JP4141815B2 - Plant operation optimization controller - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種プラントにおいて、要求値に対して最適な計画値を作成するプラント運用最適化制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
各種のプラントでは、要求値に対して最適な計画値を作成する最適制御が行われている。例えば、上水道の配水需要に対して浄水を生産或いは供給する、或いは、その両者を担う上水道プラントがある。このような上水道プラントでは、時々刻々と変動する配水需要に対して、配水池容量を効率的に利用することによって、安全かつ安定的に浄水を供給する運用計画を作成することが必要となる。このため、浄水場から配水池への送水計画や浄水場での浄水生産計画、原水の取水計画といったプラント運転計画や、それらの計画を含めたプラント全体の計画を自動作成するプラント運用最適化制御装置が必要となる。
【0003】
従来、このようなプラント運用最適化制御装置では、浄水供給量や浄水処理量等の計画変数を離散値として定義し、数理計画法や組合わせ最適化手法(例えば、0−1遺伝子による遺伝的アルゴリズム)を用いて最適計画を演算し、上水道プラントの運用計画を作成していた(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
このように、組合わせ最適化手法の一つである0−1遺伝子による遺伝的アルゴリズムを用いた場合でも、通常は、その個体を離散変数で表現していた。この場合、供給量や処理量といった計画を離散的に取り扱わなければならず、弁や可変速ポンプによる連続的な水量変化を考慮できなかった。
【0005】
【特許文献1】
特開平8−134962号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、弁や可変速ポンプによる連続的な流動変動を考慮できる対象においても、その変動を離散的に定義していたため、制御に当たって、不要な台数制御が発生したり、不必要な電力量が消費されてしまう問題があった。
【0007】
この問題を解決するためには、配水需要を予測する需要予測などに基づいて、計画変数を離散値としてではなく連続値として扱い、プラント運用計画を作成する必要がある。これを実現することは、不要な台数制御の抑制といった水運用の効率化にとって重要な課題である。
【0008】
本発明の目的は、計画変数が離散量ではなく連続量として定義されるプラントであっても、連続な実数値の計画を考慮することで連続的に変化する量を計画変数として扱うことのできる最適運用計画を導出可能なプラント運用最適制御装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によるプラント運用最適化制御装置は、供給源から取り入れられる対象物に対して処理施設で所定の処理を施し、この処理施設から所定の供給対象施設に前記対象物を供給するプラントの運用最適化制御装置であって、前記プラント側から入力されるプラントデータ及び過去の需要実績データから今後N時間分の需要予測値を算出する需要予測手段と、前記処理施設から供給対象施設までの今後N時間分の供給計画を作成するための供給計画変数が連続量として与えられる場合、前記需要予測値に対し要求される条件を満足する供給最適運用計画を、目的関数及び制約条件で定式化された最適化問題とし、これら目的関数及び制約条件を連続値で与え、n個の実数型コーディングによる個体を発生させ、実数値遺伝的アルゴリズムにより、前記目的関数を最小とするように作成する連続値最適計画演算手段を有する最適運用計画演算手段とを備え、前記処理施設から所定の供給対象施設に前記対象物を供給する可変速ポンプを有し、計画変数が連続量として与えられる可変速ポンプの吐出量であり、前記n個の個体は、N時間分の前記計画変数の実数による変数ベクトルであり、流量変化の最小化に関する目的関数では、可変速ポンプのQ−H特性を考慮することによって前記可変速ポンプの運転台数を評価することを特徴とする。
【0010】
また、本発明によるプラント運用最適化制御装置は、前記処理施設から所定の供給対象施設までの間に流量制御用のバルブが設けられた場合、計画変数が連続量として与えられるバルブの開度であり、前記n個の個体は、N時間分の前記計画変数の実数による変数ベクトルであり、絶対制約条件をバルブの静水圧力>飽和蒸気圧として前記バルブのキャビテーションを抑制することを特徴とする
【0011】
本発明では、最適運用計画演算手段における連続値最適計画演算手段は、需要予測値に代えて、作成された供給最適運用計画に基き、実数値遺伝的アルゴリズムにより処理施設内最適運用計画を作成するようにしてもよい。
【0012】
また、本発明では、最適運用計画演算手段における連続値最適計画演算手段は、需要予測値に代えて、作成された処理施設内最適化運用計画に基き、実数値遺伝的アルゴリズムにより供給源から取り入れられる量を均等かつ定量化するように最適化する取り入れ量最適運用計画を作成するようにしてもよい。
【0013】
また、本発明では、最適運用計画演算手段は、対象が離散量として与えられる計画変数を含む場合、離散量を扱い、最適化問題を解く離散値最適計画演算手段を備え、連続値最適計画演算手段と離散値最適計画演算手段との出力を監視し、これら両出力を総合して評価する運用計画評価手段を設けた構成としてもよい。
【0014】
また、本発明では、最適運用計画演算手段は、離散量として与えられる計画変数を離散量として扱い、最適化問題を解く離散値最適計画演算手段を備え、計画変数を連続量として扱うか離散量として扱うかを、対象によって切り換える切換手段を備えた構成としてもよい。
【0015】
また、本発明では、供給対象施設を複数有する場合、処理施設から各供給対象施設への供給量を平滑化させることを目的関数として、それぞれの供給対象施設への供給量を総合して評価する評価手段を備えてもよい。
【0016】
また、本発明では、連続値最適計画演算手段の初期個体を、過去有効であった運用計画から抽出してもよい。
【0017】
また、本発明では、連続値最適計画演算手段の初期個体を、ヒューマンインターフェースから入力可能としてもよい。
【0018】
さらに、本発明は、前記プラント側から入力されるプラントデータ及び過去の需要実績データから今後N時間分の需要予測値を算出する需要予測手段と、前記供給源から供給対象施設までのプラント全体の今後N時間分の運用計画を作成するためのプラントを構成する各部の計画変数が連続量として与えられる場合、前記計画変数毎の実数による各変数ベクトルを変数マトリクスとして定義し、前記需要予測値に対し要求される条件を満足するプラント全体の運用計画を、目的関数及び制約条件で定式化された最適化問題とし、実数値遺伝的アルゴリズムにより、前記目的関数を最小とするように作成する最適運用計画演算手段とを備え、前記制約条件は、前記変数マトリックスを構成する前記各部の対象毎に与えられるようにしてもよい。
【0020】
これらの発明は、計画変数が連続量として与えられる場合、要求される項目を満足させる最適運用計画を、目的関数及び制約条件で定式化された最適化問題とし、これら目的関数及び制約条件を連続値で与え、n個の実数型コーディングによる個体を発生させ、実数値遺伝的アルゴリズムにより、前記目的関数を最小とするように作成するものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下本発明によるプラント運用最適化制御装置の、一実施の形態を図面参照して説明する。
【0022】
始に、図2により、本発明の対象となるプラントの一例として上水道プラントの構成を説明する。
【0023】
図2において、取水源(供給源)となる河川7及び地下水源8から、浄水場(処理施設)2に、取水ポンプ1及び15によって原水(対象物)を取り入れている。浄水場2には、処理設備として凝集・沈殿・ろ過処理施設13と、ろ過処理された浄水を一時的に貯留する浄水池14とが設けられている。
【0024】
浄水場2で浄水処理された浄水は、配水池(供給対象施設)4へ、送水ポンプ3によって供給される。或いは、他の配水池(供給対象施設)10には、重力による自然流下式で供給される。この場合、供給路には流量調整用のバルブ9が設けられる。これら、各配水池4,10からは、配水ポンプ5,11により、対応する配水区6,12に配水される。
【0025】
浄水場2では、原水に対して凝集処理や薬品沈殿、さらには、ろ過処理を施して浄水を生産する。この場合、浄水の水質を安定させ、浄水生産で使用する凝集剤や次亜塩素酸等の薬品類の投入量を適正にし、安定的な浄水生産を行うには、できる限り浄水処理量を一定量とする必要がある。このためには、配水池4,10の容量を効率的に活用することにより、浄水池14から配水池4,10への供給量を平滑化することが求められる。したがって、送水ポンプ3や流量調整用バルブ9の運用計画を最適化することが必要となる。
【0026】
このような要求に対し、従来は、送水ポンプ3や流量調整用バルブ9による計画流量を離散的に定義し、0−1遺伝子による遺伝的アルゴリズムを用いて送水計画の最適化を計っていた。
【0027】
しかし、送水ポンプ3が可変速ポンプである場合は、送水流量を離散的に定義するのではなく、連続量として考慮することが送水量を平滑化する観点からも有効である。また、配水池10へは、浄水池14より低い位置にあることを利用して自然流下で送水しているが、この場合も、流量調整用バルブ9の開度設定を連続値として計画を最適化することが必要となる。
【0028】
一方、浄水場2で浄水処理を安定的に行なうには、得られた送水計画を基に、ろ過池洗浄のタイミングや滞留時間等を考慮して、効率良くろ過池などの運用を計画する必要がある。また、浄水処理すべき原水をしかるべき取水源7,8から取水する場合、水利権の関係から、できるだけ定量取水する必要がある。
【0029】
したがって、凝集・薬品沈殿・ろ過処理施設である浄水場2での運用や、原水を取水源から取り入れるための取水ポンプ1,15の運用も、同様に最適に計画する必要がある。
【0030】
なお、図2の上水道プラントは一例であり、実際の上水道プラントは、浄水場2や配水池4,10の数、取水源の数及び種類、送水ポンプ3や配水ポンプ5,11の数及び種類もきわめて多彩である。
【0031】
図1は、前述した要望に対して効果的に作用するプラント運用最適化制御装置20を示している。図1において、21はプロセス入出力部で、プラント運用最適化制御装置20と図2で示したプラントとの間に設けられ、プラントからの各種計測信号や状態信号を入力するとともに、プラント運用最適化制御装置20からの制御出力をプラント側に出力する。22はヒューマンインターフェース部で、プラント運用最適化制御装置20と運転員との間に設けられ、プラント運用最適化制御装置20からの表示情報を出力したり、プラント運用最適化制御装置20に対し、運転員による入力情報を伝達する。
【0032】
次に、プラント運用最適化制御装置20内の各機能実現手段を説明する。23はプラントデータ記憶手段で、プロセス入出力部21から入力された各種のプラントデータのすべて、または一部を記憶する。24は需要予測手段で、プラントデータ記憶手段23に記憶されたプラントデータを用いて、配水区6,12における浄水の需要を予測する。
【0033】
25は最適運用計画演算手段で、需要予測手段24によって得られた需要予測値に基づいて浄水の供給量や処理量を平滑化する最適運用計画を作成する。前記ヒューマンインターフェース22は、実際にはこの最適運用計画演算手段25との間で情報の授受を行っており、前述のように、必要なデータを表示したり、需要予測手段24等の各手段への操作・制御信号を発することができる。
【0034】
27は連続値最適計画演算手段で、連続な実数値の計画を考慮することで連続的に変化する流量を扱って演算することができる。すなわち、供給計画変数が流量のように連続量として与えられる場合、この需要予測値に対し、要求される条件(例えば、供給量を平滑化させる等)を満足する供給最適運用計画を作成する。つまり、後述するように、目的関数及び制約条件で定式化された最適化問題とし、これら目的関数及び制約条件を連続値で与え、n個の実数型コーディングによる個体を発生させ、実数値遺伝的アルゴリズムにより、前記目的関数を最小とするように演算する。
【0035】
28は離散値最適計画演算手段で、離散値の運用計画を考慮し、離散的に定義された流量を扱って演算することができる。すなわち、台数制御ポンプのように離散量として与えられる計画変数を含む場合、従来と同様に、0−1遺伝子により離散量を扱い、最適化問題を遺伝的アルゴリズムで解くものである。
【0036】
26は演算切換手段で、共通入力端子は需要予測手段24に接続し、また、一方の出力端子は連続値最適計画演算手段27に、他方の出力端子は離散値最適計画演算手段28に、それぞれ接続しており、計画変数を連続量として扱うか離散量として扱うかを、対象によって切り換える。
【0037】
32は運用計画評価手段で、送水計画評価手段29、浄水場内運用計画評価手段30、取水運用計画評価手段31を有する。この運用計画評価手段32は、評価切換手段33,34を介して連続値最適計画演算手段27や離散値最適計画演算手段28からの演算結果を入力すると共にループを形成し、どの計画がよいか評価し選択することができる。
【0038】
評価切換手段33,34は、連続値最適計画演算手段27または離散値最適計画演算手段28で、どの範囲まで計画するのかを切り換えるものである。すなわち、以下に示す▲1▼及び▲2▼の場合を切り換える。
【0039】
▲1▼ 送水計画のみ計画後、その送水計画を需要予測と見立てて、浄水場内及び取水の運用計画を導出する場合。
【0040】
▲2▼ 送水、浄水場内、取水の運用計画を一括して導出する場合。
【0041】
これら評価切換手段33,34の切り換えはすべて独立に動作する。切り換え後、送水計画評価手段29に入力される場合(切換手段33の図示右側接点がオン、又は、切換手段34の図示左側の接点がオンの場合)は前述の▲1▼を、切り換え後、運用計画評価手段32に入力される場合(切換手段33の図示左側接点がオン、又は、切換手段34の図示右側の接点がオンの場合)は前述の▲2▼を意味する。
【0042】
送水計画評価手段29は、需要予測結果に基づいて両最適計画演算手段27,28のいずれかで作成された、浄水池14から配水池4,10への送水流量計画を評価する。また、浄水場内運用計画評価手段30は、送水計画評価手段29で評価された運用計画に基いて両最適計画演算手段27,28のいずれかで作成された、浄水場2内のろ過計画など、浄水処理計画を評価する。さらに、取水運用計画評価手段31は、浄水場内運用計画評価手段30によって評価された運用計画に基いて両最適計画演算手段27,28のいずれかで作成された、各取水源7,8からの最適取水計画を評価する。
【0043】
これらによって評価され、作成された運用計画はプロセス入出力部21からプラント側に出力される。
【0044】
上記構成において、プラントデータ記憶手段23には、図2で示した配水区6,12での浄水需要量や、配水ポンプ5,11の運転実績、配水池4,10の水位、送水ポンプ3の運転実績、浄水場2内の運用実績、取水ポンプ1,15の運転実績等、上水道プラントの運用・制御にかかわるデータが、日時、曜日等毎に整理され、気象情報等とともに記憶されている。
【0045】
需要予測手段24は、プラントデータ記憶手段23に記憶されたプラントデータに基いて、今後N時間分の需要予測値を算出する。この得られた需要予測値に基いて最適運用計画演算手段25は、上水道プラントの運用計画を作成する。そして、作成された運用計画に基いて配水池4,10や浄水場2等に対する運用制御指令が、プロセス入出力部21から上水道プラントの各機器に伝送され、制御される。
【0046】
以下、この需要予測及び上水道プラントの運用計画作成について詳細に説明する。
【0047】
需要予測手段24による需要予測は、どのような方法でもよい。以下、一例を説明する。プラントデータ記憶手段23には1時間毎1日分の需要実績データが曜日別、例えば休日、平日、休日明け別にファイルされているものとする。今、需要予測手段24に対し、ヒューマンインターフェース22から曜日が入力されると、需要予測手段に、その曜日Wの1日分の平均値パターンが需要実績から得られる。また、前日までの需要実績が得られているので、k日の需要を予測するためには、例えば、次のような自己回帰モデルが用いられる。
【0048】
【数1】
なお、a1,a2・・・は自己回帰のパラメータであり、予め与えることも可能であり、或いは、実時間で逐次最小2乗推定(カルマンフィルタ)することも可能である。
【0049】
このように、上記(2)式で当日の予測値が得られ、また、その曜日Wの1日分のパターンが得られるため、各時間帯の比で積分すると、当日の1時間毎24時間分の予測値は次のように得られる。
【0050】
【数2】
なお、需要予測の手法は何でもよく、ニューラルネットワークやGMDH(Group Method of Data Handling)、その他の統計的手法等、何でもよい。
【0051】
次に、最適運用計画演算手段25による最適運用計画を作成する演算手法を説明する。この演算手法は、以下説明する最適化問題を解くことによって得られる。
【0052】
ここで、最適運用計画演算手段25は、ヒューマンインターフェース部22から入力された項目、すなわち、運用に要するエネルギー最小化やピークカット、機器の連続運転といった上水道プラントの運用上、考慮されるべき項目を加味し、最適な運用計画を作成することを目的としている。この考慮されるべき項目の個数に制限はないが、例えば、以下の3つをあげてみる。
【0053】
(1)供給(処理)流量変更の最小化
(2)消費電力量のピークカット
(3)配水池目標水位誤差の最小化
これらの項目を満足するため、オペレータが入力した優先度を反映した運用計画最適化問題を次のように定式化する。
【0054】
[目的関数]
[制約条件]
需要予測値=配水池水位変化×配水池断面積+浄水場からの送水流量 (4)
配水池下限値<配水池水位<配水池上限値 (5)
なお、上記説明は浄水場2から配水池4,10へ浄水を供給する場合の送水最適運用計画(供給最適運用計画)について行ったが、浄水場内最適運用計画(処理施設内最適運用計画)や取水最適運用計画(取り入れ量最適運用計画)についても、同様の定式化を行うことにより解くことができる。ただし、浄水場内最適運用計画の場合は、需要予測値に代って、作成された送水最適運用計画を用い、取水最適運用計画では、需要予測値に代って、作成された浄水場内最適運用計画を用いる。
【0055】
以下の説明は、送水最適計画について記述するが、浄水場内最適運用計画や取水最適運用計画についても同様に適用できる。また、プラント全体の運用計画最適化問題は、需要量や配水池などの容量、供給量に相当する送水量等を、後述するように、それぞれベクトル(マトリックス)としてまとめて考え、同様に前述の最適化方法を適用することによって定義することができる。そして、これに対して最適化演算を行なえば、上水道プラント全体の最適運用計画を作成することができる。その際、それぞれの制約条件を考慮して、最適運用計画評価手段32によってプラント全体を評価する。
【0056】
ここで、図2で示した送水ポンプ3が可変速ポンプであったり、流量調整バルブ9の開度調整によって送水する場合、定式化された最適化問題における目的関数や制約条件は、離散値ではなく連続値で与えることができる。これまでは、流量の変動を離散的に表現して最適化演算を行なってきたが、最適運用計画演算手段25における連続値最適計画演算手段27では、連続的に変化する流量を扱うことのできる実数値遺伝的アルゴリズム(RGA:Real Genetic Algorithm) によって上述の最適化問題を解く。
【0057】
以下に、そのアルゴリズムを示す。
【0058】
<RGAアルゴリズム>
(STEP-1)初期個体群の生成
ランダムにn個の実数型コーディングによる個体を発生させる。
【0059】
(STEP-2)各個体の評価
制約条件を満足する個体がn個生成できたら、各個体の適応度及びその世代での平均適応度を計算する。
【0060】
(STEP-3)淘汰処理
個体群中の最大適応度に対して、ある比率より大きい適応度を持つ個体を淘汰する。制約条件を満足しない個体が存在した場合も淘汰する。
【0061】
(STEP-4)増殖処理
淘汰された個体の数だけ、適応度最小の個体を増殖させる。
【0062】
(STEP−5)交叉処理
ランダムにペアリングを行う。ペアリングは全個体数に対する割合(交叉確率)分だけ行う。交叉オペレータは様々だが、ここではBLX−α法を採用する。
【0063】
(STEP-6)終了判定処理
上記(STEP-2)〜(STEP-5)を繰り返す。ただし、(STEP-2)では、その世代における平均適応度が前2世代の平均適応度と比較して、ある任意に設定する値ε以下又はある繰り返し回数以上であればアルゴリズムを終了する。
【0064】
以下、上述したRGAアルゴリズムを、図2のプラントに適用した場合を説明する。
【0065】
浄水場2から配水池4,10への送水流量の変動を、1/0の遺伝子列ではなく、実数の変数ベクトル[x1,x2,・・・,xN]を使って表現し、24時間の計画の場合は次のように1個体を定義する。
【0066】
<個体>
【表1】
すなわち、x1は1時における送水流量[m3/h]を意味する。このような変数ベクトルを個体と呼び、適当な数の個体群を設定する。
【0067】
なお、(STEP-1)における初期個体群の生成において、初期個体をランダムに生成すると効率がよくないため、次のような処理を施すとよい。
【0068】
すなわち、変数ベクトルの要素をすべて等しくしたものを生成可能であるとする。つまり、N時まで一定の送水流量である流量計画を初期個体として生成させる。その際に、制約条件を満足するものが一つもなかった場合でも、制約条件を無視し、制約違反の個体に罰則(重み)を付加させることによって、それぞれの個体を評価し、より優秀な個体を初期個体として生成させる。
【0069】
なお、初期個体は、過去有効であった運用計画から抽出することで与えてもよい。さらに、初期個体を、ヒューマンインターフェース22から入力可能としてもよい。
【0070】
適応度(ある世代で、どの程度問題に対して適応しているかの指標)としては、式(3)で示した目的関数の逆数を考えることとする。ただし、適応度はこれに限定されるものではない。
【0071】
解の探索性能がよいRGAを実現するためには交叉オペレータの設計が重要である。RGAに対しては数多くの交叉オペレータが提案されているが、ここでは単峰性・多峰性関数の両方に対して良好な探索性能を示すBLX−αと呼ばれる交叉オペレータを説明する。図3はこの概念図である。
【0072】
図3において、親個体をp1,p2とするとき、子個体cを次式にしたがって生成する。
【0073】
ci=u{min(p1i,p2i)−αI,max(p1i,p2i)+αI}(6)
I=|p1i−p2i|
上式において、ci,p1i,p2iは、それぞれc,p1,p2の要素であり、u(x,y)は区間[x,y]の一様乱数とする。つまり、子個体は座標軸に平行な辺からなる長方形の内部に一様分布する。また、αは大域的探索能力と局所的探索能力との重み付けの役割を果たす。つまり、図3に示すように、α=0の場合は、子が親同士の間にできるため、収束は早いが探索範囲は狭くなる。
【0074】
なお、従来の0−1遺伝子のGAでは、突然変異処理を施すのが一般的であるが、今回採用したBLX−αの交叉オペレータには、u(x,y)によってその役割を果たすことができるので、突然変位処理は行なわない。
【0075】
次に、目的関数や制約条件の実装例を示す。なお、目的関数や制約条件は、これに一意に定まるものではない。
【0076】
目的関数:J=Js+Jp+Jh
(1)流量変化の最小化 Js
・バルブ9の開度調整による流量制御の場合
【数3】
・可変速ポンプ3による流量制御の場合
【数4】
n(xk):計画流量xkの時のポンプ運転台数
ここで、n(xk)の決定方法は様々だが、ここでは以下の方法を例として記す。
【0077】
図4は、可変速ポンプのQ−H(吐出量−全揚程)曲線において、2台のポンプが並列運転可能な場合を示している。同図において、計画流量が、1台の効率100%のときの流量QH1までは1台運転を基準とし、それ以上のQH2までの計画流量の場合は2台並列運転に切り換える。つまり、次式のように表される。
【0078】
【数5】
ここで、mはm台並列運転であることを表し(図4の場合はm=2)、QHiはi台並列運転時の効率が100%のときの吐出量を表す。
【0079】
(2)消費電力の最小化 Jp
【数6】
(3)配水池4,10目標水位誤差の最小化 Jh
【数7】
なお、wi(k)(i=1,2,3,4)は、それぞれの項目に対する時刻kの重み係数である。
【0080】
制約条件:
【外1】
配水池の水位変化を同時に考慮すると、これらの関係は次のようになる。
【0081】
【数8】
ただし、Aは配水池の底面積[m2]を表す。
【0082】
・各時刻における各配水池の水位
hLWL≦hk≦hHWL (12)
hLWL,hHWLは、それぞれ配水池の上下限水位を表す。
【0083】
・一度に変更できるポンプ運転台数
|n(xk)−n(xk−1)|≦R (13)
Rは一度に変更できるポンプ運転台数とする。
【0084】
・バルブの静水圧
静水圧力Pが、その温度における飽和蒸気圧Pvまで低下すると、その部分で水は沸騰してしまい、キャビテーション現象を引き起こしてしまう。キャビテーション現象は、液体を扱う機器においては不可避の問題であり、制約条件は以下のようになる。
【0085】
P>Pv (14)
このように、最適化問題を定式化し、これを解くことにより最適な運用計画を作成することができる。
【0086】
また、上水道プラント全体を対象とする運用計画を得る場合は、変数ベクトルを変数マトリックスとして定義することにより、導出可能となる。つまり、浄水池14から送水する配水池がm池ある場合、以下のようなマトリックスを導入する。
【0087】
【表2】
この場合、制約条件は、変数マトリックスに与えられるのではなく、マトリックスの行(対象)毎に与えられることになる。
【0088】
なお、目的関数や制約条件が離散値で定義される場合にも、上述したRGAを適用することができる。この場合、目的関数のJsの項は、(8)式の2項目のみを採用する。ただし、n(xk)は(9)式に定まるものではない。
【0089】
なお、図1で示した離散値最適計画演算手段28では、組合わせ最適化問題として定式化し、代表的な解法を用いることもできる。この場合、最適化問題を解く解法は遺伝的アルゴリズムに限定されず、数理計画法(列挙法の1種である分岐限定法や動的計画法等)、タブサーチ法、シミュレーテッドアニーリング法、免疫的アルゴリズム法等、何でもよい。
【0090】
また、最適運用計画演算手段25は、送水流量等の計画変数を連続量として扱うか離散量として扱うか、切換手段26を設けたことにより、対象によって選択切換することができ、あらゆる対象に対し運用計画を作成することができる。すなわち、計画変数が連続量の制御対象の場合は、切換手段26により予測された需要量を連続値最適計画演算手段27に与え、計画変数が離散値の制御対象の場合は、予測された需要量を離散値最適計画演算手段28に与えるようにしている。
【0091】
また、計画変数が連続量及び離散量の双方を含む場合は、予測された需要量を、連続値最適計画演算手段27と離散値最適計画演算手段28の双方に与えるようにしてもよい。この場合、切換手段26を省略し、需要予測手段24の出力を、連続値最適計画演算手段27と離散値最適計画演算手段28の双方に直結してもよく、あるいは、切換手段26を、図示のいずれかの端子に選択接続する機能の他に、双方の端子に接続する、所謂双投形の切換機能を持つように構成してもよい。
【0092】
最適運用計画演算手段25の運用計画評価手段32は、前述した適応度をそれぞれの対象毎に評価するものであり、図示のように、連続値最適計画演算手段27や離散値最適計画演算手段28とのループを形成している。そして、評価された計画が前述した終了判定を満たすなら、その運用計画をプロセス入出力部21を介してプラントに出力させる。
【0093】
ここで、送水計画評価手段29では送水計画に関する適応度を評価し、浄水場内運用計画評価手段30では浄水場2内の運用に関する適応度を評価し、取水運用計画評価手段31では各取水源7,8から最適に原水を取水する計画を評価する。また、運用計画評価手段32は、前述したように、送水計画、浄水場運用計画、取水運用計画を一括して評価することもできる。
【0094】
さらに、運用計画評価手段32は、図2の送水ポンプ3が固定速ポンプと可変速ポンプとから構成されている場合等、連続量と離散量とが複合している場合は、連続値最適計画演算手段27と離散値最適計画演算手段28とからの出力を総合して評価する。
【0095】
このように、遺伝子として、何時にどれだけの供給量が必要なのかを実数値の変数ベクトルとして表現し、実数値遺伝的アルゴリズムを適用することによって、離散的な定義では表現できなかった運用計画が考慮でき、最適な供給量を導出することができる。
【0096】
なお、上記実施の形態では、対象プラントとして上水道プラントを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、発電所、ガス、及び熱(冷水、温水)などの供給プラント等にも適用することができる。
【0097】
【発明の効果】
本発明によれば、プラントの運用計画を需要予測に基づいて最適化するに当り、計画変数が離散量ではなく連続量として与えられるプラントにおいても、連続な実数値の計画を考慮することで、バルブの開度調整や、可変速ポンプによる連続的に変化する流量等を、離散的に定義することなく扱うことができる最適運用計画の意思決定を行ったり、支援だけでなくプラントを自動調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるプラント運用最適化制御装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図2】本発明の対象となるプラント例を示す概念図である。
【図3】上記一実施の形態に用いる交叉オペレータBLX−α法の概念図である。
【図4】同上一実施の形態に用いる可変速ポンプのQ−H特性を説明する特性図である。
【符号の説明】
2 処理施設の一例である浄水場
4,10 分配施設の一例である配水池
7,8 供給源の一例である取水源(河川、地下水)
20 プラント運用最適化制御装置
25 最適運用計画演算手段
26 切換手段
27 連続値最適計画演算手段
28 離散値最適計画演算手段
32 運用計画評価手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plant operation optimization control apparatus that creates an optimum planned value for a required value in various plants.
[0002]
[Prior art]
In various plants, optimal control is performed to create an optimal planned value for a required value. For example, there is a water supply plant that produces or supplies purified water for the water distribution demand of the water supply, or takes both of them. In such a water supply plant, it is necessary to create an operation plan for supplying clean water safely and stably by efficiently using the capacity of the reservoir for the demand for water supply that changes every moment. For this reason, plant operation optimization control that automatically creates a plant operation plan such as a water transfer plan from a water treatment plant to a distribution pond, a water purification production plan at the water purification plant, a raw water intake plan, and a plan for the entire plant including those plans A device is required.
[0003]
Conventionally, in such a plant operation optimization control apparatus, plan variables such as a purified water supply amount and a treated water treatment amount are defined as discrete values, and a mathematical programming method or a combination optimization method (for example, a genetic by a 0-1 gene) is defined. An optimal plan is calculated using an algorithm, and an operation plan for a water supply plant is created (for example, see Patent Document 1).
[0004]
As described above, even when a genetic algorithm based on the 0-1 gene, which is one of the combination optimization methods, is used, the individual is usually expressed by a discrete variable. In this case, the plan such as the supply amount and the treatment amount must be dealt with discretely, and the continuous water amount change due to the valve and the variable speed pump cannot be considered.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-134962
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, even in a target that can take into account continuous flow fluctuations due to valves and variable speed pumps, the fluctuations are discretely defined, so unnecessary unit control occurs during control, and unnecessary power consumption There was a problem that was consumed.
[0007]
In order to solve this problem, it is necessary to create a plant operation plan by treating the plan variable as a continuous value, not as a discrete value, based on a demand forecast for predicting water distribution demand. Realizing this is an important issue for improving the efficiency of water operations, such as suppressing unnecessary number control.
[0008]
The object of the present invention is to take into account continuous real-valued planning, even in plants where the planning variables are defined as continuous rather than discrete.ReamAn object of the present invention is to provide an optimum plant operation control apparatus capable of deriving an optimum operation plan that can handle a continuously changing amount as a plan variable.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The plant operation optimization control device according to the present invention performs a predetermined process at a processing facility on an object taken from a supply source, and supplies the target object to the predetermined supply target facility from the processing facility. A demand control means for calculating a demand forecast value for the next N hours from plant data and past demand record data input from the plant side, and future N from the processing facility to the supply target facility. When supply plan variables for creating a supply plan for time are given as continuous quantities, a supply optimal operation plan that satisfies the conditions required for the demand forecast value is formulated with objective functions and constraints. As an optimization problem, these objective functions and constraints are given as continuous values, and individuals with n real type coding are generated. , The optimal operation plan arithmetic means having a continuous value optimal design computing means for creating the objective function so as to minimizeAnd a variable speed pump for supplying the target object from the processing facility to a predetermined supply target facility.,The discharge variable of the variable speed pump given as a continuous variable is a design variable. The n individuals are variable vectors of real numbers of the plan variable for N hours. Evaluate the number of operating variable speed pumps by considering the QH characteristics of the variable speed pumpsIt is characterized by that.
[0010]
Further, the plant operation optimization control apparatus according to the present invention has a flow rate control valve provided between the processing facility and a predetermined supply target facility.,The opening of the valve is given as a continuous variable as a planned variable, the n individuals are variable vectors of the real number of the planned variable for N hours, and the absolute constraint condition is the static water pressure of the valve> saturated vapor pressure Suppress cavitation of the valveCharacterized by
[0011]
In the present invention, the continuous value optimum plan calculation means in the optimum operation plan calculation means is based on a real value genetic algorithm based on the prepared supply optimum operation plan instead of the demand forecast value.An optimal operation plan within the processing facility may be created.
[0012]
In the present invention,The continuous value optimal plan calculation means in the optimal operation plan calculation means equalize and quantitate the amount taken from the supply source by the real-valued genetic algorithm based on the optimized in-process operation plan created instead of the demand forecast value. It may be possible to create an intake amount optimum operation plan that is optimized so as to be optimized.
[0013]
In the present invention,The optimal operation plan calculation means includes a discrete value optimal plan calculation means for handling a discrete quantity and solving an optimization problem when the target includes a plan variable given as a discrete quantity. It is good also as a structure which provided the operation plan evaluation means which monitors the output with a calculating means and evaluates both these outputs collectively.
[0014]
In the present invention, the optimum operation plan calculation means is:It is equipped with discrete value optimal plan calculation means that treats the planning variables given as discrete quantities as discrete quantities and solves optimization problems, and switching means that switches whether the plan variables are treated as continuous quantities or discrete quantities depending on the target It is good also as a structure.
[0015]
In the present invention,In the case where there are a plurality of supply target facilities, there is provided an evaluation means for comprehensively evaluating the supply amounts to the respective supply target facilities with the objective function of smoothing the supply amounts from the processing facilities to the respective supply target facilities. Good.
[0016]
In the present invention,The initial individual of the continuous value optimum plan calculation means may be extracted from the operation plan that has been valid in the past.
[0017]
Further, in the present invention, the initial individual of the continuous value optimal plan calculation means isIt may be possible to input from a human interface.
[0018]
Furthermore, the present invention provides a demand prediction means for calculating a demand forecast value for N hours from the plant data inputted from the plant side and past demand record data, and the whole plant from the supply source to the supply target facility. When planning variables of each part constituting the plant for creating an operation plan for N hours in the future are given as continuous quantities, each variable vector by real numbers for each planning variable is defined as a variable matrix, and the demand forecast value Optimal operation to create an operation plan for the entire plant that satisfies the required conditions as an optimization problem formulated with an objective function and constraints, and to create the objective function to be minimized by a real-valued genetic algorithm A plan calculation means, and the constraint condition may be given to each target of each part constituting the variable matrix.
[0020]
In these inventions, when a plan variable is given as a continuous quantity, an optimal operation plan that satisfies the required items is an optimization problem formulated with an objective function and constraint conditions, and these objective functions and constraint conditions are continuously generated. It is given by a value, n individuals are generated by real number type coding, and created by a real-valued genetic algorithm so as to minimize the objective function.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a plant operation optimization control apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
First, referring to FIG. 2, the configuration of a waterworks plant will be described as an example of a plant that is the subject of the present invention.
[0023]
In FIG. 2, raw water (target object) is taken into the water purification plant (treatment facility) 2 by the intake pumps 1 and 15 from the river 7 and the groundwater source 8 serving as the intake source (supply source). The
[0024]
The purified water that has been subjected to the water purification treatment at the
[0025]
In the
[0026]
In response to such demands, conventionally, the planned flow rate by the water pump 3 and the flow
[0027]
However, when the water supply pump 3 is a variable speed pump, it is effective not to define the water supply flow rate discretely but to consider it as a continuous amount from the viewpoint of smoothing the water supply amount. In addition, water is supplied to the distribution reservoir 10 under a natural flow using the position lower than the
[0028]
On the other hand, in order to stably perform water purification treatment at the
[0029]
Therefore, the operation at the
[0030]
In addition, the waterworks plant of FIG. 2 is an example, and the actual waterworks plant includes the number of
[0031]
FIG. 1 shows a plant operation
[0032]
Next, each function realization means in the plant operation
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
26 is a calculation switching means, the common input terminal is connected to the demand prediction means 24, one output terminal is connected to the continuous value optimum plan calculation means 27, and the other output terminal is connected to the discrete value optimum plan calculation means 28, respectively. It is connected and switches whether the plan variable is handled as a continuous quantity or a discrete quantity depending on the object.
[0037]
An operation plan evaluation unit 32 includes a water transmission
[0038]
The evaluation switching means 33 and 34 are used to switch the range to be planned by the continuous value optimum plan calculation means 27 or the discrete value optimum plan calculation means 28. That is, the following cases (1) and (2) are switched.
[0039]
(1) When planning the water supply plan and water intake plan after considering only the water supply plan, assuming that the water supply plan is a demand forecast.
[0040]
(2) When the operation plan for water transmission, water treatment plant, and water intake is derived all at once.
[0041]
All of the switching of the evaluation switching means 33 and 34 operate independently. After switching, when the input is made to the water supply plan evaluation means 29 (when the right contact point of the switching means 33 is turned on or the left contact point of the switching means 34 is turned on) When it is input to the operation plan evaluation means 32 (when the left contact point of the switching means 33 is turned on or the right contact point of the switching means 34 is turned on), it means (2) described above.
[0042]
The water supply plan evaluation means 29 evaluates the water flow rate plan from the
[0043]
The operation plan evaluated and created by these is output from the process input / output unit 21 to the plant side.
[0044]
In the above configuration, the plant data storage means 23 includes the amount of water purification in the
[0045]
Based on the plant data stored in the plant
[0046]
Hereinafter, this demand forecast and water supply plant operation plan creation will be described in detail.
[0047]
The demand prediction by the demand prediction means 24 may be any method. An example will be described below. 1 hour in the plant data storage means 23everyIt is assumed that the demand result data for one day is filed by day of the week, for example, by holiday, weekday, or holiday. Now, when the day of the week is input from the human interface 22 to the
[0048]
[Expression 1]
A1, A2... Are autoregressive parameters, which can be given in advance, or can be subjected to successive least squares estimation (Kalman filter) in real time.
[0049]
Thus, since the predicted value of the day is obtained by the above equation (2) and the pattern for one day of the day of the week W is obtained, when integrating by the ratio of each time zone, 24 hours per hour of the day The predicted value of minutes is obtained as follows.
[0050]
[Expression 2]
The demand forecasting method may be any method, such as a neural network, GMDH (Group Method of Data Handling), or other statistical methods.
[0051]
Next, a calculation method for creating an optimum operation plan by the optimum operation plan calculation means 25 will be described. This calculation method is obtained by solving the optimization problem described below.
[0052]
Here, the optimum operation plan calculation means 25 is an item input from the human interface unit 22, that is, an item to be considered in the operation of the water supply plant such as energy minimization, peak cut, and continuous operation of the equipment. The purpose is to create an optimal operation plan. There is no limit to the number of items to be considered, but the following three are given as examples.
[0053]
(1) Minimization of supply (processing) flow rate change
(2) Peak cut in power consumption
(3) Minimization of reservoir water level error
In order to satisfy these items, the operation plan optimization problem reflecting the priority inputted by the operator is formulated as follows.
[0054]
[Objective function]
[Restrictions]
Demand forecast value = distribution reservoir water level change x distribution reservoir cross-sectional area + water supply flow rate from water treatment plant (4)
Reservoir lower limit <Reservoir water level <Reservoir upper limit (5)
In addition, although the said description was performed about the water supply optimal operation plan (supply optimal operation plan) in the case of supplying purified water from the
[0055]
The following explanation describes the optimal water supply plan, but the same applies to the optimal operation plan within the water treatment plant and the optimal intake operation plan. In addition, the operation plan optimization problem for the entire plant is considered as a vector (matrix), as described later, in terms of the volume of demand, the capacity of reservoirs, the amount of water supply corresponding to the supply volume, and so on. It can be defined by applying optimization methods. And if an optimization calculation is performed with respect to this, the optimal operation plan of the whole waterworks plant can be created. At that time, the entire plant is evaluated by the optimum operation plan evaluation means 32 in consideration of each constraint condition.
[0056]
Here, when the water pump 3 shown in FIG. 2 is a variable speed pump or water is supplied by adjusting the opening of the flow
[0057]
The algorithm is shown below.
[0058]
<RGA algorithm>
(STEP-1) Generation of initial population
R individuals are randomly generated by real type coding.
[0059]
(STEP-2) Evaluation of each individual
When n individuals satisfying the constraint conditions are generated, the fitness of each individual and the average fitness of the generation are calculated.
[0060]
(STEP-3) Wrinkle treatment
An individual having fitness greater than a certain ratio with respect to the maximum fitness in the population is selected. Even if there are individuals that do not satisfy the constraints, hesitate.
[0061]
(STEP-4) Proliferation treatment
The number of individuals with the minimum fitness is increased by the number of individuals that have been culled.
[0062]
(STEP-5) Crossover process
Pair at random. Pairing is a percentage of the total number of individualsrate) Do it for minutes. Although there are various crossover operators, the BLX-α method is adopted here.
[0063]
(STEP-6) End determination process
Repeat (STEP-2) to (STEP-5) above. However, in (STEP-2), the algorithm is terminated if the average fitness level in that generation is less than a certain arbitrarily set value ε or more than a certain number of iterations compared to the average fitness level of the previous two generations.
[0064]
Hereinafter, the case where the RGA algorithm mentioned above is applied to the plant of FIG. 2 is demonstrated.
[0065]
The fluctuation of the water flow rate from the
[0066]
<Individual>
[Table 1]
That is, x1Is the water flow rate at 1 o'clock [m3/ H]. Such a variable vector is called an individual, and an appropriate number of individuals are set.
[0067]
In addition, in the generation of the initial population in (STEP-1), since it is not efficient to generate the initial individuals at random, the following processing may be performed.
[0068]
In other words, it is possible to generate a variable vector with all elements equal. That is, a flow rate plan having a constant water supply flow rate until N o'clock is generated as an initial individual. At that time, even if there is no one that satisfies the constraint condition, each individual is evaluated by ignoring the constraint condition and adding a penalty (weight) to the individual in violation of the constraint. Is generated as an initial individual.
[0069]
The initial individual may be given by being extracted from an operation plan that has been valid in the past. Further, the initial individual may be input from the human interface 22.
[0070]
As the fitness (an index of how much the problem is adapted to a problem in a certain generation), the reciprocal of the objective function shown in Equation (3) is considered. However, the fitness is not limited to this.
[0071]
In order to realize RGA with good solution search performance, the design of the crossover operator is important. A number of crossover operators have been proposed for the RGA. Here, a crossover operator called BLX-α that exhibits good search performance for both unimodal and multimodal functions will be described. FIG. 3 is a conceptual diagram of this.
[0072]
In FIG.1, P2Then, the child individual c is generated according to the following equation.
[0073]
ci= U {min (p1i, P2i) -ΑI, max (p1i, P2i) + ΑI} (6)
I = | p1i-P2i|
Where ci, P1i, P2iAre c and p, respectively.1, P2U (x, y) is a uniform random number in the interval [x, y]. That is, the child individuals are uniformly distributed inside a rectangle composed of sides parallel to the coordinate axis. Α plays a role of weighting the global search ability and the local search ability. That is, as shown in FIG. 3, when α = 0, the child can be formed between the parents, so the convergence is fast but the search range is narrow.
[0074]
In the conventional GA of 0-1 gene, sudden changeDifferentIn general, the processing is performed, but the intersection operator of BLX-α adopted this time can fulfill its role by u (x, y), so sudden displacement processing is not performed.
[0075]
Next, implementation examples of objective functions and constraint conditions are shown. Note that the objective function and constraint conditions are not uniquely determined.
[0076]
Objective function: J = Js+ Jp+ Jh
(1) Minimizing changes in flow rate Js
・ For flow control by adjusting the opening of the
[Equation 3]
・ In case of flow control by variable speed pump 3
[Expression 4]
n (xk): Planned flow rate xkNumber of pumps operated at
Where n (xk) Is determined in various ways, but the following method is used as an example.
[0077]
FIG. 4 shows a case where two pumps can be operated in parallel in the QH (discharge amount-total head) curve of the variable speed pump. In the figure, the flow rate Q when the planned flow rate is 100% efficiency.H1Up to 1 unit operation, and QH2If the planned flow rate is up to 2 units, switch to parallel operation. That is, it is expressed as the following formula.
[0078]
[Equation 5]
Here, m represents m units in parallel operation (m = 2 in the case of FIG. 4), QHiRepresents the discharge amount when the efficiency during the i-unit parallel operation is 100%.
[0079]
(2) Minimization of power consumption Jp
[Formula 6]
(3) Reservoir 4, 10 Minimization of target water level error Jh
[Expression 7]
Note that wi (k) (i = 1, 2, 3, 4) is a weighting coefficient at time k for each item.
[0080]
Restrictions:
[Outside 1]
Considering the change in the water level of the reservoir at the same time, these relationships are as follows.
[0081]
[Equation 8]
However, A is the bottom area of the reservoir [m2].
[0082]
・ Water level in each reservoir at each time
hLWL≦ hk≦ hHWL (12)
hLWL, HHWLRepresents the upper and lower water levels of the reservoirs.
[0083]
・ Number of pumps that can be changed at one time
| N (xk) -N (xk-1) | ≦ R (13)
R is the number of pumps that can be changed at one time.
[0084]
・ Valve hydrostatic pressure
When the hydrostatic pressure P decreases to the saturated vapor pressure Pv at that temperature, the water boils in that portion.SistersCause the cavitation phenomenon. The cavitation phenomenon is an unavoidable problem in liquid handling equipment, and the constraint conditions are as follows.
[0085]
P> Pv (14)
Thus, an optimization operation plan can be created by formulating an optimization problem and solving it.
[0086]
Moreover, when obtaining an operation plan for the entire waterworks plant, it can be derived by defining a variable vector as a variable matrix. That is, when there are m distribution ponds that supply water from the
[0087]
[Table 2]
In this case, the constraint condition is not given to the variable matrix but given to each row (object) of the matrix.
[0088]
Note that the RGA described above can also be applied when the objective function and the constraint conditions are defined as discrete values. In this case, the objective function JsOnly the two items of the equation (8) are adopted as the term of (8). Where n (xk) Is not determined by equation (9).
[0089]
1 can be formulated as a combination optimization problem and a typical solution can be used. In this case, the solving method to solve the optimization problem is not limited to the genetic algorithm, but is mathematical programming (branch and bound method or dynamic programming which is one of enumeration methods), tab search method, simulated annealing method, immune method Any method such as an algorithmic method may be used.
[0090]
In addition, the optimum operation plan calculation means 25 can select and switch depending on the target by providing a switching means 26 to handle the plan variable such as the water flow rate as a continuous quantity or as a discrete quantity. Operation plan can be created. That is, when the plan variable is a continuous quantity control target, the demand amount predicted by the switching means 26 is given to the continuous value optimum plan calculation means 27, and when the plan variable is a discrete value control target, the predicted demand is calculated. The quantity is given to the discrete value optimum plan calculation means 28.
[0091]
When the plan variable includes both continuous and discrete quantities, the predicted demand may be given to both the continuous value optimum plan calculation means 27 and the discrete value optimum plan calculation means 28. In this case, the switching means 26 may be omitted, and the output of the demand prediction means 24 may be directly connected to both the continuous value optimal plan calculation means 27 and the discrete value optimal plan calculation means 28. Alternatively, the switching means 26 is illustrated. In addition to the function of selectively connecting to any one of the terminals, a so-called double throw type switching function of connecting to both terminals may be provided.
[0092]
The operation plan evaluation means 32 of the optimum operation plan calculation means 25 evaluates the above-mentioned fitness for each target, and as shown in the figure, the continuous value optimum plan calculation means 27 and the discrete value optimum plan calculation means 28. And form a loop. If the evaluated plan satisfies the end determination described above, the operation plan is output to the plant via the process input / output unit 21.
[0093]
Here, the water supply plan evaluation means 29 evaluates the fitness related to the water supply plan, the water treatment plant operation plan evaluation means 30 evaluates the fitness related to the operation in the
[0094]
Furthermore, the operation plan evaluation means 32 is a continuous value optimum plan when the continuous quantity and the discrete quantity are combined, such as when the water pump 3 in FIG. 2 is composed of a fixed speed pump and a variable speed pump. The outputs from the calculation means 27 and the discrete value optimum plan calculation means 28 are evaluated in a comprehensive manner.
[0095]
In this way, an operation plan that could not be expressed in a discrete definition by expressing the amount of supply required as a gene as a real-valued variable vector and applying a real-valued genetic algorithm. Therefore, the optimum supply amount can be derived.
[0096]
In the above embodiment, the water supply plant is exemplified as the target plant. However, the present invention is not limited to this, and for example, the present invention is also applied to a power plant, gas, and a supply plant such as heat (cold water, hot water). be able to.
[0097]
【The invention's effect】
According to the present invention, in optimizing the plant operation plan based on the demand forecast, even in a plant where the plan variable is given as a continuous quantity instead of a discrete quantity, by considering a continuous real value plan, Makes decisions on optimal operation plans that can handle valve opening adjustments, continuously changing flow rates with variable speed pumps, etc. without discrete definitions, and automatically adjusts plants as well as support be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a plant operation optimization control apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of a plant that is an object of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a cross operator BLX-α method used in the embodiment.
FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining a QH characteristic of a variable speed pump used in the embodiment.
[Explanation of symbols]
Water treatment plant which is an example of 2 treatment facilities
4,10 Reservoir as an example of distribution facility
7,8 Intake source (river, groundwater) as an example of supply source
20 Plant operation optimization controller
25 Optimal operation plan calculation means
26 switching means
27 Continuous value optimum plan calculation means
28 Discrete value optimum plan calculation means
32 Operation plan evaluation means
Claims (10)
前記プラント側から入力されるプラントデータ及び過去の需要実績データから今後N時間分の需要予測値を算出する需要予測手段と、
前記処理施設から供給対象施設までの今後N時間分の供給計画を作成するための供給計画変数が連続量として与えられる場合、前記需要予測値に対し要求される条件を満足する供給最適運用計画を、目的関数及び制約条件で定式化された最適化問題とし、これら目的関数及び制約条件を連続値で与え、n個の実数型コーディングによる個体を発生させ、実数値遺伝的アルゴリズムにより、前記目的関数を最小とするように作成する連続値最適計画演算手段を有する最適運用計画演算手段とを備え、
前記処理施設から所定の供給対象施設に前記対象物を供給する可変速ポンプを有し、
計画変数が連続量として与えられる可変速ポンプの吐出量であり、前記n個の個体は、N時間分の前記計画変数の実数による変数ベクトルであり、流量変化の最小化に関する目的関数では、可変速ポンプのQ−H特性を考慮することによって前記可変速ポンプの運転台数を評価する
ことを特徴とするプラント運用最適化制御装置。A plant operation optimization control device that performs predetermined processing at a processing facility on an object taken from a supply source, and supplies the target object to the predetermined supply target facility from the processing facility,
Demand forecasting means for calculating a demand forecast value for the next N hours from plant data inputted from the plant side and past demand record data;
When supply plan variables for creating a supply plan for the next N hours from the processing facility to the supply target facility are given as continuous quantities, an optimal supply operation plan that satisfies the conditions required for the demand forecast value And an optimization problem formulated with the objective function and the constraint conditions, the objective function and the constraint condition are given as continuous values, and n individuals are generated by real type coding. And an optimal operation plan calculation means having a continuous value optimal plan calculation means for creating a minimum value ,
A variable speed pump for supplying the object from the processing facility to a predetermined supply target facility ;
The discharge variable of the variable speed pump given as a continuous variable is a design variable. The n individuals are variable vectors of real numbers of the plan variable for N hours. A plant operation optimization control apparatus characterized in that the number of operating variable speed pumps is evaluated by taking into account the QH characteristics of a variable speed pump .
前記プラント側から入力されるプラントデータ及び過去の需要実績データから今後N時間分の需要予測値を算出する需要予測手段と、
前記処理施設から供給対象施設までの今後N時間分の供給計画を作成するための供給計画変数が連続量として与えられる場合、前記需要予測値に対し要求される条件を満足する供給最適運用計画を、目的関数及び制約条件で定式化された最適化問題とし、これら目的関数及び制約条件を連続値で与え、n個の実数型コーディングによる個体を発生させ、実数値遺伝的アルゴリズムにより、前記目的関数を最小とするように作成する連続値最適計画演算手段を有する最適運用計画演算手段とを備え
前記処理施設から所定の供給対象施設までの間に流量制御用のバルブが設けられ、
計画変数が連続量として与えられるバルブの開度であり、前記n個の個体は、N時間分の前記計画変数の実数による変数ベクトルであり、絶対制約条件をバルブの静水圧力>飽和蒸気圧として前記バルブのキャビテーションを抑制すること
ことを特徴とするプラント運用最適化制御装置。 A plant operation optimization control device that performs predetermined processing at a processing facility on an object taken from a supply source, and supplies the target object to the predetermined supply target facility from the processing facility,
Demand forecasting means for calculating a demand forecast value for the next N hours from plant data inputted from the plant side and past demand record data;
When supply plan variables for creating a supply plan for the next N hours from the processing facility to the supply target facility are given as continuous quantities, an optimal supply operation plan that satisfies the conditions required for the demand forecast value And an optimization problem formulated with the objective function and the constraint conditions, the objective function and the constraint condition are given as continuous values, and n individuals are generated by real type coding. And an optimum operation plan calculation means having a continuous value optimum plan calculation means for creating a minimum value.
A valve for flow control is provided between the processing facility and a predetermined supply target facility ,
The opening of the valve is given as a continuous variable as a planned variable, the n individuals are variable vectors of the real number of the planned variable for N hours, and the absolute constraint condition is the static water pressure of the valve> saturated vapor pressure A plant operation optimization control apparatus characterized by suppressing cavitation of the valve .
対象が離散量として与えられる計画変数を含む場合、離散量を扱い、最適化問題を解く離散値最適計画演算手段を備え、
連続値最適計画演算手段と離散値最適計画演算手段との出力を監視し、これら両出力を総合して評価する運用計画評価手段を設けた
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のプラント運用最適化制御装置。The optimal operation plan calculation means is
When the target includes a design variable given as a discrete quantity, the discrete value optimal plan calculation means for handling the discrete quantity and solving the optimization problem is provided.
Monitoring the output of the continuous value optimal design calculation means and discrete values optimal design computing means, any of claims 1 to 4, characterized in that a management plan evaluating means for evaluating comprehensively these two output The plant operation optimization control device according to any one of the above.
離散量として与えられる計画変数を離散量として扱い、最適化問題を解く離散値最適計画演算手段を備え、
計画変数を連続量として扱うか離散量として扱うかを、対象によって切り換える切換手段を備えた
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のプラント運用最適化制御装置。The optimal operation plan calculation means is
It has a discrete value optimal plan calculation means that treats design variables given as discrete quantities as discrete quantities and solves optimization problems,
The plant operation optimization control device according to any one of claims 1 to 4 , further comprising switching means for switching whether the plan variable is handled as a continuous quantity or a discrete quantity depending on a target.
前記プラント側から入力されるプラントデータ及び過去の需要実績データから今後N時間分の需要予測値を算出する需要予測手段と、
前記供給源から供給対象施設までのプラント全体の今後N時間分の運用計画を作成するためのプラントを構成する各部の計画変数が連続量として与えられる場合、前記計画変数毎の実数による各変数ベクトルを変数マトリクスとして定義し、前記需要予測値に対し要求される条件を満足するプラント全体の運用計画を、目的関数及び制約条件で定式化された最適化問題とし、実数値遺伝的アルゴリズムにより、前記目的関数を最小とするように作成する最適運用計画演算手段とを備え、
前記制約条件は、前記変数マトリックスを構成する前記各部の対象毎に与えられる
ことを特徴とするプラント運用最適化制御装置。A plant operation optimization control device that performs predetermined processing at a processing facility on an object taken from a supply source, and supplies the target object from the processing facility to a predetermined supply target facility,
Demand forecasting means for calculating a demand forecast value for the next N hours from plant data inputted from the plant side and past demand record data;
When planning variables of each part constituting the plant for creating an operation plan for the next N hours of the entire plant from the supply source to the supply target facility are given as continuous quantities, each variable vector by a real number for each planning variable Is defined as a variable matrix, and the operation plan of the entire plant that satisfies the conditions required for the demand forecast value is an optimization problem formulated with an objective function and constraint conditions. And an optimal operation plan calculation means for creating an objective function to minimize it,
The plant operation optimization control device according to claim 1, wherein the constraint condition is given for each target of the respective parts constituting the variable matrix .
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