專利名稱：配水壓控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及將凈水通過泵從配水地經由上水管的配水管網送至末端的用水戶的情況的配水壓控制裝置。尤其涉及能夠考慮在配水壓控制中利用的管道阻力模型的模型化誤差、發生火災時的突發性的用水需求或配水區間的調水等對配水系統的干擾，來對配水管網的末端壓進行精密控制的配水壓控制裝置。
背景技術：
專利文獻I提供了ー種配水壓控制裝置，將凈水通過泵從自配水地經由管道而配置的上水管的配水管道網送至末端的用水戶，在作為控制對象的配水塊中，基于其流入流量和輸出壓、末端壓、需求量的實處理數據，將管道阻カ進行模型化，利用該模型能夠抑制因需求變動或管道網處理的經年變化而引起的控制性能劣化。
專利文獻2實現ー種配水控制器，為了對應于進行配水區域之間的調水的情況或火災等異常時來精密地控制末端壓，根據實時的處理數據對配水管網的狀態進行模擬，能夠對包括各配水注入點的操作點自動計算最優的操作量并進行設定。專利文獻I :日本特開2009-209523專利文獻2 日本特開2006-104777專利文獻I中，能夠對應于隨著經年變化的處理特性變化而維持控制精度，但沒有考慮管道阻力模型的模型化誤差，存在難以將末端壓精密控制到極限下限值的問題。由此消耗多余的泵能量。此外，存在難以對應于與本來的家庭、エ廠等的需求不同的火災的消火栓流量等突發性干擾而維持控制性能的問題。專利文獻2中，能夠利用管網模型捕捉配水系統細微部分的壓カ變動來控制末端壓，但由于管網計算的運算負荷大、控制周期大，因此存在難以進行對應于消火栓流量等的急劇減少的流量變化的控制。即，存在末端壓從目標值偏離預定以上的問題。
發明內容
因此，本發明的目的在于提供ー種配水壓控制裝置，對作為控制對象的配水塊的管道阻力模型進行模型化，并且計算其模型化誤差，基于考慮壓カ模型化誤差的管道阻力模型，提高末端壓成為目標值以上的可能性。ー種配水壓控制系統，具備管道阻力模型生成部，基于在配水管網與泵之間設置的輸出壓力計測器所計測的輸出壓、在從配水管網接受供水的配水目的地的水管與該配水管網之間設置的末端壓計測器所計測的末端壓、以及在配水管網與泵之間設置的流量計測器所計測的流量，生成反映了由規定等級的模型化誤差產生的影響的該配水管網的管道阻力模型；壓カ損失計算部，基于管道阻力模型和預先由配水壓控制系統具有的配水流量模式，計算在配水管網中產生的水壓的壓力損失量；目標輸出壓計算部，接收末端壓的目標值，并基于壓カ損失量和末端壓的目標值，計算目標輸出壓；以及轉速控制部，控制泵的轉速，以達到目標輸出壓。發明效果根據本發明，對作為控制對象的配水塊的管道阻力模型進行模型化，并且計算其模型化誤差，基于考慮了模型化誤差的管道阻力模型，在最壞的情況下也能夠控制配水壓，以使末端壓成為目標值以上。此外，利用流量傳感器計測消火栓流量等與通常的需求模式不同的突發性需求(干擾)，從而迅速判斷突發需求，利用管道阻力模型以比原來短的周期計算目標輸出壓，從而能夠精密控制配水壓。此外，能夠構筑考慮了與原來的需求模式不同的突發需求模型(干擾)的獨立的管道阻力模型，來精密控制配水壓。
圖I是表示配水壓控制系統的結構例的圖。圖2是表示數據庫中保存的數據的例的圖。圖3是表示流量與壓カ損失的關系例的圖表。圖4是表示配水壓控制處理例的流程圖。圖5是表示需求模式的例子的圖。圖6是表示泵的流量-揚程特性的例子的圖。圖7是表示考慮和不考慮推測值的偏差(不均勻)的情況下的控制性能的一例的圖。圖8是表示配水壓控制系統的其他結構例的圖。圖9是表示消火栓流量發生的情況和未發生的情況的末端壓的變化的一例的圖。圖10是表示配水壓控制處理的其他一例的流程圖。圖11是表示配水壓控制系統的其他結構例的圖。圖12是表示管道阻力模型的系數值和系數的標準誤差的一例的圖。圖13是表示配水壓控制處理的其他一例的流程圖。符號說明100配水壓カ控制裝置101DB (數據庫)102管道阻力模型判別單元103需求預測單元104壓カ損失計算單元105目標輸出壓計算単元106輸出壓控制單元107轉速控制單元
具體實施例方式使用
本發明的實施方式。(實施例I)參照圖I至圖7說明實施例I。
圖I是實施例I的配水壓控制系統的結構圖。控制系統包括配水管網I、配水池11、計測輸出壓的第I壓カ傳感器2、計測末端壓的第2壓カ傳感器3、計測配水流量的流量傳感器4、泵8、9、10、計測泵轉速的轉速傳感器5、6、7、儲存計測時間序列數據的DB(數據庫)101、管道阻力模型判別單元102、以及以上述各種傳感器的計測值、管道阻力模型、目標末端壓為輸入對泵轉速進行控制以實現目標末端壓的配水壓控制裝置100。第I壓カ傳感器2是計測從泵配水到配水管網I的水的壓カ(輸出壓)的傳感器，設置在泵8、9、10與配水管網I之間。第2壓カ傳感器3是計測從配水管網I向接受供水的供給目的地(也稱為配水目的地)的水管的水的配水壓カ(末端壓)的傳感器，設置在配水管網I與供給目的地的水管的邊界。流量傳感器4是計測從泵配水到配水管網I的水的流量的傳感器，設置在泵8、9、10與配水管網I之間。DB101、管道阻力模型判別單元102、配水壓控制裝置100分別是具有處理器和存儲器、HDD等存儲裝置的計算機。即，DBlOl通過由處理器執行保存在存儲器內的程序，從上述的各種傳感器取得計測值，并將這些作為DB數據保存到存儲裝置。管道阻力模型判別單元102通過由處理器執行保存在存儲器內的程序來訪問DB101，取得各種傳感器的計測值 并對管道阻カ進行模型化，并且計算模型化誤差的推測值。在配水壓控制裝置100中，通過由處理器執行保存在存儲器中的各種程序，實現配水壓控制裝置100所具有的后述的各種單元。另外，DB101、管道阻力模型判別單元102、配水壓控制裝置100既可以由分別不同的計算機構成，也可以由相同的計算機構成。配水壓控制裝置100具有需求預測單元103、壓カ損失計算單元104、目標輸出壓計算單元105、轉速控制単元107。壓カ傳感器2、3分別設置在配水管網的入口、末端，分別計測輸出壓、末端壓。流量傳感器4設置在配水管網的入口，計測配水流量。DBlOl中保存規定時刻的各種傳感器的計測、即流量、輸出壓、末端壓的值。圖2表示其一例。在本例中，每隔3個小時計測并存儲數據。也可以縮短計測周期，來提高后述的管道阻力模型判別精度。在管道阻力判別單元102中，利用保存在數據庫中的數據，將管道阻力模型進行模型化，并且推測模型化誤差的等級。這里，管道阻力模型由下式給出，存儲在構成管道阻力判別單元102的計算機的存儲器中。P = Pe+h+k · Qa(I)這里，P :輸出壓(m)Pe :末端壓(m)h :輸出壓測定點的標高(m)_末端壓測定點的標高(m)k :常數Q :配水流量(m3/s)a :常數(利用I. 85或2. O的值)h是已知的實數，預先設定在構成管道阻力判別單元102的計算機的存儲器中。由于P、Pe, Q的時間序列數據存在于DBlOl內，因此管道阻力判別單元102能夠通過使用式(I)的最小二乗法來推測(計算)常數k。這里，a也作為未知參數，能夠與k 一起推測。在計算α的情況下，管道阻力判別單元102在計算式(I)的兩邊的對數之后適用最小ニ乘法。管道阻力判別單元102能夠通過最小二乗法推測系數k的推測值k0、以及表示系數推測值的偏差(不均勻)的標準誤差σ k。這是用標準偏差表示系數k以其推測值(期望值)為中心以何種程度偏差。例如，系數k為k0-2ok以上且k0+2ok以下的概率為約95%。對此在圖3中用圖表表示。在圖表中，壓カ損失H為(P-Pe)。由用虛線表示的兩個曲線包圍的范圍是95%置信區間。末端壓下降最大的是上面的曲線的情況、即k = k0+2 ok的情況。因此，若利用k = kO+2 σ k的情況的管道阻力模型來進行控制，則能夠將末端壓大致保持在目標值以上。
圖7是比較利用不考慮系數k的偏差的管道阻力模型進行控制的情況、和考慮系數k的偏差而利用k = kO+2 σ k的情況的管道阻力模型進行控制的情況的圖。若不考慮系數k的偏差，則有可能多次小于目標壓，相對于此，若考慮系數k的偏差而利用k = kO+2 σ k的情況的管道阻力模型進行控制，則實際的末端壓以97. 5%的概率成為目標值以上(實際的末端壓成為目標值以下的是2. 5%的概率)，因此能夠將末端壓控制在目標值以上的可能性提高。進而，通過將模型值的目標壓設定為即可能下限，能夠使泵耗能最小化。參照圖I、圖5說明用于實現該控制的配水壓控制裝置的處理概要。在圖I的需求預測單元103中，例如，配水壓控制裝置100利用保存在其存儲裝置內的按季節或星期幾的需求模式數據(即，配水流量模式數據、例如表示圖5的需求模式的數據)，預測將來的需求。例如，若控制裝置的控制周期為5分，則檢索當前時刻的需求Q0、以及2. 5分后的需求Q2. 5。在將當前的配水流量計測值設為Q時，通過下式計算需求預測量Qf。Qf = Q-Q0+Q2. 5(2)接著，壓カ損失計算單元104基于下式計算壓カ損失H。H = h+ (kO+2 σ k) Qf2(3)目標輸出壓計算単元105接受目標末端壓PeO的輸入，對其加上壓カ損失，通過下式計算目標輸出壓PO。PO = PeO+h+ (kO+2 σ k) Qf2(4)輸出壓控制單元106及轉速控制單元107通過向各泵的信號，控制泵轉速，以使計算出的目標輸出壓與計測輸出壓一致。首先，輸出壓控制單元106決定目標轉速NO。圖6是表示圖示了配水壓控制裝置100在其存儲裝置內具有的泵的性能特性數據的泵的性能曲線的圖，縱軸為流量Q，橫軸為揚程H。描繪了一臺泵運轉、2臺泵運轉、3臺泵運轉的情況的性能曲線。將這些用數學式表現則如下。H = fi (Q, N)(5)這里，H :揚程，Q :流量，N :泵轉速，f :表現性能曲線的函數，i :常數1，2，3，相當于
泵運轉臺數。這里，需要決定泵運轉臺數，這基于預測流量Qf進行。例如，輸出壓控制單元106基于常數Q1、Q2(Q1 < Q2)，如下判斷泵的運轉臺數。在Qf < Ql吋，I臺運轉Ql 彡 Qf < Q2 吋，2 臺運轉(6)
Q2≤Qf 時，3臺運轉用(5)式求解轉速而得到下式。N = gi (H, Q)(7)利用該式，用下式計算目標轉速NO。NO = gi(P0, Qf)(8)這里，PO :目標輸出壓，Qf :預測需求，NO :泵目標轉速接著，泵轉速控制單元107控制向泵的信號，以使計測轉速與目標轉速一致。接 著，基于圖4，說明如上所述的壓力控制裝置的處理流程。該處理例如以5分周期執行。控制周期能夠通過對配水壓控制裝置的設定而設定為任意的長度，可長可短。若使控制周期較長，則控制性能劣化，但若較短，則運算負荷大，因此優選設定取兩者的折中的平衡的周期。另外，圖4所示的處理由配水壓控制裝置100執行。首先，在步驟401中，基于(2)式，需求預測單元103根據需求模式數據計算預測需求。在步驟402中，基于(3)式,壓力損失計算單元104計算壓力損失。在步驟403中，基于⑷式，目標輸出壓計算單元105計算目標輸出壓。在步驟404中，利用(6)式所記載的判斷式，轉速控制單元107判斷泵運轉臺數。在步驟405中，基于(8)式，轉速控制單元107計算泵的目標轉速。最后在步驟406中，轉速控制單元107控制向泵的信號，以使計測轉速與目標轉速一致。以上，結束處理。以上，根據實施例1，如圖7所示能夠以較高的概率將末端壓保持在目標值以上。此外，通過將目標輸出壓設定在即可能下限，能夠使泵耗能最小化。(實施例2)接著參照圖8至圖10說明第2實施例。在該實施例中，提供在發生消火栓流量等的突發需求時也能夠將末端壓維持在目標值的壓力控制方法。圖8表示配水壓控制系統的整體結構圖。與實施例I的不同點是在配水管網I中設有消火栓801、802，設有計測該消火栓流量的傳感器803、804，在配水壓控制裝置內設有臨時處理判斷單元805。其他處理與實施例I相同。臨時處理判斷單元805隨著消火栓流量發生，判斷是否需要臨時的控制處理，在需要臨時的控制處理的情況下，啟動圖4所示的配水壓控制處理。臨時處理判斷單元805的處理以與圖4所示的配水壓控制處理的控制周期(5分)相比非常短的周期、例如IOOms執行。設時刻t的消火栓I的流量為ql (t)、消火栓2的流量為q2 (t)時，臨時處理判斷單元805判斷是否滿足以下的條件。I ql (t) -ql (t_0. I) | >某閾值或(9)I q2 (t) -q2 (t_0. I) | >某閾值這些條件是用于判斷消火栓流量的發生及其停止的瞬間的條件。只要滿足這些判斷條件，配水壓控制裝置100以IOOms的周期執行圖4的配水壓控制處理。由此，能夠對應于火災等突發性需求的發生或需求的消失時，防止末端壓急速下降或上升。圖10表示本臨時處理的流程。圖10所示的處理以IOOms的啟動周期執行。
在步驟1001中，臨時處理判斷單元805基于下式計算消火栓流量的變化量A ql、A q2。Aql= I ql (t)-ql (t_0. I) I(10)A q2 = | q2 (t) _q2 (t_0. I) |(11)在步驟1002中，臨時處理判斷單元805判斷這些變化量是否為預先設定的規定的閾值以上。若小于規定的閾值則處理結束，若為規定的閾值以上，則進入步驟1003。在步驟1003中，臨時處理判斷單元805啟動圖4所示的配水壓控制處理。但是，不執行需求預測 401。代替需求模式數據，需求預測單元103從流量傳感器4取得最新的流量計測值并將該值設為Qf。然后各單元基于該Qf，計算各種狀態量。圖9表示實施例2的效果。在以往技術中，消火栓流量剛發生后，末端壓大幅下降，但若使用本發明的方式，能夠防止該現象。另外，在本實施例中，示出了消火栓為兩個的情況，但在3個以上的情況下也能夠以同樣的處理應對。另外，在本實施方式中，作為需要水的突發性需求的例子而使用了消火栓，但只要是產生不基于需求模式的需求的結構，則也可以不是消火栓。(實施例3)接著，參照圖11至圖13說明實施例3。本實施例中作為管道阻力模型而利用考慮消火栓流量的更精致的模型，由此更高精度地控制末端壓。圖11表示配水壓控制系統的整體結構圖。與圖8的不同點是數據庫的輸入中追加了消火栓流量計測值。本實施方式的管道阻力模型判別單元1102考慮這些消火栓流量來進行管道阻力模型的構建。數據庫1101中除了本來的流量、壓力之外，還存儲每個消火栓的流量。作為管道阻力模型而利用以下模型。P = Pe+h+ml Q2+m2 Q q+m3 q2(12)這里，P :輸出壓(m)Pe :末端壓(m)h :輸出壓測定點的標高(m)_末端壓測定點的標高(m)k:常數Q :除了消火栓流量之外的配水流量(本來的需求)(m3/s)q 消火栓流量(m3/s)通過與本來的需求Q分別設定消火栓流量變量q，實現模型的精細化。在管道阻力模型判別單元1102中，利用保存在數據庫1101中的壓力、流量的時間序列，通過最小二乘法推測系數ml、m2、m3，并且計算這些系數的標準誤差oml、o m2、0 m3。對q而言，使用每個消火栓的流量，如圖12那樣計算每個消火栓的系數值、標準誤差。壓力損失計算單元1103利用這些計算值，通過下式計算壓力損失H。H = h+ (mlO+2 o ml) Q2+ (m20+2 o m2) Q q+(m20+2 o m2) q2(13)圖13表示與消火栓流量等需求驟變對應的控制處理的流程。步驟1001、1002的處理與圖10的步驟1001、1002的處理同樣，由臨時處理判斷單元805執行。在步驟1301中，檢索圖12的表，求出與發生流量的消火栓對應的系數值、標準誤差。這里，圖12所示的表是由管道阻力模型路程單元1102通過最小二乘法計算的系數，配水壓控制裝置100從管道阻力模型路程單元1102取得最新的系數值并保存在存儲器中。在步驟1302中，壓力損失計算單元1103利用(12)式計算壓力損失。其后的步驟403至406的處理與圖4的相同步驟號的處理相同。但是，與實施例2同樣，需求預測單元103代替需求模式數據而將從流量傳感器4取得的最新流量計測值設為Qf。另外，該處理與通常進行的每隔5分的配水壓控制(圖4)并行地執行。以上，根據實施例3，針對消火栓流量等突發性需求，能夠精密控制末端壓。另外，在多個消火栓同時啟動時，也能夠以同樣的方法構筑管道阻力模型并進行應對。
此外，通過將作為干擾的消火栓流量置換為配水區間的調水流量，本實施例還能夠利用于有調水的情況的末端壓精密控制。
權利要求
1.一種配水壓控制系統，控制從配水地經由泵向配水管網配水時的從該泵向該配水管網的配水壓，其特征在于，具備 管道阻力模型生成部，基于在上述配水管網與上述泵之間設置的輸出壓力計測器所計測的輸出壓、在從上述配水管網接受供水的配水目的地的水管與該配水管網之間設置的末端壓計測器所計測的末端壓、以及在上述配水管網與上述泵之間設置的流量計測器所計測的流量，生成該配水管網的管道阻力模型，該配水管網的管道阻力模型反映了規定等級的模型化誤差所造成的影響； 壓力損失計算部，基于上述管道阻力模型和配水壓控制系統所預先具有的配水流量模式，計算在上述配水管網中產生的水壓的壓力損失量； 目標輸出壓計算部，接收末端壓的目標值，并基于上述壓力損失量和末端壓的目標值，計算目標輸出壓；以及 轉速控制部，控制上述泵的轉速，以達到上述目標輸出壓。
2.如權利要求I所述的配水壓控制系統，其特征在于， 上述管道阻力模型生成部基于上述輸出壓、上述末端壓以及上述流量，生成反映了通過最小二乘法產生的標準誤差的管道阻力模型。
3.如權利要求I所述的配水壓控制系統，其特征在于， 按規定的每個周期，上述壓力損失計算部計算壓力損失量，上述目標輸出壓計算部計算目標輸出壓，上述轉速控制部控制泵的轉速。
4.如權利要求3所述的配水壓控制系統，其特征在于， 還具備臨時處理部，該臨時處理部基于在上述配水管網的規定的位置上設置的流量計測器所計測的流量，判斷該流量是否滿足規定的條件，在該流量滿足規定的條件的情況下，與上述周期無關地使上述壓力損失計算部基于上述管道阻力模型和在上述配水管網與上述泵之間設置的流量計測器所計測的流量來計算壓力損失量，使上述目標輸出壓計算部計算目標輸出壓，并使上述轉速控制部控制泵的轉速。
5.如權利要求3所述的配水壓控制系統，其特征在于， 還具備臨時處理部，該臨時處理部基于在上述配水管網的規定的位置上設置的流量計測器所計測的流量，在該流量滿足規定的條件的情況下， 使上述管道阻力模型生成部基于在上述規定的位置上設置的流量計測器所計測的流量、在上述配水管網與上述泵之間設置的流量計測器所計測的流量、上述輸出壓以及上述末端壓，生成管道阻力模型， 與上述周期無關地使上述壓力損失計算部基于該管道阻力模型和在上述配水管網與上述泵之間設置的流量計測器所計測的流量來計算壓力損失量，使上述目標輸出壓計算部計算目標輸出壓，并使上述轉速控制部控制泵的轉速。
6.如權利要求4或5所述的配水壓控制系統，其特征在于， 設置流量計測器的上述配水管網的規定的位置是向設置在上述配水管網中的消火栓的配水口。
全文摘要
一種能夠高精度地控制配水管網的末端壓的配水壓控制系統，具備管道阻力模型生成部，基于在配水管網與泵之間設置的輸出壓力計測器所計測的輸出壓、在從配水管網接受供水的配水目的地的水管與該配水管網之間設置的末端壓計測器所計測的末端壓、以及在配水管網與泵之間設置的流量計測器所計測的流量，生成反映了由規定等級的模型化誤差產生的影響的該配水管網的管道阻力模型；壓力損失計算部，基于管道阻力模型和預先由配水壓控制系統具有的配水流量模式，計算在配水管網中產生的水壓的壓力損失量；目標輸出壓計算部，接收末端壓的目標值，并基于壓力損失量和末端壓的目標值，計算目標輸出壓；以及轉速控制部，控制泵的轉速以達到目標輸出壓。
文檔編號E03B7/07GK102677740SQ201210070079
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月16日 優先權日2011年3月18日
發明者佐藤達廣, 安富弘泰, 栗棲宏充, 田所秀之, 足立進吾, 高橋信補 申請人:株式會社日立制作所