかかる直流き電電圧制御装置の構成例を示す図である。直流き電電圧制御装置1は、列車6の運行を管理する列車運行管理システムに含まれる装置であるが、一部または全部が列車運行管理システムとは別に設けられる構成であってもよい。
図3に示すように、直流き電電圧制御装置1は、通信部10と、記憶部20と、処理部30とを備える。通信部10は、ネットワークを介して変電所3との間で情報の送受信を有線または無線によって行う。また、通信部10は、列車6に搭載された無線通信部を備える不図示の車上装置との間で情報の送受信を無線によって行うことができ、また、通信部10は、電気鉄道の各軌道回路の状態を管理する不図示の連動制御装置との間で情報の送受信を有線または無線によって行うことができる。
記憶部20は、列車情報記憶部21と、走行モデル記憶部22と、予測情報記憶部23と、予測誤差記憶部24と、制御可能範囲テーブル記憶部25と、き電モデル記憶部26とを備える。
列車情報記憶部21は、処理部30によって取得された各列車6の時刻毎の列車情報を記憶する。各列車情報は、列車情報記憶部21に記憶される列車情報テーブルに追加される。図4は、実施の形態1にかかる列車情報記憶部に記憶される列車情報テーブルの一例を示す図である。
図4に示す列車情報テーブル71は、「時刻」、「列車ID」、「方面」、「位置」、「速度」、「ノッチ」、「電力」、および「重量」が互いに関連付けられた情報を「時刻」毎に含む。「時刻」は、列車6の走行時刻を示す情報であり、「列車ID」は、列車6毎に固有に割り当てられた識別情報である。「方面」は、列車6の進行方向を示す情報であり、「上り」と「下り」のいずれかが設定される。
「位置」は、直流電化区間における列車6の位置を示す情報であり、例えば、直流電化区間の一端を始端とした列車6の位置を示す情報である。「速度」は、列車6の速度を示す情報である。「ノッチ」は、列車6の運転台に設置されたマスターコントローラのノッチ位置を示す情報である。正の値は、力行ノッチのノッチ位置を示し、負の値は、ブレーキノッチのノッチ位置を示す。
「電力」は、列車6の電力を示す情報であり、「電力」が正の場合には、列車6の電力が力行電力であることを示し、「電力」が負の場合には、列車6の電力が上述した回生可能電力であることを示している。なお、「電力」には、力行電力および回生可能電力の他、列車6の補機で消費される電力を含む。「重量」は、乗客および乗員を含む列車6の重量の情報である。
図3に示す走行モデル記憶部22は、列車情報を予測するための列車走行モデル情報を格納する。列車走行モデル情報は、例えば、路線情報および各列車6の列車特性情報を含む。路線情報は、鉄道軌道の各位置における制限速度、勾配、および曲線半径などの情報を含む。列車特性情報は、各列車6の列車長、モータ特性、モータ効率、および空気抵抗のパラメータなどの情報を含む。モータ特性は、例えば、モータの速度特性およびモータの加減速度特性を含む。
予測情報記憶部23は、処理部30によって予測された時刻毎の各列車6の列車情報である予測情報を記憶する。各列車6の予測情報は、予測情報記憶部23に記憶される予測情報テーブルに追加される。図5は、実施の形態1にかかる予測情報記憶部に記憶される予測情報テーブルの一例を示す図である。
図5に示す各予測情報テーブル721~724は、列車情報テーブル71と同様に、「時刻」、「列車ID」、「方面」、「位置」、「速度」、「ノッチ」、「電力」、および「重量」が互いに関連付けられた情報を「時刻」毎に含む。図5に示す例では、予測情報テーブル721~724は、処理部30によって互いに異なる時刻で予測された各列車6の列車情報を含む。
図5に示す例では、予測情報テーブル721は、時刻t-3で予測された時刻t-1~tk-1における各列車6の予測情報を含み、予測情報テーブル722は、時刻t-2で予測された時刻t0~tkにおける各列車6の予測情報を含む。また、予測情報テーブル724は、時刻t0で予測された時刻t2~tk+2における各列車6の予測情報を含む。なお、kは2以上の整数である。また、図5に示す例では、5つの予測情報テーブルを有するが、予測情報テーブルの数は図5に示す例に限定されない。
図3に示す予測誤差記憶部24は、各時刻における予測情報の誤差である予測誤差の情報を記憶する。予測誤差の情報は、予測誤差記憶部24に記憶される予測誤差テーブルに追加される。図6は、実施の形態1にかかる予測誤差記憶部に記憶される予測誤差テーブルの一例を示す図である。
図6に示す予測誤差テーブル73は、「時刻」と「予測誤差」とが互いに関連付けられた情報を「時刻」毎に含む。「時刻」は、予測情報の時刻の情報である。予測情報の時刻は、例えば、予測情報テーブル721では、時刻t-1~tk-1である。「予測誤差」は、列車情報と予測情報との誤差である。図6に示す予測誤差テーブル73では、各時刻t-p~t-1の予測誤差が含まれる。
図3に示す制御可能範囲テーブル記憶部25は、各変電所電圧Voの制御可能範囲Roと予測誤差との関係を示す制御可能範囲テーブルを記憶する。図7は、実施の形態1にかかる制御可能範囲テーブル記憶部に記憶される制御可能範囲テーブルの一例を示す図である。
図7に示す制御可能範囲テーブル74は、「予測誤差」、「第1変電所」、「第2変電所」、・・・、および「第n変電所」が互いに関連付けられた情報が「予測誤差」毎に含まれる。「予測誤差」は、予測誤差の範囲を示す情報である。「第1変電所」は、変電所31における変電所電圧Vo1の制御可能範囲Ro1であり、「第2変電所」は、変電所32における変電所電圧Vo2の制御可能範囲Ro2である。また、「第n変電所」は、変電所3nにおける変電所電圧Vonの制御可能範囲Ronである。
なお、制御可能範囲テーブル74は、図7に示す例に限定されない。例えば、図7に示す制御可能範囲テーブル74は、予測誤差を100[kW]未満、100[kW]以上1000[kW]未満、および1000[kW]以上の3段階に分けたが、予測誤差の範囲を2段階に分けてもよく、また、予測誤差の範囲を4段階以上に分けてもよい。
図3に示すき電モデル記憶部26は、例えば、直流電化区間内を走行する各列車6の列車モデル情報、各変電所3の変電所モデル情報、およびき電網モデル情報を記憶する。列車モデル情報は、直流電化区間を走行する各列車6における回生電力絞り込み量を制御するための情報であり、回生絞り込み開始電圧値Vstartの情報および回生絞り込み終了電圧値Vendの情報を含む。なお、直流電化区間を走行する複数の列車6には、無線通信部62を備える車上装置を搭載していない列車6も含まれていてもよい。
変電所モデル情報は、各変電所3における内部抵抗などを含む。き電網モデル情報は、各変電所3の位置情報、架線と変電所3との間の接続状態、架線間の接続状態、架線の長さおよび抵抗率などの情報を含む。
図3に示すように、処理部30は、列車情報取得部31と、列車情報予測部32と、予測誤差算出部33と、制御可能範囲決定部34と、変電所電圧算出部35とを備える。
列車情報取得部31は、各列車6の列車情報を取得し、取得した各列車6の列車情報を列車情報記憶部21に記憶する。各列車6の列車情報には、上述したように、列車6の位置および電力の情報が含まれる。列車6の電力は、列車6が力行車である場合、例えば、列車6の力行電力および列車6の補機で消費される電力を含む。また、列車6の電力は、列車6が回生車である場合、例えば、列車6の回生電力および列車6の補機で消費される電力を含む。
列車6は、列車情報取得部61と、無線通信部62とを備える。列車情報取得部61は、列車6に設けられた1以上の機器から列車情報を取得し、取得した列車情報を無線通信部62へ送る。無線通信部62は、列車情報取得部61から送られてきた列車情報を直流き電電圧制御装置1へ無線によって送信する。列車情報には、列車6の位置、速度、ノッチ、電力、および重量の情報が含まれる。重量の情報には、例えば、列車6の搭乗者を含む各車両の重量の情報が含まれる。
列車情報取得部31は、通信部10を介して各列車6から送信される列車情報を取得する。また、列車情報取得部31は、通信部10を介して不図示の装置から各軌道回路の状態の情報を列車6の位置の情報として取得することもできる。なお、列車情報取得部31は、各列車6から送信される列車情報を不図示の装置を経由して取得することもできる。
列車情報予測部32は、列車情報記憶部21に記憶された各列車6の列車情報を取得すると共に、走行モデル記憶部22に記憶された列車走行モデル情報を取得する。列車情報予測部32は、取得した各列車6の列車情報と列車走行モデル情報とに基づいて、列車情報を予測する。列車情報予測部32は、予測した列車情報を予測情報として予測情報記憶部23に記憶する。
なお、列車情報予測部32は、時刻毎に、将来の互いに異なる複数の時刻の各々の各列車6の列車情報を予測情報として生成するが、列車情報予測部32は、時刻毎に、将来の1つの時刻の各列車6の列車情報を予測情報として生成することもできる。
列車情報予測部32は、例えば、各列車6の位置、速度、ノッチ、電力、および重量と、各列車6の列車特性情報および路線情報とに基づく列車走行シミュレーションによって、各列車6の列車情報を予測することができる。
また、列車情報予測部32は、列車6の走行計画を自動的に作成するアルゴリズムを用いて、各列車6の列車情報を予測することもできる。この場合、列車情報予測部32は、走行計画作成時における位置および速度を、各列車6の最新の位置および速度とすることで、各列車6の列車情報を予測することができる。列車6の走行計画を自動的に作成するアルゴリズムは、周知技術であり、例えば、国際公開第2013/057969号などに開示されている技術を用いることができる。
図8は、実施の形態1にかかる列車情報と予測情報との関係の一例を示す図である。図8に示す例では、列車情報予測部32は、例えば、時刻t-1において、列車情報記憶部21に記憶された各列車6の時刻t-2における列車情報に基づいて、時刻t1以降の予測情報を生成する。また、列車情報予測部32は、時刻t0において、列車情報記憶部21に記憶された各列車6の時刻t-1における列車情報に基づいて、時刻t2以降の予測情報を生成する。また、列車情報予測部32は、時刻t1において、列車情報記憶部21に記憶された各列車6の時刻t0における列車情報に基づいて、時刻t3以降の予測情報を生成する。
このように、列車情報予測部32は、現時刻の一つの前の時刻の列車情報を用いて現時刻の二つ先の時刻の予測情報を生成する。現時刻の列車情報は列車情報記憶部21に記憶されていないため、現時刻の一つの前の時刻の列車情報が最新の列車情報である。また、将来の時刻の予測情報を生成するのは、指令値Vs1~Vsnを算出するための算出時間が必要であるためである。
なお、列車情報予測部32による予測情報の生成処理は、図8に示す例に限定されない。例えば、列車情報予測部32は、現時刻以前の複数の時刻の列車情報を用いて、予測情報を生成することもでき、また、一つ先の時刻または三つ以上先の時刻の予測情報を生成することもできる。例えば、列車情報予測部32は、時刻t1において、列車情報記憶部21に記憶された各列車6の時刻t0~時刻t-qにおける列車情報に基づいて、時刻t3以降の予測情報を生成することができる。なお、qは、自然数である。
図3に示す予測誤差算出部33は、列車情報記憶部21に格納された最新の列車情報を取得する。また、予測誤差算出部33は、予測情報記憶部23に記憶された予測情報の中で、最新の列車情報と同じ時刻の予測情報であって予測時刻が最新の予測情報を取得する。そして、予測誤差算出部33は、取得した最新の列車情報と、最新の列車情報と同じ時刻の予測情報であって最新の予測情報とに基づいて、予測情報の予測誤差を算出する。
図9は、実施の形態1にかかる列車情報と予測情報と予測誤差との関係の一例を示す図である。図9に示す例では、時刻t1において、列車情報記憶部21に格納された最新の列車情報は、時刻t0の列車情報である。したがって、予測誤差算出部33は、列車情報記憶部21に記憶された各列車6の最新の列車情報である時刻t0の列車情報を列車情報記憶部21から取得する。
また、時刻t1において、予測情報記憶部23に記憶された予測情報の中で、最新の列車情報の時刻t0と同じ時刻の予測情報であって予測時刻が最新の予測情報は、時刻t-2で予測された各列車6の時刻t0の予測情報である。したがって、予測誤差算出部33は、最新の列車情報の時刻t0と同じ時刻t0の予測情報のうち予測時刻が時刻t-2である各列車6の時刻t0の予測情報を予測情報記憶部23から取得する。
そして、予測誤差算出部33は、時刻t0の列車情報と予測時刻が時刻t-2である時刻t0の予測情報に含まれる時刻t0の情報とに基づいて、時刻t0の予測情報の予測誤差を算出する。予測誤差算出部33は、算出した予測誤差を予測誤差記憶部24の予測誤差テーブル73へ追加する。
予測誤差算出部33は、同じ時刻における各列車6の実績電力と予測電力との差に基づいて、予測誤差を算出することができる。例えば、予測誤差算出部33は、下記式(1)の演算によって予測誤差を求めることができる。なお、「Perr」は予測誤差であり、「RPi」は、列車情報記憶部21に記憶された列車6iの最新時刻の実績電力であり、「FPi」は、最新時刻の列車情報と同じ時刻の列車6iの予測時刻が最新の予測電力である。「i」は、1~mまでの整数である。実績電力は、列車6における実際の電力であり、予測電力は、列車情報予測部32によって予測された列車6の電力である。
また、予測誤差算出部33は、同じ時刻における各列車6の実績位置と予測位置との差に基づいて、予測誤差を算出することができる。例えば、予測誤差算出部33は、下記式(2)の演算によって予測誤差を求めることができる。「RRi」は、列車情報記憶部21に記憶された列車6iの最新の実績位置であり、「FRi」は、最新時刻の列車情報と同じ時刻の列車6iの予測時刻が最新の予測位置であり、「K1」は、位置を電力へ変換するための係数である。実績位置は、列車6における実際の位置であり、予測位置は、列車情報予測部32によって予測された列車6の位置である。
また、予測誤差算出部33は、同じ時刻における各列車6の実績電力と予測電力との差と、同じ時刻における各列車6の実績位置と予測位置との差とに基づいて、予測誤差を算出することができる。例えば、予測誤差算出部33は、下記式(3)の演算によって予測誤差を求めることができる。
上述した例では、予測誤差算出部33は、予測誤差を電力誤差として演算したが、予測誤差は、電力誤差に限定されず、例えば、位置、速度、重量などのような電力以外の単位に換算してもよい。予測誤差算出部33は、列車6の電力および位置の少なくとも一つの実績と予測との差に基づいて、予測誤差を求めたが、かかる例に限定されない。例えば、予測誤差算出部33は、列車6の電力および位置の少なくとも一つの実績と予測との差と、列車6の重量および速度の少なくとも一つの実績と予測との差とに基づいて、予測誤差を算出する構成であってもよい。
なお、上述した例では、予測誤差算出部33は、最新の列車情報と、最新の列車情報と同じ時刻の予測情報であってかつ予測時刻が最新の予測情報とに基づいて、予測情報の予測誤差を算出するが、予測誤差の算出方法は、上述した例に限定されない。予測誤差算出部33は、列車情報の移動平均と、予測情報の移動平均との差に基づいて、予測情報の予測誤差を算出することもできる。例えば、予測誤差算出部33は、時刻t0~t-yにおける各列車6の列車情報の移動平均と時刻t0~t-yにおける各列車6の予測情報の移動平均とに基づいて、時刻t0における予測情報の予測誤差を算出することもできる。また、予測誤差算出部33は、時刻t0~t-yにおける予測誤差の移動平均を時刻t0の予測誤差とすることもできる。yは、整数である。
また、予測誤差算出部33は、例えば、過去の実績と予測から将来の予測誤差を算出することもできる。例えば、予測誤差算出部33は、上述した方法によって算出した各時刻の予測誤差をニューラルネットワークなどによって学習することで、予測誤差の時間的変化を予測することもできる。これにより、予測誤差算出部33は、例えば、列車情報記憶部21に記憶される列車情報の最新の時刻よりも将来の時刻の予測誤差を算出することができる。
制御可能範囲決定部34は、予測誤差算出部33によって算出された予測誤差と制御可能範囲テーブル記憶部25に記憶された制御可能範囲テーブル74とに基づいて、制御可能範囲Ro1~Ronを決定する。例えば、制御可能範囲テーブル74が図7に示す状態であるとする。
この場合、制御可能範囲決定部34は、予測誤差が100[kW]未満であれば、例えば、制御可能範囲Ro1,Ro2,Ronを1450[V]~1550[V]とする。また、予測誤差が100[kW]以上かつ1000[kW]未満であれば、例えば、制御可能範囲Ro1,Ro2,Ronを1500[V]~1550[V]とする。
また、制御可能範囲決定部34は、予測誤差が1000[kW]以上であれば、例えば、制御可能範囲Ro1,Ro2,Ronを1550[V]~1550[V]とする。なお、制御可能範囲Roが1550[V]~1550[V]であるとは、制御可能範囲Roが1550[V]に固定されることを意味する。
制御可能範囲決定部34は、決定した制御可能範囲Ro1~Ronの情報を変電所電圧算出部35へ通知する。
変電所電圧算出部35は、き電モデル記憶部26に記憶されたき電モデル情報を取得する。変電所電圧算出部35は、予測情報記憶部23に記憶された予測情報の中で、変電所3から変電所電圧Vo1~Vonを出力させる時刻が含まれる最新の予測情報を取得する。
例えば、現時刻が時刻t1であり、予測情報記憶部23に記憶された予測情報テーブル721~724が図5に示す状態であるとし、変電所3から変電所電圧Vo~Vonを出力させる時刻txが時刻t3であるとする。この場合、変電所電圧算出部35は、予測情報テーブル724から時刻t3における各列車6の予測情報を取得する。
このように、現時刻が時刻t1の予測情報ではなく将来の時刻t3の予測情報を取得するのは、変電所電圧算出部35における指令値Vsの演算時間および変電所3から指令値Vsで規定される電圧値の変電所電圧Voを出力させるまでの時間を考慮しているためである。
変電所電圧算出部35は、時刻t3における各列車6の予測情報とき電モデル情報とに基づいて、制御可能範囲決定部34から通知された制御可能範囲Ro内で、変電所電圧Voの指令値である指令値Vsを算出する。例えば、変電所電圧算出部35は、制御可能範囲Ro内で、変電所3毎の消費電力の総計である総消費電力Ppが最小となるように、指令値Vsを算出することができる。
総消費電力Ppには、例えば、時刻t3における直流電化区間を走行する各列車6の電力と、き電線5および架線を含むき電網における消費電力と、各変電所3での消費電力とが含まれる。
変電所電圧算出部35は、例えば、時刻t3における各列車6の位置および電力と、各列車6と各変電所3との位置関係と、架線と変電所3との間の接続状態と、架線間の接続状態と、架線の抵抗率とに基づいて、時刻t3においてき電網に流れる電流と電圧の状態を予測することができる。変電所電圧算出部35は、予測したき電網に流れる電流と電圧の状態に基づいて、時刻t3におけるき電網における消費電力を求めることができる。
このように、変電所電圧算出部35は、時刻t3における各列車6の予測情報とき電モデル情報とに基づいて、時刻t3における直流電化区間の総消費電力Ppを算出することができる。なお、総消費電力Ppの算出方法は、各種情報を用いて既知の算出手法により算出することができ、上述した例に限定されない。
変電所電圧算出部35は、上述のように算出した指令値Vsの情報と、算出した指令値Vsで規定される電圧値を有する変電所電圧Voを変電所3から出力させる時刻txの情報とを含む電圧指令Vrを生成する。変電所電圧算出部35は、生成した電圧指令Vrを変電所3へネットワーク4を介して出力する。
各変電所3は、指令記憶部50と、電圧制御部51とを備える。直流き電電圧制御装置1から出力された電圧指令Vrは指令記憶部50に記憶される。電圧指令Vrは、指令記憶部50の指令記憶テーブルに追加される。図10は、実施の形態1にかかる指令記憶部の指令記憶テーブルの一例を示す図である。
図10に示す指令記憶テーブル52は、「時刻」と「指令値」とが互いに関連付けられた情報を「時刻」毎に含む。「時刻」は、関連付けられた指令値Vsので規定される電圧値を有する変電所電圧Voを出力する時刻txを示す情報であり、「指令値」は、指令値Vsである。
指令記憶部50に記憶された複数の電圧指令Vrに含まれる指令値Vsのうち、現時刻の指令値Vsを指令記憶部50から取得し、取得した指令値Vsで規定される電圧値を有する変電所電圧Voをき電線5へ出力する。
なお、現時刻の指令値Vsとは、時刻txが現時刻または現時刻直前の時刻である電圧指令Vrに含まれる指令値Vsである。例えば、現時刻の指令値Vsは、現時刻が時刻t3である場合、時刻t3の情報が電圧指令Vrに含まれる指令値Vsである。また、電圧制御部51による出力処理に要する時間を考慮して、現時刻の指令値Vsは、現時刻が時刻t2である場合、時刻t3の情報が電圧指令Vrに含まれる指令値Vsであってもよい。
つづいて、直流き電電圧制御装置1の動作を、フローチャートを用いて説明する。図11は、実施の形態1にかかる直流き電電圧制御装置の直流き電電圧制御処理の一例を示すフローチャートである。図11に示す処理は、直流き電電圧制御装置1の処理部30によって予め設定された処理周期で繰り返し実行される。
図11に示すように、直流き電電圧制御装置1の処理部30は、各列車6の列車情報を取得する列車情報取得処理を実行する(ステップS10)。処理部30は、ステップS10によって取得した各列車6の列車情報に基づいて、各列車6の将来の列車情報である予測情報を生成する列車情報予測処理を実行する(ステップS11)。
処理部30は、ステップS10で取得された列車情報と、ステップS10によって過去に生成された予測情報とに基づいて、ステップS11によって予測情報の予測誤差を算出する予測誤差算出処理を実行する(ステップS12)。
そして、処理部30は、ステップS12で算出した予測情報の予測誤差に基づいて、変電所3毎の制御可能範囲Roを決定する制御可能範囲決定処理を実行する(ステップS13)。処理部30は、ステップS13で決定された制御可能範囲Ro内で、ステップS11で生成された予測情報に基づき、指令値Vsを算出する変電所電圧算出処理を実行する(ステップS14)。ステップS14の処理が終了した場合、処理部30は、図11に示す処理を終了する。
なお、上述した実施の形態1では、予測誤差算出部33は、時刻毎に直流電化区間の全体で一つの予測誤差を算出するが、時刻毎に予測誤差を複数算出することができる。例えば、予測誤差算出部33は、変電所3毎に予測誤差を算出することができる。この場合、直流電化区間は、複数の変電所3の各々に対応する複数の領域に区分けされる。例えば、直流電化区間の一端と、変電所31と変電所32との中間位置との間を変電所31の区間とし、変電所31と変電所32との中間位置と変電所32と変電所33との中間位置との間を変電所32の区間とすることができる。なお、直流電化区間の区分けは、変電所3毎の区分けではなく、複数の変電所3毎の区分けであってもよい。
列車情報予測部32は、区分けされた領域毎に在線する列車6の列車情報に基づいて、区分けされた領域毎に、在線する列車6の予測情報を生成することができる。予測誤差算出部33は、区分けされた領域毎に在線する列車6の列車情報と列車6の予測情報とに基づいて、区分けされた領域毎の予測情報の予測誤差を算出することができる。制御可能範囲決定部34は、区分けされた領域毎の予測情報の予測誤差に基づいて、変電所3毎の制御可能範囲Roを決定することができる。
図12は、実施の形態1にかかる直流き電電圧制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。図12に示すように、直流き電電圧制御装置1は、プロセッサ101と、メモリ102と、インタフェース回路103とを備えるコンピュータを含む。
プロセッサ101、メモリ102およびインタフェース回路103は、バス104によって互いにデータの送受信が可能である。通信部10は、インタフェース回路103によって実現される。記憶部20は、メモリ102によって実現される。プロセッサ101は、メモリ102に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、列車情報取得部31、列車情報予測部32、予測誤差算出部33、制御可能範囲決定部34、および変電所電圧算出部35の機能を実行する。プロセッサ101は、処理回路の一例であり、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processer)、およびシステムLSI(Large Scale Integration)のうち一つ以上を含む。
メモリ102は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、およびEPROM(Enable Program Read Only Memory)のうち一つ以上を含む。また、メモリ102は、コンピュータが読み取り可能な上述のプログラムが記録された記録媒体を含む。かかる記録媒体は、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルメモリ、光ディスク、コンパクトディスク、およびDVDのうち一つ以上を含む。
以上のように、実施の形態1にかかる直流き電電圧制御装置1は、電気鉄道の直流電化区間におけるき電線5へ変電所3から印加される電圧である変電所電圧Voの指令値Vsを算出する直流き電電圧制御装置1であって、変電所電圧算出部35と、制御可能範囲決定部34とを備える。変電所電圧算出部35は、直流電化区間に在線する列車6の位置および電力の情報を含む列車情報に基づいて予測された列車6の将来の列車情報である予測情報に基づき、変電所電圧Voの指令値Vsを制御可能範囲Ro内で算出する。制御可能範囲決定部34は、予測情報の予測誤差に基づいて、変電所電圧算出部35による変電所電圧Voの制御可能範囲Roを決定する。これにより、例えば、予測誤差が小さい場合には、制御可能範囲Roは変化させずに直流き電電圧制御を行うことで省エネルギー効果を得ることができる。また、予測誤差が大きい場合には、列車6に電力を適切に供給できる変電所電圧Voとなるように、制御可能範囲Roを狭くすることで、列車6の運行遅延の発生または列車6の運行遅延の拡大を防ぐことができる。
また、直流き電電圧制御装置1は、予測誤差の異なる複数の範囲の各々を異なる複数の制御可能範囲Roと関連付けた制御可能範囲テーブル74を記憶する記憶部20を有する。制御可能範囲テーブル74は、制御可能範囲情報の一例である。制御可能範囲決定部34は、予測誤差に基づいて、複数の制御可能範囲Roから変電所電圧Voの制御可能範囲Roを決定する。これにより、制御可能範囲Roの決定を容易に行うことができる。
また、直流き電電圧制御装置1は、列車情報取得部31と、列車情報予測部32と、予測誤差算出部33とを備える。列車情報取得部31は、列車6の列車情報を取得する。列車情報予測部32は、列車情報取得部31によって取得された列車情報に基づいて、列車6の将来の列車情報を予測する。予測誤差算出部33は、列車情報予測部32によって過去に予測された列車情報と、列車情報取得部31によって取得された列車情報とに基づいて、予測情報の予測誤差を算出する。制御可能範囲決定部34は、予測誤差算出部33によって算出された予測誤差に基づいて、変電所電圧Voの制御可能範囲Roを決定する。これにより、例えば、列車情報取得部31、列車情報予測部32、予測誤差算出部33、制御可能範囲決定部34、および変電所電圧算出部35を同一の処理部30で処理することで、通信時間を考慮する必要が無く、列車情報を取得してからの処理を迅速に行うことができ、予測誤差を低減する可能性を高めることができる。なお、列車情報取得部31、列車情報予測部32、および予測誤差算出部33は、制御可能範囲決定部34および変電所電圧算出部35とは異なる装置の処理部に設けられていてもよい。
実施の形態2.
実施の形態2にかかる直流き電電圧制御装置は、制御可能範囲テーブルを入力部への入力によって設定することができる点で、実施の形態1にかかる直流き電電圧制御装置1と異なる。以下においては、実施の形態1と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略し、実施の形態1の直流き電電圧制御装置1と異なる点を中心に説明する。
図13は、本発明の実施の形態2にかかる直流き電電圧制御装置の構成例を示す図である。図13に示すように、実施の形態2にかかる直流き電電圧制御装置1Aは、通信部10と、記憶部20Aと、処理部30Aとを備える。記憶部20Aは、設定実績記憶部27をさらに有する点で、記憶部20と異なる。設定実績記憶部27は、制御可能範囲決定部34によって過去に決定された制御可能範囲Roの情報が記憶される。
また、処理部30Aは、表示処理部36と、設定部37とをさらに備える点で、処理部30と異なる。表示処理部36は、制御可能範囲テーブル記憶部25から制御可能範囲テーブル74を取得し、制御可能範囲テーブル74を表示部7にGUI(Graphical User Interface)形式で表示することができる。
設定部37は、制御可能範囲テーブル74が表示部7に表示されている状態で、入力部8への入力に基づいて、制御可能範囲テーブル記憶部25に記憶される制御可能範囲テーブル74を変更する。直流き電電圧制御装置1Aの管理者は、入力部8への入力によって、表示部7に表示されている制御可能範囲テーブル74を変更することで、制御可能範囲テーブル記憶部25に記憶される制御可能範囲テーブル74をリアルタイムに変更することができる。
また、表示処理部36は、制御可能範囲テーブル74に加え、列車情報記憶部21に記憶された列車情報テーブル71、予測誤差記憶部24に記憶された予測誤差テーブル73、および設定実績記憶部27に記憶された制御可能範囲Roの情報を表示部7に表示することができる。これにより、直流き電電圧制御装置1Aの管理者は、列車情報の履歴、予測誤差の履歴、および過去の制御可能範囲Roの履歴から制御可能範囲Roが適切でない状態を把握することができる。
直流き電電圧制御装置1Aの管理者は、列車情報の履歴、予測誤差の履歴、および過去に決定された制御可能範囲Roの履歴を閲覧しながら、入力部8への入力によって、リアルタイムに制御可能範囲テーブル74を変更することができる。これにより、制御可能範囲Roを適切に修正することができる。
つづいて、直流き電電圧制御装置1Aにおける制御可能範囲テーブル74の変更処理を、フローチャートを用いて説明する。図14は、実施の形態2にかかる直流き電電圧制御装置の制御可能範囲テーブル変更処理の一例を示すフローチャートである。
図14に示すように、表示処理部36は、制御可能範囲テーブル74と履歴情報を表示部7に表示する(ステップS20)。履歴情報は、例えば、列車情報記憶部21に記憶された列車情報テーブル71、予測誤差記憶部24に記憶された予測誤差テーブル73、および設定実績記憶部27に記憶された過去の制御可能範囲Roの情報である。
次に、設定部37は、入力部8への操作が制御可能範囲Roを変更する操作であるか否かを判定する(ステップS21)。設定部37は、制御可能範囲Roを変更する操作がないと判定した場合、(ステップS21:No)、ステップS21の処理を繰り返す。設定部37は、制御可能範囲Roを変更する操作があると判定した場合(ステップS21:Yes)、入力部8への操作に基づいて、制御可能範囲テーブル74を変更し(ステップS22)、図14に示す処理を終了する。
なお、図14に示す処理は、入力部8への操作が予め設定された操作である場合に開始するが、処理部30は、例えば、指令値Vsが制御可能範囲Roの下限に予め設定された期間継続する場合に、図14に示す処理を開始してもよい。
実施の形態2にかかる直流き電電圧制御装置1Aのハードウェア構成例は、図12に示す直流き電電圧制御装置1と同じである。プロセッサ101は、メモリ102に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、表示処理部36および設定部37の機能を実行することができる。また、設定実績記憶部27は、メモリ102によって実現される。
以上のように、実施の形態2にかかる直流き電電圧制御装置1Aは、入力部8への入力に基づいて、記憶部20Aに記憶される制御可能範囲テーブル74を設定する設定部37を備える。これにより、制御可能範囲テーブル74をリアルタイムに変更することができ、直流電化区間における消費電力量の低減を図りつつ列車6の運行遅延を抑制する効果を高めることができる。
また、直流き電電圧制御装置1Aは、制御可能範囲決定部34によって決定された過去の制御可能範囲Ro、列車情報の履歴、および予測誤差の履歴を表示する表示処理部36を備える。これにより、直流き電電圧制御装置1Aの管理者は、列車情報の履歴、予測誤差の履歴、および過去の制御可能範囲Roの履歴から制御可能範囲Roが適切でない状態を把握することができ、制御可能範囲テーブル74をより適切に変更することができる。
実施の形態3.
実施の形態3にかかる直流き電電圧制御装置は、制御可能範囲テーブルを自動的に変更する点で、実施の形態1にかかる直流き電電圧制御装置1と異なる。以下においては、実施の形態1と同様の機能を有する構成要素については同一符号を付して説明を省略し、実施の形態1の直流き電電圧制御装置1と異なる点を中心に説明する。
図15は、本発明の実施の形態3にかかる直流き電電圧制御装置の構成例を示す図である。図15に示すように、実施の形態3にかかる直流き電電圧制御装置1Bは、通信部10と、記憶部20Bと、処理部30Bとを備える。記憶部20Bは、記憶部20Aと同様に、設定実績記憶部27をさらに有する点で、記憶部20と異なる。設定実績記憶部27は、制御可能範囲決定部34によって過去に決定された制御可能範囲Roの情報が記憶される。
また、処理部30Bは、制御可能範囲情報算出部38をさらに備える点で、処理部30と異なる。制御可能範囲情報算出部38は、列車情報記憶部21に記憶された列車情報テーブル71、予測誤差記憶部24に記憶された予測誤差テーブル73、および設定実績記憶部27に記憶された制御可能範囲Roの履歴に基づいて、制御可能範囲テーブル74をリアルタイムに変更することができる。
ここで、変電所31へ出力される電圧指令Vr1に含まれる指令値Vs1の制御可能範囲である制御可能範囲Ro1を例に挙げて制御可能範囲情報算出部38の処理を説明する。制御可能範囲テーブル74が図7に示す状態であり、時刻t3の予測誤差が100[kW]未満であるとする。この場合、制御可能範囲決定部34は、時刻t3における制御可能範囲Ro1を1450[V]~1550[V]に決定し、1450[V]~1550[V]の範囲で時刻t3における指令値Vs1を算出する。
制御可能範囲情報算出部38は、時刻t3の列車情報から、時刻t3において変電所31の周辺を走行する列車6へのき電線5から電圧供給が不十分になったか否かを判定する。変電所31の周辺は、例えば、直流電化区間の一端と、変電所31と変電所32との中間位置との間の区間である。制御可能範囲情報算出部38は、時刻t3において変電所31の周辺を走行する列車6へのき電線5から電圧供給が不十分になったと判定した場合、予測誤差が100[kW]未満である場合の制御可能範囲Ro1を1450[V]~1550[V]から1460[V]~1550[V]へ変更することができる。
制御可能範囲情報算出部38は、さらに、時刻t4以降の時刻の列車情報から、時刻t4以降の時刻において変電所31の周辺を走行する列車6へのき電線5からの電圧供給が不十分になったか否かを判定する。制御可能範囲情報算出部38は、時刻t4以降の時刻において変電所31の周辺を走行する列車6へのき電線5からの電圧供給が不十分になったと判定した場合、予測誤差が100[kW]未満である場合の制御可能範囲Ro1を1460[V]~1550[V]から1470[V]~1550[V]へ変更することができる。
このように、制御可能範囲情報算出部38は、制御可能範囲テーブル74を自動的に変更することができる。なお、上述した例では、制御可能範囲情報算出部38は、10[V]刻みで制御可能範囲Ro1を更新したが、電圧の刻み幅はパラメータで与えてもよい。また、上述した例では、制御可能範囲Ro1の変更について説明したが、制御可能範囲情報算出部38は、制御可能範囲Ro1の場合と同様の処理によって、制御可能範囲Ro2~Ronを変更することができる。
実施の形態3にかかる直流き電電圧制御装置1Bのハードウェア構成例は、図12に示す直流き電電圧制御装置1と同じである。プロセッサ101は、メモリ102に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、制御可能範囲情報算出部38の機能を実行することができる。また、設定実績記憶部27は、メモリ102によって実現される。
以上のように、実施の形態3にかかる直流き電電圧制御装置1Bは、制御可能範囲決定部34によって決定された制御可能範囲Roの履歴と、列車情報の履歴と、予測誤差の履歴とに基づいて、制御可能範囲テーブル74の情報を算出する制御可能範囲情報算出部38を備える。これにより、制御可能範囲テーブル74を精度よく算出することができ、直流電化区間における消費電力量の低減を図りつつ列車6の運行遅延を抑制する効果を高めることができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。