(57)【要約】【課題】  回生電力失効量を低減させた機器の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】  上記課題を解決するため本制御装置１０１は、列車運行情報１０３、列車型式情報１０５又は乗客数の情報１０４を利用して回生電力を予測する回生電力予測部１０６と、駅関連施設における制御対象機器以外の消費電力を予測する駅ビル消費電力予測部１０７と、回生電力量予測部１０５の情報と駅ビル消費電力予測部１０７との情報をもとに利用可能な電力を予測する利用可能電力予測部１０８と、を備える。【選択図】  図１
2019073137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
列車運行情報、列車型式情報又は乗客数の情報を利用して回生電力を予測する回生電力予測部と、
駅関連施設における制御対象機器以外の消費電力を予測する駅ビル消費電力予測部と、
前記回生電力量予測部の情報と前記駅ビル消費電力予測部との情報をもとに利用可能な電力を予測する利用可能電力予測部と、を備える運転制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の運転制御装置であって、
列車運転履歴から得られる列車減速情報を利用して列車減速パターンを予測する列車減速パターン予測部を有し、前記回生電力予測部は前記列車減速パターン予測部の情報、前記列車運行情報、前記列車型式情報及び前記乗客数の情報を利用して回生電力を予測することを特徴とする運転制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の運転制御装置であって、
前記利用可能電力予測部の情報及び前記制御対象機器に関する情報をもとに前記外部機器の運転計画を作成する運転計画作成部と、を備えることを特徴とする運転制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の運転制御装置であって、
前記制御対象機器に関する情報が室温情報、室内利用情報、電力価格情報、空調機情報又は対象空間情報であることを特徴とする運転制御装置。
【請求項５】
列車運行情報、列車型式情報又は乗客数の情報を利用して回生電力を予測する回生電力予測部と、
駅関連施設における制御対象機器及びEV車以外の消費電力を予測する駅ビル消費電力予測部と、
前記回生電力量予測部の情報と前記駅ビル消費電力予測部との情報をもとに利用可能な電力を予測する利用可能電力予測部と、を備える運転制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の運転制御装置であって、
列車運転履歴から得られる列車減速情報を利用して列車減速パターンを予測する列車減速パターン予測部を有し、前記回生電力予測部は前記列車減速パターン予測部の情報、前記列車運行情報、前記列車型式情報及び前記乗客数の情報を利用して回生電力を予測することを特徴とする運転制御装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の運転制御装置であって、
前記利用可能電力予測部の情報、駐車しているEV車駐車情報及び前記制御対象機器に関する情報をもとに前記EV車及び外部機器の運転計画を作成する運転計画作成部と、を備えることを特徴とする運転制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載の運転制御装置であって、
前記制御対象機器に関する情報が室温情報、室内利用情報、電力価格情報、空調機情報又は対象空間情報であることを特徴とする運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回生エネルギーを利用するための機器の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道会社の消費電力は列車運行にかかる割合が6割を占めており、省エネのために回生電力を無駄なく利用することが重要となる。列車間の融通で使いきれない消費電力は蓄電池を利用して貯蔵して利用する方法があり、これに関して蓄電池の運用に関する特開2015-24689号（特許文献1）の技術がある。この公報には、「電車と前記地上蓄電設備の情報のうち少なくとも一方の情報及び前記走行予測に基づいて前記蓄電池の充放電タイミングを含む充放電計画を作成する制御部と、を備え、前記制御部は、回生失効が発生する回数と充電する回数に対応した複数の充放電パターンを作成し、前記複数の充放電パターンの中から、前記電車における充放電計画を、消費電力に基づいて決定することを特徴とする」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2015-24689号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、鉄道会社では省エネのため回生電力の利用が進められている。これに関して、列車間融通で回生電力が使いきれない場合に直流電力変換装置を通じて駅関連設備へと電力を送り、照明等の各種設備に利用する方式が実施されつつある。この方式の場合、発生する回生電力に対して電力需要が下回れば、回生電力を失効してしまう。これに対して、特許文献1記載のように蓄電池を利用することで回生電力を蓄え、需要がある時間帯に使う方法があるが、そのためには蓄電池の導入が必要である。
【０００５】
そこで、本発明では回生電力失効量を低減させた機器の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため本制御装置は、列車運行情報、列車型式情報又は乗客数の情報を利用して回生電力を予測する回生電力予測部と、駅関連施設における制御対象機器以外の消費電力を予測する駅ビル消費電力予測部と、前記回生電力量予測部の情報と前記駅ビル消費電力予測部との情報をもとに利用可能な電力を予測する利用可能電力予測部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、回生電力失効量を低減させた機器の制御装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】制御装置101の構成図
【図２】回生電力量予測部106の処理フロー
【図３】回生電力量予測部106によって得られる回生電力の予測量の例
【図４】駅および駅ビルの空調以外の消費電力予測107の例
【図５】駅および駅ビルの空調で利用可能な電力
【図６】実施例1における空調機運転計画の概要
【図７】実施例1における空調機運転計画作成部112の処理フロー
【図８】実施例2における本発明の制御装置101の構成図
【図９】列車の速度変化の履歴
【図１０】実施例3における本発明の制御装置101の構成図
【図１１】空調機運転計画作成部112の処理フロー
【図１２】実施例4における本発明の制御装置101の構成図
【図１３】実施例4における空調機の運転計画の概要
【図１４】実施例4における空調機運転計画作成部112の処理フロー
【図１５】実施例5における本発明の制御装置101の構成図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施例を図面を用いて説明する。  
【実施例１】
【００１０】
図1は、実施例1における本発明の制御装置101の構成図の例である。制御装置101は、
ネットワーク102を介して得られる列車運行情報103と乗客数情報104、および列車型式情報105を入力として、駅側の施設で使用可能となる回生電力の量を予測する回生電力量予測部106と、
回生電力量予測部106の出力と、駅および駅ビルの空調以外の消費電力予測107を入力として、空調で利用可能となる残りの電力を算出する空調利用可能電力予測部108と、
空調利用可能電力予測部108の出力と、空調対象の室温情報109と、運転制御の対象となる空調機の情報110と、対象空間情報113を利用して空調機の運転計画を作成して、空調機111を制御する空調機運転計画作成部112からなる。
【００１１】
以下、各要素についてその詳細を示す。
【００１２】
列車運行情報103は各列車が現状どの位置を走っているかを表す情報であり、列車の運行系システムから取得できる。乗客数情報104は各列車に乗車している人員の数である。列車型式情報105は、列車の編成・重量・加速度・減速前の速度および列車エネルギーから回生電力への変換係数についての情報である。
【００１３】
回生電力量予測部106はこれらの情報から回生電力量を予測する。その処理内容を図2のフローに示す。まず、列車運行情報103を用いて、列車回生電力が発生する時刻を予測する(S201)。次に、列車型式情報105から、編成による列車全体の重量を求める(S202)。次に、乗客数情報104を元に、乗客による重量を求め、S202で求めた重量と足し合わせ、列車全体の重量を求める(S203)。次に、S203で求めた重量及び、列車型式情報105の加速度を元に減速時に列車全体から失われる運動エネルギーの時間変化を求める(S204)。次に、S204の結果に列車型式情報105の変換係数を掛け合わせて、発生する回生電力を求める(S205)。発車する列車がある場合はS201〜S204と同じ手順で、加速に必要なる電力を求めS205で求めた回生電力から減算して駅側で使用可能な電力を求める(S206)。
【００１４】
S203で乗客による重量を求める際は、単位人数あたりの重量を事前に求めておいて人数とかけ合わせるなどする。単位人数あたりの重量については、一般的な成人の重量等の統計データを用いてもよいし、あるいは時間帯ごとに客層なども含めて事前に求めておいた一人当たりの平均値を用いても良い。なお、本実施例では乗客数の情報を元にその重量を求めるとしているが、列車上の人や荷物などの重量をリアルタイムに測定していてその情報がネットワーク102を介して入手できれば、乗客数情報104に代えてその値を用いても良い。
【００１５】
S204で減速時に列車全体から失われる運動エネルギーの求め方を以下に示す。まず走行時の列車の運動エネルギーは数1で表される。
【００１６】
【数１】
2019073137.tif 000003
【００１７】
ここで、Eは運動エネルギー、Mは乗客を除いた列車全体の質量、mは全乗客の質量、vは列車の速度である。これより、減速による単位時間当たりの運動エネルギーの変化量は以下の数2で表される。
【００１８】
【数２】
2019073137.tif 000004
【００１９】
ここでaは列車の加速度である。例えば一定加速度で減速するとすれば、減速前の速度をvfとしてv=vf-atと記述できるため、時間変化を求めることができる。ここでtは減速を開始してからの経過時間である。列車運動エネルギーの全てを回生電力として回収することはできないためS205にて補正係数をかけることで、実際に取り出せる電力を求める。式は以下数3で表される。
【００２０】
【数３】
2019073137.tif 000005
【００２１】
ここでαは補正係数である。補正係数については一定値を用いても良いし、あるいは速度に応じて変化するなどの条件があればそれに応じたパラメータとしても良い。
【００２２】
S206では、S201〜204と同様の手順で発車する列車が加速に用いる電力を求める。まずS201と同様に列車が加速するためのエネルギーを消費する時刻を予測し、S202,203と同じ処理を行い、最後にS204と同様に加速度を元にして必要なエネルギーを求める。そして、最後にS205で得られた回生電力から、加速する列車に融通される電力を減算して残りの電力を求めることで、駅関連設備へと融通可能な電力を求めることができる。
【００２３】
以上により、列車停止時に発生する回生電力を求めることができる。
【００２４】
続いて、空調利用可能電力予測部108の処理について示す。まず、回生電力量予測部106によって得られる回生電力の予測量の例を図3に、駅および駅ビルの空調以外の消費電力予測107の例を図4に示す。それぞれ同じ時間スケールで示している。図3の301〜303に示すように列車回生電力は鋭いピーク上に発生する。一方、駅側で消費する電力は朝の立上げ時を除けば図4に示すように回生電力に比べて変動は小さい。空調利用可能電力予測部108では、それぞれの差分をとって駅および駅ビルの空調で利用可能な電力を求める。図3と図4に示した電力を元に得られる結果を図5に示す。301〜303の回生電力がそれぞれ501〜503に対応している。この値を求める際、単純に減算しても良いが、使える回生電力がロスなどの影響で予想よりも少なくなる等の傾向があればその分の影響を考慮するため、一定量を設定してさらに減算するなどの処理を実施しても良い。
【００２５】
続いて、空調機運転計画作成部112の処理について示す。
【００２６】
室温情報109は、空調機111が対象としている空間の温度である。空調機情報110は空調機の出力に対する消費電力の関係を与える情報である。対象空間情報113は空調の対象となっている空間に対して、空調機の出力によって変動する温度および部屋の快適性を求めるために必要な情報を含む。113が含む情報を以下に具体的に示す。まず対象空間の温度が空調機の出力により、どのように変化するかを求めるため、対象とする空間の熱負荷に対する温度変動を表すモデルが必要となる。モデルには物理式から得られるホワイトボックスモデルを用いても良いし、あるいは実績データから得られる係数をモデルに組み込んだグレーボックスモデルやブラックボックスモデルを用いても良い。一例として、地下空間を対象にして壁を3分割して温度変化を考慮する場合の室温変化モデルを表す式を以下の数4に示す。
【００２７】
【数４】
2019073137.tif 000006
【００２８】
ここでkは時刻を表す添字、Twは壁の温度(0〜2は各層の番号を表し、0が外側)、Trは室温、Δtは解析の時間刻み間隔、Cwは壁の熱容量、rは壁の熱抵抗、Rwは壁・室内間の熱抵抗、Crは室内の熱容量、Tearthは地中温度、Qpは人体発熱による熱負荷、Qoutは換気による熱負荷、Qairは空調機からの出力である。
【００２９】
またモデル式に含まれる入力条件である各種熱負荷の時刻毎の情報(日射量、外気温度、換気による顕熱負荷・潜熱負荷、人体熱負荷、照明・機器熱負荷等)も本対象空間情報113に含む。また室内の湿度変動を考慮する場合には外気湿度の情報も含める。快適性の指標に関しては、温度を直接用いても良いし、あるいは各種快適性指標(不快指数やPMV(予測冷温感申告)等)を用いても良い。
【００３０】
続いて空調機運転計画作成部112で立案する空調機運転計画の概要について、時刻に対する快適性を示した図6を用いて説明する。601は許容される快適性の範囲であり、上下限については設定値とする。例えばPMVを快適性の指標とする場合には±0.5の範囲とするのが一般的である。図に示した快適性変動について、602は本発明による空調計画を用いず回生電力が発生した際に単純にその電力を用いる場合であり、603は本発明による場合である。時刻604は空調で使用可能な回生電力が発生する時刻である。単純に余った回生電力を空調機に回す場合、この時刻まで快適性を一定に保ち、そこから空調出力を強めていく。一方で、本発明の場合は回生電力が発生する前の時刻605から空調機の出力を変化させる。まず空調機の出力を弱めるかまたはオフにすることで、室温を上げて快適性を上限近くにする。続いて時刻604で回生電力が発生した際602の場合と同様に快適性の下限近くまで回生電力を利用する。これにより、本発明によって回生電力の失効量を減らすことができる。
【００３１】
次に、本運転計画を立案するための空調機運転計画作成部112の具体的な立案方法について以下に示す。なお、本実施例では各空調機の対象空間が大フロアにある複数の空調機をまとめて制御する場合等を想定して単一である場合について記載しており、利用状況等が異なる複数の部屋に分かれている場合については実施例3に記載する。処理フローを図7に示す。
【００３２】
まず、空調で利用可能な回生電力を、空調出力の増加分に用いた場合の快適性の変化量を求める(S701)。次に、快適性の設定値を変化させずに回生電力を空調出力増加分に用いた場合、快適性の下限値を下回るかどうか判定する(S702)。S702の判定がNOの場合には、快適性の設定を維持し、回生電力発生時に、その電力を空調出力の増加分に用いる計画とする(S703)。S702の判定がYESの場合には、回生電力を全て用いたときに快適性の下限値に達する快適性指標の値を求める。(快適性上限値を超える場合は上限値とする)(S704)。次に、回生電力の発生時刻にS704で求めた快適性指標の値となるように空調出力を変化させる時刻605を求める(S705)。続いてこれらの結果より、時刻605にて空調出力を変化させ、回生電力発生時にその電力を空調出力の増加分に用いるとした計画とする(S706)。
【００３３】
S701,703,706において回生電力を空調出力の増加分とする場合、複数の空調機が対象であるため、各空調機で利用できる回生電力を按分して演算する。S705,706において変化させる空調出力の値については、予め指定しておくか、あるいはオフにすることで0にするなどする。
【００３４】
以上により作成した運転計画を元に空調機111を直接制御する、あるいは作成した運転計画をBEMS(Building Energy Management System)等の空調機を制御可能なシステムに送付して制御させることで、蓄電池を導入することなく回生電力失効量を低減するための空調機の運転が実現できる。
【実施例２】
【００３５】
図8は、実施例2における本発明の制御装置101の構成図の例である。本実施例によれば、回生電力量予測部106による回生電力の予測精度を向上させ、より精度の高い空調運転計画を立案することが可能となる。本実施例における制御装置101は、列車運転履歴801と列車減速パターン予測部802が追加されている点が実施例1と異なる。実施例1では列車加速度が一定の場合を例に記載しているが、その加速度は実際には一定ではなく、また運転手による操作であるため、運転手の癖なども影響して変動する。そこで、まず列車運転履歴801として各駅、時間帯、天気などの様々な状況に対して列車の速度変化の履歴を取得する。その例を図9に示す。速度と加速度が一定の場合(901)に対して、早めに減速する場合や(902)や、遅めに減速する場合(903)で速度変化パターンが異なる。また加速度も一定値とはならない。列車減速パターン予測部802はこの情報を元に、回生電力予測対象の列車の速度パターンを予測する。そのための手段は既存の種々の予測技術を利用する。例えば、単純には運転手ごとに平均を取ってもよいし、あるいは様々な条件に対する予測を行うため、ディープラーニング等の人工知能による予測技術を用いても良い。発生する回生電力は、この速度パターンを元に実施例1の場合と同様に数2および数3を用いて求められる。以降の処理は実施例1と同様である。
【００３６】
以上により、回生電力の予測精度を向上させ、より精度の高い空調運転計画を立案することが可能となる。
【実施例３】
【００３７】
図10は、実施例3における本発明の制御装置101の構成図の例である。本実施例によれば、空調機111の対象となる空間が複数あり、各空間の使用状況が異なっている場合における空調運転計画を立案することができる。本実施例における制御装置101は、室内利用情報1001が追加されている点が実施例1と異なる。室内利用情報1001は、複数の空間に対して各部屋の利用状況および今後の利用予定に関しての情報である。空調機運転計画作成部112ではこの情報を元に、回生電力の分配を行う。その処理フローを図11に示す。
【００３８】
まず室内利用情報1001の情報を元に、回生電力発生時以降に当面の間(時間は予め指定)使用予定がない部屋の空調機を運転計画の対象から外す(S1101)。次に、残りの部屋に対する回生電力の配分を決定する(S1102)。
【００３９】
S1102における回生電力の配分について、その配分の仕方については複数の方法が考えられる。例えば、各部屋に対して予め優先順位を設けておけばよい。この場合、S1101で除外された以外の各部屋に対して優先順位の高い空調機から順に図7に示したフローを用いて使用可能な回生電力を割り振っていき、割り振りができなくなるまで繰り返すことで計画を立案できる。優先順位は固定でなく、例えば急な熱負荷の上昇が見込まれる部屋に対してその優先度を上げるなど、時間帯で動的に異なるとしても良い。また対象となる部屋に、回生電力発生時点では人がおらず、しばらくたって温度が上昇してから利用することが予想される場合は図7のS702における快適性下限値を下回るような温度まで下げておいても良い。
【００４０】
以上により、空調機111の対象となる空間が複数あり、各空間の使用状況が異なっている場合における空調運転計画を立案することが可能となる。
【実施例４】
【００４１】
図12は、実施例4における本発明の制御装置101の構成図の例である。本実施例によれば、短時間で変動する電力価格に対応した空調運転計画を立案することができる。短時間変動の要因としては、リアルタイム・プライシング等により電力価格が細かい時間で変動する場合を想定している。本実施例における制御装置101は、電力価格情報1201が追加されている点が実施例1と異なる。電力価格情報1201は、各時刻の電力価格の予測値である。この場合の空調機の運転計画の概要を図6と対比して図13に示す。上側に電力価格、下側に快適性を示している。電力価格1301は簡単のため、図に示すように時刻1302から時刻605の間だけ一時的に高いとする。実施例1で示したように、電力価格に変化がない場合、快適性の推移は破線603で表されるものとなる。これに対して、本実施例の場合には電力価格が高い時刻1302から時刻605の間の電力消費を抑えるために、時刻1302から空調出力を弱めるかあるいは停止させている。このため快適性指標の値が快適性範囲601の上限近くまで増加している。そして、時刻605で快適性の上限付近に達した後に、再度空調を行い時刻604までその状況を維持している。時刻604以降は実施例1の場合と同様に回生電力を用いて空調出力を強めている。この空調機運転計画作成部112の処理フローを図14に示す。S701-704は同じである。S704に続いて、回生電力の発生時刻までにS704で求めた快適性指標の値となるような時刻を電力価格変動を踏まえた上で求める(S1401)。続いて、S1401で求めた時刻にて空調出力を変化させ、回生電力発生時にその電力を空調出力の増加分に用いるとした計画とする(S1402)。
【００４２】
S1402において時刻604までに電力価格変動に応じてどの時間帯に空調出力を変化させるかは、時間変動する電力単価を入力とし、時刻604に目標の快適性に達することを制約条件として空調出力を最適化変数とした最適化問題を解くことで求められる。
【００４３】
以上により、短時間で変動する電力価格に対応した空調運転計画を立案することが可能となる。
【実施例５】
【００４４】
図15は、実施例5における本発明の制御装置101の構成図の例である。本実施例によれば、回生電力の利用先として駅周辺のEV駐車場と連携している場合において空調機の運転計画およびEVの充電計画を立案することができる。本実施例では駐車しているEVを何らかの契約により駅の蓄電池として利用できる場合を想定している。本実施例における制御装置101は、入力にEV駐車情報1501が追加され、空調機運転計画作成部112が空調機運転・EV充電計画作成部1502に、駅および駅ビルの空調以外消費電力予測107が駅および駅ビルの空調・EV以外消費電力予測1504に、空調利用可能電力予測部108が空調・EV利用可能電力予測部1503となり、出力先にEV充電装置1505が追加されている点が実施例1と異なる。空調機運転・EV充電計画作成部1502は駅および駅ビルの空調以外消費電力予測107と動作は同じで回生電力量から駅および駅ビル空調・EV以外消費電力予測1504を引いて空調機とEVで利用可能な電力を求める。次に、空調機運転・EV充電計画作成部1502は得られた電力とEV駐車情報1501を利用して、空調機111とEV充電装置1505に対する運転計画を立てる。EV駐車情報1501は、計画立案時点におけるEVの駐車台数と今後の台数予測である。回生電力の発生以後、予め定めた時間内、あるいは時刻までにEVの台数が減ってしまい、蓄電した電力を有効に使えないと判断した場合には優先して空調機に割振って残りをEVに蓄電する。あるいは、今後EVの台数が減らず蓄電池としての有効活用が可能と判断した場合にはEVに優先的に充電して残りの電力を空調機に割振る。そのための方法としては、例えば指定した時間間隔あるいは時刻に対するEVの台数に対して何台まで、あるいは何割のEVが減少するかといった閾値を設けておき、EV駐車情報から予測値を用いて判定したりなどする。
【００４５】
以上により、回生電力の利用先として駅周辺のEV駐車場と連携している場合において空調機の運転計画およびEVの充電計画を立案することができる。
【００４６】
なお、実施例2,3,4,5で拡張されている機能は独立しており、一部を組み合わせたり、あるいは全てを組み合わせるなどしても良い。
【００４７】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD（Solid State Drive）等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
【符号の説明】
【００４８】
101…制御装置
102…ネットワーク
103…列車運行情報
104…乗客数情報
105…列車型式情報
106…回生電力量予測部
107…駅および駅ビルの空調以外の消費電力予測
108…空調利用可能電力予測部
109…室温情報
110…空調機の情報
111…空調機
112…空調機運転計画作成部
113…対象空間情報
【図１】
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【図２】
2019073137.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2019073137.tif 000017
【図１２】
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【図１３】
2019073137.tif 000019
【図１４】
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【図１５】
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