JPS6132684B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は上水道、下水道、潅漑、排水などの
ポンプ設備に使用される。複数台ポンプの運転台
数制御方法に関するものである。

以下説明を簡略にするために潅漑のポンプ設備
を例にとつて説明する。

従来、田畑等の水使用端へ潅漑用水を送る場
合、一たんポンプで貯水池へ送水してから使用端
へ送水することが行なわれている。このとき、問
題となるのは、ポンプの制御である。特にポンプ
が複数台あるときいかに経済的にしかも簡単な装
置でこれらのポンプを制御して揚水量を調節する
かは重要な問題となる。

これを解決する従来方式としては、下記の２方
式があげられる。

その一つは貯水池水位による方式で水位に応じ
てポンプの運転台数を増減して流量制御を行なう
方式である。たとえば第１図に示すように、台数
切替はポンプの台数分だけ設けた水位の上限、下
限設定値にてポンプを起動・停止させる。すなわ
ちポンプＰが３台（ｎ＝３）であるこの例では２
００２０１，２０２は１号、２号、３号のポンプ
停止水位であり、２００′，２０１′，２０２′は
１号、２号、３号のポンプ起動水位というように
する。なお２０５は水位計、２０６は揚水ポン
プ、２０７はポンプ井である。

他の方式は、切替回数をできるだけ少なくし、
運転効率を向上させることを目的として、第２図
に示すように予め予測した負荷流量曲線に応じて
ポンプ台数を増減するプログラム制御方式であ
る。この方式では、プログラム制御による揚水量
と実際の負荷流量のずれを貯水池の容量で吸収で
きる。

これらの２方式は、マイナーに見れば貯水池の
容量を有効に利用しながら切替回数を少なくする
ように工夫されてはいるが水系全体から眺めた場
合、かならずしも最適運転とは言えないという欠
点がある。

この欠点を除去するために、負荷の予測流量累
積値をもとに、最適なポンプ運転方法を決定する
方法の一つとして、本出願人が先に提案した「運
用計画に基づく複数台のポンプ制御方法」（特願
昭50−95867）がある。

この制御方法は次のような特徴を持つ。

(a) 予測負荷量累積値曲線と、これに貯水池容量
をプラスした曲線との間を通る最適なポンプ場
水量累積値曲線（以下、ポンプ運転曲線と略
す）をダイナミツク・プログラミング（以下
DPと略す）により探している。

(b) DPのステージとしては、時間ステツプをと
つている。

(c) ある時間ステツプから次の時間ステツプへと
運転を移すときの運転台数変化の種類に対し、
目的に応じたベナルテイを与えて、DPの評価
基準にしている。

この方法を用いれば確実に目的に応じた最適な
ポンプの運転方法を得ることができる。しかし、
ステージとして時間ステツプをとつているため
に、時間の刻みを小さくした場合大きな記憶容量
が必要となり、計算装置が大形、又は高価になる
という欠点をもつ。

このペナルテイ付ダイナミツク・プログラミン
グ法（PDP法）に必要な記憶容量Ｘは、 Ｘ≧Ｔ×N² 〔個〕 （ただし、Ｔ：時間ステツプ数、Ｎ：ポンプ台
数）たとえば、Ｎ＝10台、５分刻みで24時間分を
計算した場合、 Ｘ≧28.8×10³ 〔個〕となる。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去す
るためになされたものであり、簡便な装置でしか
も経済的な複数台ポンプ運転を可能にするポンプ
制御装置を提供するものである。

上記目的を達成するために本発明は予測負荷量
累積値曲線とこれに貯水池容量を加えた曲線との
間をポンプ運転曲線が通るようにし、この運転曲
線が上記両曲線にぶつかる前に、傾きを変える
（ポンプ台数を切替える）、すなわち途中切替点を
設けるという規則で、しかも、ポンプ運転の評価
関数を最適とするように複数台のポンプを運転す
るものである。

以下、本発明の原理を図により詳細に説明す
る。

まず対象とする水系のモデルを第３図に示す。
これは水系のモデルの８割以上を占めるという代
表的なパターンである。貯水池以後の水の需要
（負荷）を満たすために、一度ポンプで貯水池へ
揚水しており、上水道、下水道、農業潅漑などに
適用できるものである。

ここでの目的は、この水系において、貯水池を
溢れさせず、且つ負荷に対して供給不足にならな
い範囲で評価関数を最適とするようにポンプを運
転することである。

このことを図示して考えると、第４図のように
なる。曲線１は、貯水池以降の予測負荷量の累積
値曲線、曲線２は曲線１に貯水池容量をプラスし
た曲線である。ポンプ揚水量の累積値曲線（ポン
プ運転曲線）３は、曲線１と２との間からはみ出
さない範囲で、最適運転をしなければならない。
曲線３が曲線１より下になれば負荷を満たすこと
ができず、曲線２より上になると、池が溢れるこ
とになるからである。

ここで「最適」とは、消費電力量（運転コス
ト）を最少にする等を言う。

この時、ポンプ運転曲線３の傾きは、各台数で
運転した時の単位時間当り揚水量により規定され
るものである（第５図）。すなわち、傾きが変わ
るごとに運転台数が切替えられることになるの
で、切替回数最少で運転する時は、曲線３の傾き
の変更点の最小にしなければならない。

以上を整理して、たとえば問題を次のように設
定する。

「傾きの変更点の数を可能な限り少なくして、
曲線１及び２の間をはみ出すことなく最適なポン
プ運転曲線３を通す。」 上記の問題の近似解答を以下に示す。

まず、予測負荷量累積値曲線１と曲線１に貯水
池容量をプラスした曲線２を任意の区間で曲線あ
るいは線形近似する。（第６図の曲線２１，２
２） この時次のような制限条件があれば、その分だ
け２１，２２を上下させることにある。

池水位一定以上を保つ（→曲線２１を上げる）
予測負荷量の誤差を考慮する（→曲線２１と２２
の巾をせばめる） こうして決めた曲線２１と２２の間で次のルー
ルに従つてポンプ運転曲線のルートを探してゆ
く。

第７図にそのフローチヤートを示した。図中
（ ）内の符号は、以下の符号と対応している。

(A) まず、出発点（初期貯水量の値）５からスタ
ートして、曲線２１，２２と交わるまで、各台
数でポンプを運転した時のルートを探す。この
図では０台運転の時５→６、１台運転の時５→
７、２台運転の時５→８となる。

(B) 次に、長時間運転台数の切替えのない運転が
できるよう直線５−６や５−７上の点を途中切
替点として運転台数を切替える。図中３３，３
４等とがそれになつているが、この途中切替点
を見つけるには、例えば、次の(i)または(ii)のよ
うにすればよい。

(i) 曲線２１と２２の間で、それぞれの台数で
の長時間運転可能なルートを探し、それと直
線５−６，５−７との交点を求め、これを途
中切替点とする。この場合、曲線２１や２２
に対しては接線となるような直線３０，３２
やその間の直線３１が長時間運転可能なルー
トである。

(ii) １回めのポンプ運転直線５−６や５−７を
ある時間ステツプで刻み、それぞれの刻み点
から各台数運転のルートを伸ばしてみて、そ
のうちから長時間運転の可能なものを選ぶ。

(C) こうして求めたポンプ運転曲線が最終時刻ま
で到達すれば、これでポンプ運転曲線は完成で
ある。もし到達しなければ、２回めのポンプ運
転直線をあらためて１回めの運転直線とみな
し、前と同様に途中切替点を作つて運転台数を
切替え、さらに運転ルートを探索すればよい。

(D) 最後の１回は最終時刻から逆向きに探索した
ルートを考えてもよい。この時、もし目標貯水
量があれば、その値から逆向きに各台数運転の
時のルートを探せばよいことになる。図では、
１１が目標貯水量の値で、０台運転の時１１→
１２、１台運転の時１１→１３等が、この回に
探索したルートとなつている。こうすると、直
線１１−１２，１２−１３と、出発点から探し
てきたルートとの交点（例えば３５，３６
etc）を求めて、最終的に目標貯水量になるよ
うポンプ運転曲線を完成させることができる。

(E) 完成した運転曲線のルートとしては、第６図
では例えば、５→３３→３９，５→３３→３６
→１１，５→３４→３７→１１etcなどであ
る。こうして探索したルートはすべて記憶して
おき、最終的にはこれらのルートのうちから、
評価関数により、最適な運転曲線を決定する。

例えば、評価関数として消費電力量最小化をと
つたとすると、記憶しておいたルートのそれぞれ
の消費電力量を運転継続時間と運転台数とから計
算し、その中から最小のものを選択するのであ
る。

この決定方法では、運転時間を任意の長さにと
れるために、最大切替回数が小さいときは、DP
よりもかなり計算に必要な記憶容量を減らすこと
ができる。

この計算に必要な記憶容量X′は、 X′＝α×N′^f 〔個〕 N′＜Ｎ Ｎ：ポンプ台数 ｆ：切替回数最大値 α：条件のつけ方により変わる定数、ふつうは５
〜６程度 Ｎ＝10台、ｆ＝３回の時 X′＜５〜６×10³ 〔個〕 となる。

したがつて、この例の場合、DPの用いたとき
の記憶容量Ｘ28.8×10³と比較すれば、本発明
における記憶容量は1/6程度なることがわかる。

以下、本発明を実施例によつて詳細に説明する
（第８図）。運用計画を立てる時間帯（たとえば24
時間分）の貯水池以後の予測負荷量を予測負荷量
入力装置１０１に外部より入力する。これを予測
負荷量曲線近似装置１０２により、任意の区間に
わけて曲線近似する。次に、ポンプ特性入力装置
１０３に、各台数毎のポンプ揚水量を与える。ま
た、初期条件入力装置１０４、制限条件入力装置
１０５にもそれぞれ初期貯水量・制限条件（目標
貯水量、常時の最低貯水量、切替回数の最大値
等）を入力する。

これらの情報をもとに、まず、第６図の曲線２
１，２２のようなポンプ運転曲線の通れる範囲を
最終的に設定し、これまでに述べてきたルールに
従つて、運転台数の切替回数が少なくてすむ途中
切替点を探すというやり方でポンプ運転曲線の全
てのルートを探してゆく。これは、１０６の運転
ルート探索装置で行なう。その後１０７の最適運
転台数決定装置で選択可能なルートのうち評価関
数を最適にするものを選んで、各時刻におけるポ
ンプ運転台数を決定するが、この時の評価関数は
評価関数入力装置１０８により与えられる。

結果は、表示装置１０９へ出力され、ポンプ起
動指令装置１１０によつて各ポンプ１１１へ運転
の指令が出される。

なお、上記実施例においては、最適ルートの探
索を出発点から求めたが、最終点から求めるよう
にしてもよいことはいうまでもない。

以上説明したように、本発明は準最適なポンプ
運転台数を決定しポンプを制御する方法である
が、その計算に必要な記憶容量を少なくしたた
め、装置を小形化できたことに特徴がある。また
この台数決定のアルゴリズムは、原理が単純であ
るのでわかりやすく、もし計算の途中で装置が動
かなくなつたような場合でも、人間により代行す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、貯水池水位によるポンプ台数制御の
説明図、第２図はプログラムによるポンプ台数制
御の説明図、第３図は水系のモデル図、第４図
は、ポンプ運転曲線と予測負荷流量累積値曲線の
関係を表わす図、第５図は、ポンプ運転台数と、
単位時間当りの揚水量の図、第６図は、運転曲線
のルートの探し方説明図、第７図は、運転曲線の
ルート探索のフローチヤート、第８図は、ポンプ
台数制御装置図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数台のポンプの運転台数を切換えて流体貯
   留手段の流体貯留量を該貯留手段に流入する流入
   量で制御する予測制御方法において、(a)上記貯留
   手段の容量と、初期貯留量と、上記貯留手段から
   流出する流出流量を過去の実績から予測して求め
   た負荷量累積予測値とにそれぞれ対応した信号を
   発生させ、(b)上記負荷量累積予測信号から求め
   た、下限予測曲線信号と上記予測値信号に上記容
   量信号を加えた上限予測曲線とを発生させ(c)上記
   初期貯留量信号にもとづき、上記上限および下現
   予測曲線間を通り、上記初期貯留量を表わす点か
   ら出発して上記上限および下限予測曲線と交わる
   まで各台数でポンプを運転したときの個別運転ル
   ートと該個別運転ルートと所定時間以上にわたり
   運転台数の切換えを不要とする運転ルートとの交
   点を途中切換え点とする信号にもとづいて上記運
   転台数の変更がすくなくなるような運転ルートを
   発生させ、(d)上記運転ルートのうちから、所定の
   評価関数にもとづいてひとつの運転ルートを選択
   し、(e)該選択された運転ルートに対応する信号に
   もとづいて上記流体貯留量を制御することを特徴
   とする予測制御方法。