(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送配水システムの浄水池および配水池と、前記浄水池から前記配水池に送水を行うポンプの各情報を格納した記憶装置と、
所定の節電要請および前記各情報に基づき、前記節電要請が示す節電時間帯に関し、所定時間おきの前記ポンプの運転台数を決定変数、前記節電時間帯の各時刻における前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和を目的関数とし、各配水池の担う配水区における時刻毎の水需要量予測値と該当配水池に送水するポンプの運転台数とに基づく各配水池の水位予測値が、所定の運用上下限を満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する演算装置と、
を備えることを特徴とするポンプ運用計画システム。
【請求項２】
前記演算装置は、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の各時刻における前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和である前記目的関数の関数値の中で最大のものを最小化する、ミニマックス最適化の処理を実行するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ運用計画システム。
【請求項３】
前記演算装置は、
前記各配水区における時刻毎の水需要量予測値と、前記浄水池から送水を受けられない状況となった配水池が需要家への配水を維持すべき最低限の規定時間と、に基づき、各配水池の各時刻の水位が、前記送水の停止から前記規定時間の間に水需要量予測値が示す水需要に応えうるものとなる、各配水池の各時刻の運用下限水位を算定する処理を更に実行し、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記各配水池の水位予測値が、前記算定した各時刻の運用下限水位を各時刻で満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ運用計画システム。
【請求項４】
前記演算装置は、
接続された２つの配水池のうち前記浄水池に近い一方の配水池が担う配水区の水需要量予測値と、前記一方の配水池から送水を受ける他方の配水池の水需要量予測値と、前記浄水池から送水を受けられない状況となった前記一方および他方の各配水池が各該当配水区の需要家への配水を維持すべき最低限の規定時間と、に基づき、
前記一方および他方の各配水池の各時刻の水位が、前記送水の停止から前記規定時間の間に各水需要量予測値が示す水需要に応えうるものとなる、前記各配水池の各時刻の運用下限水位、あるいは、前記一方および他方の各配水池の各時刻の水位が満たすべき条件式を算定する処理を更に実行し、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記各配水池の水位予測値が、前記算定した各時刻の運用下限水位を各時刻で満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ運用計画システム。
【請求項５】
前記演算装置は、
前記決定変数における前記ポンプの運転台数を３０分未満の所定時間おきのものとして、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ運用計画システム。
【請求項６】
前記演算装置は、
前記決定変数における所定時間を複数種類とした場合の、各種類の所定時間に対応した決定変数を用いて、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を、各種類の所定時間ごとに決定し、当該決定した各種類の計画値のうち、前記目的関数を最適化するもので、かつ、前記所定時間が最も大きいものを最終的なポンプ運転台数の計画値と特定する処理を更に実行するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ運用計画システム。
【請求項７】
前記演算装置は、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の経過した後の第２の時間帯において、前記配水池に送水するポンプを上限運転台数で運転した場合の前記配水池の水位予測値が運用下限以上となることを求める制約条件を追加し、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ運用計画システム。 
【請求項８】
前記演算装置は、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の到来直前の時間帯において、各配水池の水位予測値が運用上限となることを求める制約条件を追加し、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ運用計画システム。
【請求項９】
前記演算装置は、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、複数台のポンプのうち、計画対象外の所定ポンプについて、所定の従来運用に対応したアルゴリズムで運転計画を決定し、当該決定した従来運用の所定ポンプに関する運転計画を、前記複数台のポンプのうち計画対象のポンプに関する前記数理計画法のアルゴリズムにおける入力の１つとし、前記節電時間帯における前記計画対象のポンプの運転台数の計画値を決定するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ運用計画システム。
【請求項１０】
前記演算装置は、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和である前記目的関数の関数値の中で最小のものを最大化する、ミニマックス最適化の処理を実行するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ運用計画システム。 
【請求項１１】
送配水システムの浄水池および配水池と、前記浄水池から前記配水池に送水を行うポンプの各情報を格納した記憶装置を備えたコンピュータシステムが、
所定の節電要請および前記各情報に基づき、前記節電要請が示す節電時間帯に関し、所定時間おきの前記ポンプの運転台数を決定変数、前記節電時間帯の各時刻における前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和を目的関数とし、各配水池の担う配水区における時刻毎の水需要量予測値と該当配水池に送水するポンプの運転台数とに基づく各配水池の水位予測値が、所定の運用上下限を満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、
ことを特徴とするポンプ運用計画方法。
【請求項１２】
前記コンピュータシステムが、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の各時刻における前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和である前記目的関数の関数値の中で最大のものを最小化する、ミニマックス最適化の処理を実行する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ運用計画方法
【請求項１３】
前記コンピュータシステムが、
前記各配水区における時刻毎の水需要量予測値と、前記浄水池から送水を受けられない状況となった配水池が需要家への配水を維持すべき最低限の規定時間と、に基づき、各配水池の各時刻の水位が、前記送水の停止から前記規定時間の間に水需要量予測値が示す水需要に応えうるものとなる、各配水池の各時刻の運用下限水位を算定する処理を更に実行し、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記各配水池の水位予測値が、前記算定した各時刻の運用下限水位を各時刻で満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ運用計画方法。
【請求項１４】
前記コンピュータシステムが、
接続された２つの配水池のうち前記浄水池に近い一方の配水池が担う配水区の水需要量予測値と、前記一方の配水池から送水を受ける他方の配水池の水需要量予測値と、前記浄水池から送水を受けられない状況となった前記一方および他方の各配水池が各該当配水区の需要家への配水を維持すべき最低限の規定時間と、に基づき、
前記一方および他方の各配水池の各時刻の水位が、前記送水の停止から前記規定時間の間に各水需要量予測値が示す水需要に応えうるものとなる、前記各配水池の各時刻の運用下限水位を算定する処理を更に実行し、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記各配水池の水位予測値が、前記算定した各時刻の運用下限水位を各時刻で満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ運用計画方法。
【請求項１５】
前記コンピュータシステムが、
前記決定変数における前記ポンプの運転台数を３０分未満の所定時間おきのものとして、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ運用計画方法。
【請求項１６】
前記コンピュータシステムが、
前記決定変数における所定時間を複数種類とした場合の、各種類の所定時間に対応した決定変数を用いて、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を、各種類の所定時間ごとに決定し、当該決定した各種類の計画値のうち、前記目的関数を最適化するもので、かつ、前記所定時間が最も大きいものを最終的なポンプ運転台数の計画値と特定する処理を更に実行する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ運用計画方法。
【請求項１７】
前記コンピュータシステムが、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の経過した後の第２の時間帯において、前記配水池に送水するポンプを上限運転台数で運転した場合の前記配水池の水位予測値が運用下限以上となることを求める制約条件を追加し、前
記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ運用計画方法。 
【請求項１８】
前記コンピュータシステムが、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の到来直前の時間帯において、各配水池の水位予測値が運用上限となることを求める制約条件を追加し、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ運用計画方法。
【請求項１９】
前記コンピュータシステムが、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、複数台のポンプのうち、計画対象外の所定ポンプについて、所定の従来運用に対応したアルゴリズムで運転計画を決定し、当該決定した従来運用の所定ポンプに関する運転計画を、前記複数台のポンプのうち計画対象のポンプに関する前記数理計画法のアルゴリズムにおける入力の１つとし、前記節電時間帯における前記計画対象のポンプの運転台数の計画値を決定する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ運用計画方法。
【請求項２０】
前記コンピュータシステムが、
前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和である前記目的関数の関数値の中で最小のものを最大化する、ミニマックス最適化の処理を実行する、
ことを特徴とする請求項１１に記載のポンプ運用計画方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ運用計画システムおよびポンプ運用計画方法に関するものであり、具体的には、任意の時間帯における電力使用の各種要請に対応し、送配水システムにおいて各条件を踏まえた好適な電力使用形態を確立する計画の立案を可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
資源コストの高止まりが常態化する状況等もあり、電力需要家に需要抑制を促して電力消費のピークカットや平準化を図るいわゆるデマンドレスポンスの手法が注目されている。そこで、こうしたデマンドレスポンスに関する従来技術として、以下の技術が提案されている。
【０００３】
すなわち、節電要請に応えられるピークシフト送水計画の提供を目的として、浄水池から配水池への送水における電力消費を、電力料金および前記配水池の水位に基づき、節電要請のある時間帯からシフトさせるピークシフト工程を含むピークシフト送水計画方法（特許文献１参照）などが提案されている。この技術においては、1日の送水量を電力料金
が最も安い時間帯である夜間時にピークが来るよう電力料金テーブルに基づいて計画する。このとき、最低水位を下回らずデマンドを超えないようにピークシフトの送水量を決定する。その後水位を基準に最安単価終了時刻やその他の送水量を決定する。最大単価時間帯は送水しなければ水位が維持できない場合は送水する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−６７４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
浄水場と水需要家とを結ぶ送配水システムにおける配水池は、浄水場からポンプ圧送されてくる水を一旦蓄え、これを下流の配水対象に向けポンプを介して供給する、いわゆるバッファ機能を果たすものである。こうした配水池は、大規模災害に伴う一部機能停止など非常時の給水に備えるべく、容量に余裕を持たせた仕様となっているケースが多い。そのため、従来技術の如く送水時間帯の変更を行うとしても水位維持が図りやすく、節電要請に応えやすい施設の一つとされる。
【０００６】
ところが従来においては、電力料金テーブルにて規定する特定の時間帯に基づいて送水計画を行う構成となっており、任意の時間帯に関する節電要請に対し、柔軟に対応することは困難である。そうした節電要請が、例えば５分先などごく近い将来に関するものであれば、その困難さは更に増し、実際には対応出来ない事態となる。
【０００７】
また、電力料金には着目するものの、時間変化するはずの配水池の上下限水位や送水可能量など、送配水システムにおいて重要な各条件を併せて踏まえることなく計画策定を行う場合、各配水池の配置や配水池間の接続形態、或いはポンプの運用形態など実際の送配水システムの構成に則した計画内容を得られないという問題もあった。
【０００８】
一方、上述のデマンドレスポンスとは逆に、再生可能エネルギーによる非安定的な発電形態の増加に伴い、送電系統にて過剰となる電力の消費要請を行う場合も想定されるが、勿論、従来技術ではこうした状況に対応して計画を立案することは出来ない。
【０００９】
そこで本発明の目的は、任意の時間帯における電力使用の各種要請に対応し、送配水システムにおいて各条件を踏まえた好適な電力使用形態を確立する計画の立案を可能とする技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明のポンプ運用計画システムは、送配水システムの浄水池および配水池と、前記浄水池から前記配水池に送水を行うポンプの各情報を格納した記憶装置と、  所定の節電要請および前記各情報に基づき、前記節電要請が示す節電時間帯に関し、所定時間おきの前記ポンプの運転台数を決定変数、前記節電時間帯の各時刻における前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和を目的関数とし、各配水池の担う配水区における時刻毎の水需要量予測値と該当配水池に送水するポンプの運転台数とに基づく各配水池の水位予測値が、所定の運用上下限を満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する演算装置と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のポンプ運用計画方法は、送配水システムの浄水池および配水池と、前記浄水池から前記配水池に送水を行うポンプの各情報を格納した記憶装置を備えたコンピュータシステムが、所定の節電要請および前記各情報に基づき、前記節電要請が示す節電時間帯に関し、所定時間おきの前記ポンプの運転台数を決定変数、前記節電時間帯の各時刻における前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和を目的関数とし、各配水池の担う配水区における時刻毎の水需要量予測値と該当配水池に送水するポンプの運転台数とに基づく各配水池の水位予測値が、所定の運用上下限を満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、任意の時間帯における電力使用の各種要請に対応し、送配水システムにおいて各条件を踏まえた好適な電力使用形態を確立する計画の立案が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態のポンプ運用計画技術を適用する送配水システムの構成例を示す図である。
【図２】本実施形態におけるポンプ運用計画システムの構成例を示す図である。
【図３】本実施形態における需要量データベースの構成例を示す図である。
【図４】本実施形態における気象情報データベースの構成例を示す図である。
【図５】本実施形態における設備情報データベースの構成例を示す図である。
【図６】本実施形態におけるポンプ運用計画方法の処理手順例１を示すフロー図である。
【図７】本実施形態において立案される電力逼迫時のポンプ運用計画例を示す図である。
【図８】本実施形態における運用下限水位の例を示す図である。
【図９】本実施形態における配水池の接続形態の例１を示す図である。
【図１０】本実施形態における配水池の接続形態の例２を示す図である。
【図１１】本実施形態において周期別に立案したポンプ運用計画での平均消費電力の比較例を示す図である。
【図１２】本実施形態におけるポンプ運転に応じた水位変化と運用下限水位との関係例を示す図である。
【図１３】本実施形態において水位を運用上限とするポンプ運用計画を示す図である。
【図１４】本実施形態におけるポンプ運用計画方法の処理手順例２を示すフロー図である。
【図１５】本実施形態において電力余剰時に対応したポンプ運用計画例を示す図である。
【図１６】本実施形態におけるポンプ運用計画システムをクラウドに実装した場合のシステム構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
−−−送配水システムの例−−−
【００１５】
まず、本実施形態のポンプ運用計画技術を適用する送配水システムについて説明する。図１は、本実施形態のポンプ運用計画技術を適用する送配水システム１００の構成例を示す図である。ここで例示する送配水システム１００は、水源１から取水ポンプ１０によって導水管１１０経由で得た水を浄化する浄水場２、この浄水場２で浄化された水を一旦貯留する浄水池３、浄水池３から送水ポンプ場Ａ〜Ｃの各送水ポンプ１１〜１３によって送水される水を送水管１０１、１０２、１０３経由で受け入れて貯留し、下流の各水需要家に供給する複数の配水池４〜６、を少なくとも含む構成となっている。なお、以降の説明において、配水池間の区別を必要としない場合には、配水池４を代表させて記載することとする。同様に、送水ポンプ場間の区別を必要としない場合には、送水ポンプ場Ａを代表させて記載することとする。また、送水ポンプ間の区別を必要としない場合には、送水ポンプ１１を代表させて記載することとする。また、各配水池４，５，６が水の供給を担当するエリアを配水区と称する。この配水区には上述の水需要家が所在している。
【００１６】
また、各配水池４〜６と各水需要者との間は、配水管１０４、１０５、１０６をそれぞれ介して接続されている。この配水管１０４、１０５、１０６による水需要家への配水形態は、重力エネルギーを利用したものを想定したが、配水池４〜６が水需要量の所在地より低地にある場合などは、適宜な配水ポンプを利用した配水形態を採用することになる。また、上述の各送水ポンプ場における送水ポンプは、例えば固定速ポンプであり該当経路における流量は並列運転する送水ポンプの運転台数で制御可能となっている。つまり、送水ポンプ場Ａ〜Ｃのそれぞれは、複数台の送水ポンプを備えている。
【００１７】
なお、図１に例示した送配水システム１００はあくまで一例であって、配水池４や送水ポンプ場Ａ、送水ポンプ１１が図１の構成例よりも多く配置された系であっても良い。また、２つの配水池４を接続した構成を想定するとしても良い。
【００１８】
−−−ポンプ運用計画システムの構成−−−
【００１９】
続いて本実施形態におけるポンプ運用計画システム２０００の構成例について説明する。図２は、本実施形態のポンプ運用計画システム２０００の構成例を示す図である。図２に示すポンプ運用計画システム２０００は、図１にて例示した送配水システム１００について各送水ポンプ場の送水ポンプ運転計画を策定するものであり、任意の時間帯における電力使用の各種要請に対応し、送配水システム１００において各条件を踏まえた好適な電力使用形態を確立する計画の立案を可能とするコンピュータシステムである。
【００２０】
また、本実施形態のポンプ運用計画システム２０００は、図２にて示すように監視制御システム２１１とＬＡＮ２１０を介して通信可能に接続されている。この監視制御システム２１１は、上述の送配水システム１００におけるポンプ運転制御や配水池４の水位計測を行うシステムである。従ってポンプ運用計画システム２０００は、この監視制御システム２１１から、送配水システム１００における各設備の観測値（過去ログを含むとしてもよい）を取得可能である。観測値には、浄水池３および配水池４の各水位、各送水ポンプ場の送水ポンプの稼働状況などが該当する。
【００２１】
こうしたポンプ運用計画システム２０００のハードウェア構成は以下の如くとなる。  ポンプ運用計画システム２０００は、通信機能を備えた一般的なコンピュータとして構成されており、ＣＰＵなど適宜な演算装置であるプロセッサ２００、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等の記憶デバイスであるメモリ２０１、キーボード、マウス、タッチパネル等の入力デバイスを含むデータ入力手段２０２、表示モニタ、プリンタ等の出力デバイスを含む出力手段２０５、及び、ネットワークインターフェースカード等の通信モジュール等である通信手段２０９を少なくとも備えている。
【００２２】
このうち上述のプロセッサ２００は、メモリ２０１に格納されているプログラムを実行することで、ポンプ運用計画システム２０００として必要な機能として、需要予測手段２０３および運用計画立案手段２０４を実装する装置となる。すなわち、図２で例示する需要予測手段２０３および運用計画立案手段２０４の実体はプログラムである。また、メモリ２０１は、プロセッサ２００による演算処理に利用される各種データを格納しており、配水池１０４から水需要家になされた配水量の履歴データを記憶した需要量データベース２０６（図３参照）、各配水区に関する過去の気象データを蓄積した気象情報データベース２０７（図４参照）、および、送配水システム１００における各配水池４の運用上下限水位、配水池断面積、導水管、送水管、配水管の流量の上下限、ポンプの性能情報（定格電力、定格流量、揚程、ポンプ動作時の流量、消費電力など）の情報を格納した設備情報データベース２０８（図５参照）、を保持している。
【００２３】
こうしたポンプ運用計画システム２０００を用いてポンプ運用計画の立案を行う計画立案者は、上述のデータ入力手段２０２を用いて、ポンプ運用計画を策定する時間帯、すなわち電力事業者から受け取った電力の節電要請や消費要請が示す時間帯（例：１３時から１６時）を含む所定時間帯や、ポンプ運用計画の時間刻み（例：１５分ごと、３０分ごと、１時間ごと）、水需要量予測の予測期間（例：翌日の０時から２４時まで）や予測周期（例：１５分ごと、１時間ごと）といった各値を指定することになる。
【００２４】
一方、上述の需要予測手段２０３は、データ入力手段２０２を介して計画立案者から入力された各情報と、メモリ２０１の需要量データベース２０６および気象情報データベース２０７にそれぞれ格納されている情報とを用い、計画立案者指定の予測期間における各配水池４の配水区に関する各時刻での水需要量予測を行う。ここでの水需要量予測の手法としては、需要量データベース２０６の格納データのうち、予測期間と同時期（例：同月、同季節など）の同時刻についての水需要量データであり、予測期間に関して得られる気象予測値と同じ気象条件の時期に関するデータを、該当配水区における各時刻の水需要量予測値として特定するパターンマッチング法等を採用出来る。またこの他にも、重回帰法、ニューラルネットワーク法など既知の様々な予測手法を適宜に用いるとしてよい。
【００２５】
また、運用計画立案手段２０４は、上述の需要予測手段２０３が予測した、各時刻に関する水需要量予測値と、設備情報データベース２０８に格納されている各配水池４の運用上下限水位情報および各送水ポンプ場の送水ポンプの消費電力情報と、通信手段２１０を経て監視制御システム２１１から得た配水池４の最新水位および各送水ポンプ場の送水ポンプ運転台数の情報と、データ入力手段２０２から得たポンプ運用計画対象の所定時間帯やポンプ運用計画の時間刻み、といった各情報を用いて、上述の節電要請や消費要請が指定する将来のポンプ運用計画（各送水ポンプ場における送水ポンプ運転台数の計画）を策定する。
【００２６】
本実施形態において、まずは、上述の所定時間帯における各送水ポンプ場の送水ポンプによる消費電力を極力抑制する運用計画の策定を行うものとする。すなわち、電力事業者や電力アグリゲータからの節電要請（ＤＲ要請：デマンドレスポンプ要請）に対応したポ
ンプ運用計画を立案する例についてまずは説明する。
−−−処理手順例１−−−
【００２７】
以下、本実施形態におけるポンプ運用計画方法の実際手順について図に基づき説明する。以下で説明するポンプ運用計画に対応する各種動作は、ポンプ運用計画システム２００００におけるメモリ２０１のプログラムによって実現される。そして、このプログラムは、以下に説明される各種の動作を行うためのコードから構成されている。
【００２８】
図６は、本実施形態におけるポンプ運用計画方法の処理手順例１を示すフロー図であり、図７は本実施形態において立案される電力逼迫時のポンプ運用計画例を示す図である。ここでは図７に示したポンプ運用計画例を踏まえつつ、ポンプ運用計画方法の処理について説明するものとする。
【００２９】
まず、ステップ４０１において、ポンプ運用計画システム２０００需要予測手段２０３は、データ入力手段２０２より、ポンプ運用計画の策定対象となる所定時間帯（例：１３時から１６時）やポンプ運用計画の時間刻み（例：１５分ごと、３０分ごと、1時間ごと
）、水需要量の予測期間（例：翌日の０時から２４時まで）や予測周期（例：１５分ごと、1時間ごと）といった各入力情報を読み込む。
【００３０】
続いてステップ４０２において、需要予測手段２０３は、上述の需要量データベース２０６および気象情報データベース２０７の情報を用いて、上述した既存手法に応じた適宜なアルゴリズムによって、上述の予測期間における各配水区の水需要量を予測周期ごとに予測する。
【００３１】
次にステップ４０３において、運用計画立案手段２０４は、上述したように、設備情報データベース２０８の情報、需要予測手段２０３から得た水需要量予測値、監視制御システム２１１から入手する送配水システム１００の情報を用いて、後述する数1から数１０
にて示す運用計画問題を解く。
【００３２】
またステップ４０４において、運用計画立案手段２０４は、上述のステップ４０３によって得た運用計画問題の解、すなわち各送水ポンプ場の送水ポンプの運用計画（運転台数）の情報を、出力手段２０５に表示して、上述の計画立案者に提示する。ここで提示したポンプ運用計画は、デマンドレスポンスの要請がなされた時間帯（節電時間帯：以下、ＤＲ要請時間帯）における各送水ポンプ場の送水ポンプの最大消費電力を最小化するもので、最大限に送水ポンプ消費電力を抑制する計画値になる。
【００３３】
図７にポンプ運用計画の策定結果例を示す。ここでは、ポンプ運用計画の策定結果である各送水ポンプ場Ａ〜Ｃの送水ポンプ運転台数のグラフ３０２、３０４、３０６に加え、各配水池Ａ〜Ｃ（配水池４〜６に対応）の水位３０１、３０３、３０５、および各送水ポンプ場Ａ〜Ｃのトータルの送水ポンプ消費電力３０７、の各グラフを時間軸を揃えで並列させたものとする。こうした各グラフにおけるグレーアウト部分がＤＲ要請時間帯３００であり、その時間帯の直前（例えば５分前）に、電力事業者から節電要請が来たと仮定する。また、ＤＲ要請時間帯３００の時間幅が例えば３時間であったとする。
【００３４】
この場合、送水ポンプ場Ａでは、ＤＲ要請時間帯３００の開始から最初の２時間は、各送水ポンプをＯＦＦ（運転台数を０）にする計画となっている。また送水ポンプ場Ｂでは、ＤＲ要請時間帯３００における最初と最後の1時間だけ各送水ポンプをＯＦＦ（運転台
数を０）にする計画となっている。また送水ポンプ場Ｃでは、ＤＲ要請時間帯３００のうち最後の２時間だけ各送水ポンプをＯＦＦ（運転台数を０）にする計画となっている。いずれの送水ポンプ場も、ＤＲ要請時間帯３００である３時間のうち1時間は送水ポンプの
運転を行うことで送水対象の配水池における水位が運用下限（図７の該当グラフにおける点線）を下回らぬよう計画されている。
【００３５】
図７のポンプ運用計画例に示すように、３つの送水ポンプ場の各送水ポンプ運転タイミングが同時刻で重ならないよう計画することで、ＤＲ要請時間帯３００での各送水ポンプ場での送水ポンプ消費電力を合計したトータル消費電力３０７のピーク抑制が可能である。つまり、ＤＲ要請時間帯３００におけるトータルの送水ポンプ消費電力を最小化できる。
【００３６】
上述した概念でポンプ運用計画を厳密に行うためには、以下の数１〜数１０に示す数理計画問題を、ポンプ運用計画システム２０００が解法することで各送水ポンプ場における送水ポンプ運用計画を策定することとなる。ここでのポンプ運用計画策定における時間刻み（周期）は１５分とした。
【００３７】
【数１】
0006283606.tif 000002
【００３８】
【数２】
0006283606.tif 000003
【００３９】
【数３】
0006283606.tif 000004
【００４０】
【数４】
0006283606.tif 000005
【００４１】
【数５】
0006283606.tif 000006
【００４２】
【数６】
0006283606.tif 000007
【００４３】
【数７】
0006283606.tif 000008
【００４４】
【数８】
0006283606.tif 000009
【００４５】
【数９】
0006283606.tif 000010
【００４６】
【数１０】
0006283606.tif 000011
【００４７】
ここに、Ｘ：ＤＲ要請時間帯の全送水ポンプ場Ａ〜Ｃの１５分ごとの送水ポンプ運転台数を成分に持つ行列（ｎ×２Ｔ）、ｔ：時刻を表す整数（１時刻は３０分に相当、例えばｔ＝０が１０時０分、ｔ＝１が１０時３０分を表す）、t’：時刻を表す整数（1時刻は１５分に相当、例えば、ｔ＝０が１０時０分、ｔ＝１が１０時１５分を表す）、Ｔ：ＤＲ要請時間帯の終了時刻を表す定数（１５分刻みの場合は時刻０から時刻２ＴがＤＲ要請時間帯、３０分刻みの場合は時刻０から時刻ＴがＤＲ要請時間帯になる）、Ｅｔ：時刻ｔ−１から時刻ｔの３０分間の各送水ポンプ場の送水ポンプ消費電力の総和の平均値（ｋＷ）、et’：時刻t’−１から時刻ｔ’の１５分間の各送水ポンプ場の送水ポンプ消費電力の総
和（ｋＷ）、xt’：時刻t’−１から時刻ｔ’における各送水ポンプ場の送水ポンプ運転
台数を成分にもつベクトル（ｎ×１）（成分は０か１の値をとる）、ｎ：送水ポンプ場の数（ここでは３）、a,b：定数ベクトル（１×ｎ）（送水ポンプ運転台数を消費電力に換
算する係数を成分に持つもの）、１：全ての成分が１の定数ベクトル（ｎ×１）、li,t’：配水池i（0≦i≦n）の時刻ｔ’の水位、Δｔ：スケジューリング刻みを表す定数（ここでは０．２５[１５分]に設定）、Sｉ：配水池iの断面積、ｆt’： 時刻t’−１から時刻
ｔ’の各配水池向け送水量を成分にもつベクトル（ｎ×１）、ｆmax,t’：ＤＲ要請時間
帯の終了後の時刻ｔ’における各配水池向け最大送水量（上限送水量）を成分にもつベクトル（ｎ×１）、ｄi,t’: 時刻t’−１から時刻ｔ’の１５分間における各配水池が担当する配水区の総需要量、ｃi：定数ベクトル（１×ｎ）（配水池ごとの接続形態によって
値は異なる）、Ａ,Ｂ：定数ベクトル（n×n）（各送水ポンプ場の送水ポンプ運転台数を
流量に換算するためのもの。対角成分以外は０になる。）、lmin,i,t’：配水池iの時刻
ｔ’の運用下限水位、lmax,i：配水池iの運用上限水位、xi,t’： 配水池iへ送水する送
水ポンプ場の時刻t’−１から時刻ｔ’の１５分間の送水ポンプ運転台数、fi,t’：配水
池iへの時刻t’−１から時刻ｔ’の１５分間の送水量である。
【００４８】
また、上述の数１は、送水ポンプの３０分平均消費電力を与えるものであり、数２の１５分ごとの消費電力計算値の平均により算出される。このように３０分平均を用いるのは、現在日本では、３０分平均の電力量で電力代金が決定されているためのである。数１により、ＤＲ要請時間帯における３０分平均電力の時系列中の最大値が最小となる全送水ポンプ場の送水ポンプ運転台数Ｘが決定される。数４から数７で、ＤＲ要請時間帯とＤＲ要請時間帯終了後の所定時間帯における水位変化を計算して、その計算結果である水位が運用上下限に収まるような制約を与えている。ＤＲ要請時間帯終了後の制約を与えるのは、ＤＲ要請時間帯終了後の運用で配水池の水位が運用下限を下回るのを避けるためである。
また、数８では、現時刻をｔ’として、以後１２時間の水需要量予測値を用いて、各配水区の水需要家に１２時間継続供給可能な配水池水位を求め、これを下限水位として与えている。
【００４９】
このように下限水位を時刻に応じて変化させる理由を図８に基づいて説明する。図８は、本実施形態における需要量予測値と運用下限水位の各グラフ例を示す図である。この図８において、運用下限水位グラフ８２０における固定運用下限水位５０３として示すように、従来運用下では下限水位は固定値であった。しかしながら運用下限水位は、事故や停電によりポンプによる送水（浄水池３から配水池４への送水）がストップした場合でも、ある程度の時間（例えば１２時間）、該当配水区の需要家に対して水の継続供給を可能とする貯留量の確保を目的に設定されるものである。ここで、水の需要量は、一般に図８の需要量予測値グラフ８１０における水需要量予測値５０１として示すように、ある２つの時刻でピークを持つ波形となりやすい。従って各時刻において、１２時間の継続給水が可能となる水位すなわち運用下限水位は異なることになる。厚労省の指針では、１２時間程度の継続給水が可能な水位を各配水池にて確保することが望ましいとされている。そこで本実施形態のポンプ運用計画システム２０００は、数８に基づき、水需要量予測値から運用下限水位を計算することとした。その計算結果を一例は、図８における可変運用下限水位５０２の点線のようになる。図８で示す例では、水需要量予測値５０１が１つのピークを迎える６時の数時間前で運用下限水位５０２が最高となる。
【００５０】
上述の例では、図９にて示すように、ポンプ５０により浄水池３から送水された浄水が１つの配水池５００を経て需要家に給水される構成を想定したものとなっていた。一方、配水池が２つ接続した構成も珍しくない。そこで図１０に基づいて、配水池が２つ接続した構成である場合の運用下限水位の求め方を以下に示す。図１０に示す構成の場合、第１配水池６０１と比べて浄水池３から遠い位置にある第２配水池６０２では、第１配水池６０１から給水を受けるためのポンプ６０４がストップした場合が最悪の状況であり、その場合に１２時間継続して、配水管６０８を介した需要家への給水可能な水位を運用下限水位とすればよい。一方、第１配水池６０１では、ポンプ６０３がストップして浄水池３からの水供給が断たれた状況下で、ポンプ６０４は稼働可能の状態である場合が最悪の状況であり、この場合に配水池１から配水管６０７を介した需要家への給水が１２時間継続できる水位を求める必要がある。
【００５１】
ここで、時刻ｔにおける配水池１の運用下限水位をLL1(t)、配水池２の水位をL(2)とし、時刻ｔ直後から１２時間における配水池１，２からの総配水量（需要量）を、それぞれ、Ｖ１（ｔ）、Ｖ２（ｔ）、配水池１，２の断面積をＳ１，Ｓ２とする。この時、１２時間後に配水池１，２が同時に空になる条件は以下となる。
【００５２】
Ｓ１・ＬＬ１（ｔ）＋Ｓ２・Ｌ２（ｔ）＝Ｖ１（ｔ）＋Ｖ２（ｔ）    （数１１）
数１１をＬ１について、    
【００５３】
ＬＬ１（ｔ）＝（Ｖ１（ｔ）＋Ｖ２（ｔ）−Ｓ２・Ｌ２（ｔ））/Ｓ１（数１２）
【００５４】
これが、配水池１における時刻ｔの運用下限水位を与える式になる。時刻ｔの配水池１の水位をＬ１（ｔ）とすると、ポンプ運用計画システム２０００は、以下の制約式を上述の運用計画問題で加味し計画問題を解法すれば良いことになる。
【００５５】
Ｌ１（ｔ）≧（Ｖ１（ｔ）＋Ｖ２（ｔ）−Ｓ２・Ｌ２（ｔ））/Ｓ１  （数１３）
【００５６】
なお、運用計画問題においてＶ１（ｔ）、Ｖ２（ｔ）は需要量予測値から算出される定数値になる。
【００５７】
次に、上述の運用計画問題においてポンプ運用計画（運転台数）策定の時間刻みを１５分とした理由について、図１１に基づき説明する。我が国における消費電力の計測周期が３０分であることから、１日の送水ポンプ消費電力量を最小化するポンプ運用計画においても３０分刻みでの計画策定とすることが一般的である。しかしながら、上述のポンプ運用計画のように、３０分ごとの平均消費電力の最大値を最小化する問題を扱う場合、１０分や１５分刻みのように、３０分より短い時間刻みで計画を立てるほうが、ピーク電力をより削減できる可能性が広がることになる。
【００５８】
図１１に示す、時系列上のポンプ運転台数とその平均消費電力の対応関係を示す各グラフ７００〜７０２のうち、グラフ７００は従来通りポンプ運転を３０分刻みで計画した場合の平均消費電力を示しており、該当送水ポンプの消費電力を５０ｋＷとすると、該当送水ポンプを運転した１０時半から１１時までの３０分間の平均消費電力は、そのまま５０ｋＷになる。
【００５９】
一方、グラフ７０１、７０２はポンプ運転を１５分刻みで計画した場合の平均消費電力を示しており、ポンプ運転の時間帯を３０分離間させて分散させることで、送水ポンプの総運転時間は３０分で変わらないが、１０時半から１１時までの３０分間の平均消費電力は２５ｋＷ、同様に１１時から１１時半までの３０分間の平均消費電力も２５ｋＷとなり、各時間帯におけるピーク電力を半減できる。このことは、３０分ごとの電力計測周期（評価周期）の中でポンプ運転を分散させることで実現されるものである。この実現に際しては、上述のようにポンプ運転計画の時間刻みを３０分より小さくすれば良いが、過度に時間刻みを小さくした場合、運用計画問題の規模（決定変数の数）が大きくなり、解法時間が膨大になる恐れがある。従って現実的には１５分、１０分程度の時間刻みが妥当である。
【００６０】
次に、上述の数４、数６でＤＲ要請時間帯後の制約を設けた理由について図１２に基づき説明する。ここで、送配水システム１００の各送水ポンプ場における契約電力の関係から、送水ポンプ運転台数の上限を1台と仮定している。なお、送水ポンプ２台の同時運転
は契約電力以上の電力消費を招き、基本電力料金が増大してコスト増につながるので避けるべきことである。
【００６１】
図１２にて例示するように、配水池水位８０３が、ＤＲ要請時間帯８０２中には運用下限水位８０４より十分高くとも、ＤＲ要請時間帯８０２の終了後、運用下限水位８０４を割り込む場合がある。これは、配水池４から需要家への配水量（需要量）が、浄水池３から配水池４への水の供給量を上回る場合に起こりうる現象である。これを避けるため、ポンプ運用計画システム２０００は、ＤＲ要請時間帯８０２の終了後、運転台数上限の送水ポンプを運転するとの仮定で（上述の数６に相当）、ＤＲ要請時間帯８０２の終了後の或る時間帯で、上述の数４にて計算される水位が運用下限水位以上になるという制約（数７）を設けて問題解法を行えば良い。図１２の下段にて、この場合の制約（数７）を例示した。ここで、WS（ｔ）は時刻ｔでの送水ポンプによる配水への浄水供給量、D(t)は時刻ｔでの需要量、Sは配水池断面籍である。このように問題解法を行って計画立案することに
より、ＤＲ要請時間帯８０２の終了後も配水池４の水位が運用下限水位を割り込む事態を防ぐことができる。なお、ポンプ運用計画システム２０００は、上述の数４の取り扱いに際し、時刻０の水位の値が必要になるが、この値はＬＡＮ２１０を介して監視制御から取得するものとする。
【００６２】
なお、上述のように定式化した数理計画問題（min-max問題）は、補助変数の設定で等
価な混合整数計画問題に変換できる。この場合、数理計画問題は、混合整数計画のソルバーで解法可能である。
【００６３】
また上述の例では、送水ポンプ場が３つである構成を前提とした例を示したが、実際の送配水システムにおいては、数多くのポンプ場を設置するケースが多い。よって、そのようなケースで送水ポンプ消費電力のピーク電力を最大限削減し、ＤＲ要請時間帯における消費電力を平準化するためには、上述で述べたように数理計画問題を計算機で解くことが必須となる。
【００６４】
次に、図１３に基づき、ＤＲ要請の通知がＤＲ要請時間帯の１２時間前、或いは、1日
前などＤＲ要請時間帯開始、すなわちＤＲ実施まで時間的に余裕がある場合のポンプ運用計画の例について説明する。図１３の水位グラフ９５０にて示すように、従来運用における配水池水位９０２は、ＤＲ実施前に運用上限水位９０４と運用下限水位９０５の中間程度に維持される。そのため、ポンプ運転台数グラフ９６０にて示すように、ＤＲ時間帯９０３において水位が運用下限水位９０５に早く到達し、ＤＲ時間帯９０３の後半にてポンプを起動させる必要が生じてしまい、送水ポンプＯＦＦを継続できない。一方、本実施形態のポンプ運用計画での配水池水位９０１（図中：提案運用）は、ＤＲ開始時刻前に送水ポンプＯＮを継続して水位を運用上限水位近くにもってゆく。これにより、ポンプ運転台数グラフ９７０にて示すように、ＤＲ実施時間帯９０３内は送水ポンプＯＦＦを維持できることとなる。従ってピーク電力削減を大きく行うことが可能になる。
【００６５】
この場合、ポンプ運用計画システム２０００は、上述の数理計画法のアルゴリズムによるポンプ運用計画の決定に際し、ＤＲ実施時間帯９０３の到来直前の時間帯において、各配水池の水位予測値が運用上限となることを求める制約条件を追加し、数理計画法のアルゴリズムによってＤＲ実施時間帯９０３における送水ポンプ運転台数の計画値を決定することとなる。この場合の処理については、上述のように制約条件を追加する以外、既に各数式に基づき述べた通りである。
【００６６】
次に、図１４に基づいて、複数の時間刻み（周期）でポンプ運用計画を立案し、その中でベストの計画を選択出力する処理について説明する。この処理は、図２、図１６の運用計画立案手段２０４で実行されるものである。
【００６７】
この場合、ステップ１２０１において、運用計画立案手段２０４は、ポンプ運用計画立案の時間刻みを、３０分、１５分、１０分の３種として、この３種類のポンプ運用計画（送水ポンプ運転台数の計画）を立案する。
【００６８】
時間刻み１５分のポンプ運用計画を立案するための運用計画問題は、前述した通り（数１から数１０）である。一方、３０分および１０分刻みのポンプ運用計画を立案する計画問題については後述する。
【００６９】
次にステップ１２０２において、運用計画立案手段２０４は、上述の３種の時間刻みのうち他の時間刻みよりピーク電力が小さくなるポンプ運用計画があるか判定する。この判定の結果、該当ポンプ運用計画が存在した場合（１２０２：Ｙ）、運用計画立案手段２０４は、ステップ１２０３に処理を遷移させる。他方、上述の判定の結果、該当ポンプ運用計画が存在しなかった場合（１２０２：Ｎ）、運用計画立案手段２０４は処理をステップ１２０４に遷移させる。
【００７０】
続いてステップ１２０３において、運用計画立案手段２０４は、上述の３種の時間刻みの各ポンプ運用計画のうち、最もピーク電力が小さい運用計画案を、最終的な（最適な）運用計画案として特定し、出力手段２０５に出力する。
【００７１】
他方、ステップ１２０４において、運用計画立案手段２０４は、上述の３種の時間刻み
の各ポンプ運用計画のうち最もピーク電力が小さい運用計画案（各時間刻みのポンプ運用計画でピーク電力が全て同じとなる場合もある）のうち、時間刻みが最も大きい運用計画案を最終的な（最適な）運用計画案として出力手段２０５に出力し、処理を終了する。
【００７２】
なお、上述のステップ１２０４において、最小のピーク電力を与えるポンプ運用計画が複数存在する場合、時間刻みがもっとも大きいものを最終案とすることで、送水ポンプＯＮ／ＯＦＦの頻度を小さくして設備への負荷を軽減し、最小のピーク電力を実現できる効果がある。
【００７３】
なお、３０分刻みの運用計画問題は、以下のようになる。
【数１４】
0006283606.tif 000012
【数１５】
0006283606.tif 000013
【数１６】
0006283606.tif 000014
【数１７】
0006283606.tif 000015
【数１８】
0006283606.tif 000016
【数１９】
0006283606.tif 000017
【数２０】
0006283606.tif 000018
【数２１】
0006283606.tif 000019
【数２２】
0006283606.tif 000020
【数２３】
0006283606.tif 000021
【００７４】
ここに、Ｘ：ＤＲ要請時間帯の全ポンプ場の３０分ごとの送水ポンプ運転台数を成分に
持つ行列（ｎ×Ｔ）、ｔ：時刻を表す整数（１時刻は３０分に相当）、Ｔ：ＤＲ終了時刻を表す定数（時刻０から時刻ＴがＤＲ要請時間帯になる）、Ｅｔ：時刻ｔ−１から時刻ｔの３０分間の各送水ポンプの消費電力の総和の平均値（ｋＷ）、et：時刻t−１から時刻
ｔの３０分間の各送水ポンプの消費電力の総和（ｋＷ）、xt：時刻t−１から時刻ｔにお
ける各送水ポンプの運転台数を成分にもつベクトル（ｎ×１）（成分は０か１の値をとる）、ｎ：送水ポンプ場の数（ここでは３）、a,b：定数ベクトル（１×ｎ）（送水ポンプ
運転台数を消費電力に換算する係数を成分に持つもの）、１：全ての成分が１の定数ベクトル（ｎ×１）、li,t：配水池i（0≦i≦n）の時刻ｔの水位、Δｔ：スケジューリング刻みを表す定数（ここでは０．５[３０分]に設定）、Sｉ：配水池iの断面積、ｆt： 時刻t
−１から時刻ｔの各配水池向け送水量を成分にもつベクトル（ｎ×１）、ｆmax,t：ＤＲ
要請時間帯後の時刻ｔにおける各配水池向け最大送水量（上限送水量）を成分にもつベクトル（ｎ×１）、ｃi：定数ベクトル（１×ｎ）（配水池ごとの接続形態によって値は異
なる）、Ａ,Ｂ：定数ベクトル（n×n）（各送水ポンプ場合の送水ポンプ運転台数を流量
に換算するためのもの。対角成分以外は０になる。）、lmin,i,t：配水池iの時刻ｔの運
用下限水位、lmax,i：配水池iの運用上限水位、di,t：配水池iからの時刻t−１から時刻tの３０分間の総配水量（総需要量）、fi,t：配水池iへの時刻t−１から時刻ｔの３０分間の送水流量である。
【００７５】
一方、１０分刻みの運用計画問題は次のようになる。
【数２４】
0006283606.tif 000022
【数２５】
0006283606.tif 000023
【数２６】
0006283606.tif 000024
【数２７】
0006283606.tif 000025
【数２８】
0006283606.tif 000026
【数２９】
0006283606.tif 000027
【数３０】
0006283606.tif 000028
【数３１】
0006283606.tif 000029
【数３２】
0006283606.tif 000030
【数３３】
0006283606.tif 000031
【００７６】
ここに、Ｘ：ＤＲ要請時間帯の全ポンプ場の１０分ごとの送水ポンプ運転台数を成分に持つ行列（ｎ×２Ｔ）、ｔ：時刻を表す整数（１時刻は３０分に相当）、t’：時刻を表
す整数（１時刻は１０分に相当）、Ｔ：ＤＲ終了時刻を表す定数（１０分刻みの場合は時刻０から時刻３ＴがＤＲ要請時間帯、３０分刻みの場合は時刻０から時刻ＴがＤＲ要請時間帯になる）、Ｅｔ：時刻ｔ−１から時刻ｔの３０分間の各送水ポンプの消費電力の総和の平均値（ｋＷ）、et’：時刻t’−１から時刻ｔ’の１０分間の各送水ポンプの消費電
力の総和（ｋＷ）、xt’：時刻t’−１から時刻ｔ’における各送水ポンプの運転台数を
成分にもつベクトル（ｎ×１）（成分は０か１の値をとる）、ｎ：送水ポンプ場の数（ここでは３）、a,b：定数ベクトル（１×ｎ）（送水ポンプ運転台数を消費電力に換算する
係数を成分に持つもの）、１：全ての成分が１の定数ベクトル（ｎ×１）、li,t’：配水池i（0≦i≦n）の時刻ｔ’の水位、Δｔ：スケジューリング刻みを表す定数（ここでは１／３[１０分]に設定）、Sｉ：配水池iの断面積、ｆt’： 時刻t’−１から時刻ｔ’の各
配水池向け送水量を成分にもつベクトル（ｎ×１）、ｆmax,t’：ＤＲ要請時間帯後の時
刻ｔ’における各配水池向け最大送水量を成分にもつベクトル（ｎ×１）、ｄi,t’: 時
刻t’−１から時刻ｔ’の１０分間における各配水池が担当する配水区の総需要量（各配
水池からの総配水量）、ｃi：定数ベクトル（１×ｎ）（配水池ごとの接続形態によって
値は異なる）、Ａ,Ｂ：定数ベクトル（n×n）（各送水ポンプ場の送水ポンプ運転台数を
流量に換算するためのもの。対角成分以外は０になる。）、lmin,i,t’：配水池iの時刻
ｔ’の運用下限水位、lmax,i：配水池iの運用上限水位、fi,t’：配水池iへの時刻t’−
１から時刻ｔ’の１０分間の送水流量である。
【００７７】
以上で示した例においては、送水ポンプの消費電力の総和の３０分平均値を目的関数としたが、これに、図１の取水ポンプ１０の消費電力を加え、取水ポンプ１０の運転台数を含めて計画問題を定式化し、ポンプ運用計画を策定するとしても良い。この場合、計算負荷が大きくなるが、より厳密な（より大きな電力削減を可能とする）運用計画（ポンプ運転計画）の策定が可能になる。
【００７８】
また、上述の例では、送水ポンプ場が３つである場合のポンプ運用計画を策定したが、より送水ポンプ場が少ない、例えば２つの送水ポンプ場のみを対象にポンプ運用計画を策定するとしても良い。この場合、ポンプ運用計画システム２０００は、ポンプ運用計画の対象外であるポンプに関して、従来運用を行うとしてＤＲ要請時間帯の運用計画を策定し、それを数理計画問題（数１から数１０）の入力として与えて、本実施形態のポンプ運用計画対象のポンプのみについてポンプ運用計画を策定する。
【００７９】
ここまでで述べた手法は、電力需給が逼迫して電力事業者から節電要請が発信された場合に、送配水システム１００における電力ＤＲを実施する状況を踏まえたものである。一方、太陽光や風力発電など、再生可能エネルギーによる発電が電力系統に多く流入する状況を想定した場合、不安定な発電傾向に起因して電力系統における電力が余剰分を生じてしまう恐れもある。こうした場合に、電力事業者から電力の消費要請を受けたポンプ運用
計画システム２０００は、上述の余剰電力を送水ポンプの稼働による電力消費にて吸収するよう、ポンプ運用計画を策定することができる。
【００８０】
この場合、ポンプ運用計画システム２０００は、上述の数２の目的関数を−1倍したも
のを目的関数として用い、上述の決定変数のとりうる値を送水ポンプの上限運転台数か上限台数−1台とし、送水ポンプが電力消費しやすい条件にて解法する。−１倍することは
、消費電力時系列の中で最小のものが最大となるよう計画値を算出することを意味する。この解法自体は、既に述べた節電要請に対応したポンプ運用計画に関するものと同様である。
【００８１】
図１５に、こうした余剰電力消費に向けたポンプ運用計画の策定例を示す。ここでは、ポンプ運用計画の策定結果である各送水ポンプ場Ａ〜Ｃの送水ポンプ運転台数のグラフ１００２、１００４、１００６に加え、各配水池Ａ〜Ｃ（配水池４〜６に対応）の水位１００１、１００３、１００５、および各送水ポンプ場Ａ〜Ｃのトータルの送水ポンプ消費電力１００７、の各グラフを時間軸を揃えで並列させたものとする。こうした各グラフ１００１〜１００７におけるグレーアウト部分がＤＲ実施時間帯１０００であり、その時間帯の直前（例えば５分前）に、電力事業者から消費要請が来たと仮定する。また、ＤＲ実施時間帯１０００の時間幅は３時間であったとする。
【００８２】
この場合、運転台数グラフ１００２にて示すように、送水ポンプ場Ａでは、ＤＲ実施時間帯１０００の開始から最初の２時間は、各送水ポンプを２台ＯＮ（運転台数は上限）にする計画となっている。また運転台数グラフ１００４にて示すように、送水ポンプ場Ｂでは、ＤＲ実施時間帯１０００における最初と最後の1時間だけ各送水ポンプを２台ＯＮ（
運転台数は上限）にする計画となっている。また運転台数グラフ１００６にて示すように、送水ポンプ場Ｃでは、ＤＲ実施時間帯１０００のうち最後の２時間だけ各送水ポンプを２台ＯＮ（運転台数は上限）にする計画となっている。いずれの送水ポンプ場も、ＤＲ実施時間帯１０００である３時間のうち1時間は送水ポンプの運転を１台のみとすることで
送水対象の配水池における水位が運用上限を上回らぬよう計画されている。
【００８３】
図１５のポンプ運用計画例に示すように、３つの送水ポンプ場の各送水ポンプ運転タイミングが同時刻で重なるよう計画することで、ＤＲ実施時間帯１０００での各送水ポンプ場での送水ポンプ消費電力を合計したトータル消費電力１００７の最小値を最大化することが可能である。つまり、ＤＲ実施時間帯１０００におけるトータルの送水ポンプ消費電力を最大化できる。このように、目的関数をマイナス倍するなど評価関数をマイナス倍することは、送水ポンプにおける最小消費電力を最大化することを意味し、配水池４の水位が運用上下限に入る制約にて消費電力を平準化しつつ、送水ポンプにて極力多くの電力を消費するポンプ運用計画を得ることができる。このポンプ運用計画に従って送水ポンプの運用を行えば、上述の余剰電力を効果的に吸収できるようになる。
【００８４】
次に、上述のごときポンプ運用計画システム２０００によるポンプ運用計画立案のサービスを、クラウドシステムによって計画立案者に提供する形態について説明する。上述までの説明におけるポンプ運用計画システム２０００は、例えば水道事業体が自社で所有し活用するものである場合を想定していた。しかしながら、水道事業体によってはそうしたポンプ運用計画システム２０００を個別に開発、設置し、運用するよりも、ポンプ運用計画システム２０００の機能のみを効率良く利用したいとのニーズも存在する。
【００８５】
そこで図１６に、クラウドシステム１１００としてのポンプ運用計画システムの全体構成図を示す。この場合、水道事業体の監視制御システム１１０３は、ポンプ運用計画策定に必要な情報を、インターネットなどの適宜なネットワーク１１０２を介しクラウドシステム１１００に送信し、ポンプ運用計画立案依頼を行う。
【００８６】
一方のクラウドシステム１１００は、予め蓄積した顧客（水道事業体）ごとの情報（需要量データベース１１０６、設備情報データベース１１０８に格納）を活用し、需要予測手段１１０３で水需要量予測値を特定し、更に、運用計画立案手段１１０４でポンプ運用計画を上述のポンプ運用計画システム２０００と同様に作成し、その結果を監視制御システム１１０３に返すこととなる。クラウドシステム１１００における各処理は、上述のポンプ運用計画システム２０００と同様であり、備える機能も同様となる。
【００８７】
以上、本発明を実施するための最良の形態などについて具体的に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００８８】
こうした本実施形態によれば、任意の時間帯における電力使用の各種要請に対応し、送配水システムにおいて各条件を踏まえた好適な電力使用形態を確立する計画の立案が可能となる。
【００８９】
本明細書の記載により、少なくとも次のことが明らかにされる。すなわち、本実施形態のポンプ運用計画システムにおいて、前記演算装置は、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の各時刻における前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和である前記目的関数の関数値の中で最大のものを最小化する、ミニマックス最適化の処理を実行するものである、としてもよい。
【００９０】
これによれば、例えば節電時間帯での送水ポンプ消費電力を合計したトータル消費電力のピーク抑制、つまり節電時間帯におけるトータルの送水ポンプ消費電力を最小化する処理を効率的なものとできる。
【００９１】
また、本実施形態のポンプ運用計画システムにおいて、前記演算装置は、前記各配水区における時刻毎の水需要量予測値と、前記浄水池から送水を受けられない状況となった配水池が需要家への配水を維持すべき最低限の規定時間と、に基づき、各配水池の各時刻の水位が、前記送水の停止から前記規定時間の間に水需要量予測値が示す水需要に応えうるものとなる、各配水池の各時刻の運用下限水位を算定する処理を更に実行し、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記各配水池の水位予測値が、前記算定した各時刻の運用下限水位を各時刻で満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、としてもよい。
【００９２】
これによれば、配水池における運用水位の閾値について時間変化を特定し、これを踏まえた的確なポンプ運用計画を効率良く策定可能となる。
【００９３】
また、本実施形態のポンプ運用計画システムにおいて、前記演算装置は、接続された２つの配水池のうち前記浄水池に近い一方の配水池が担う配水区の水需要量予測値と、前記一方の配水池から送水を受ける他方の配水池の水需要量予測値と、前記浄水池から送水を受けられない状況となった前記一方および他方の各配水池が各該当配水区の需要家への配水を維持すべき最低限の規定時間と、に基づき、前記一方および他方の各配水池の各時刻の水位が、前記送水の停止から前記規定時間の間に各水需要量予測値が示す水需要に応えうるものとなる、前記各配水池の各時刻の運用下限水位を算定する処理を更に実行し、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記各配水池の水位予測値が、前記算定した各時刻の運用下限水位を各時刻で満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、としてもよい。
【００９４】
これによれば、配水池が連結された構成において想定される状況を踏まえた、的確なポンプ運用計画の効率的な作成が可能となる。
【００９５】
また、本実施形態のポンプ運用計画システムにおいて、前記演算装置は、前記決定変数における前記ポンプの運転台数を３０分未満の所定時間おきのものとして、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、としてもよい。
【００９６】
これによれば、ポンプ運用計画の対象時間帯における平均消費電力を効果的に低減するポンプ運用計画の策定が可能となる。
【００９７】
また、本実施形態のポンプ運用計画システムにおいて、前記演算装置は、前記決定変数における所定時間を複数種類とした場合の、各種類の所定時間に対応した決定変数を用いて、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を、各種類の所定時間ごとに決定し、当該決定した各種類の計画値のうち、前記目的関数を最適化するもので、かつ、前記所定時間が最も大きいものを最終的なポンプ運転台数の計画値と特定する処理を更に実行するものである、としてもよい。
【００９８】
これによれば、送水ポンプＯＮ／ＯＦＦの頻度を抑制しつつ、送水ポンプ消費電力を最も最小化するポンプ運用計画を効率良く作成することが可能になる。
【００９９】
また、本実施形態のポンプ運用計画システムにおいて、前記演算装置は、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の経過した後の第２の時間帯において、前記配水池に送水するポンプを上限運転台数で運転した場合の前記配水池の水位予測値が運用下限以上となることを求める制約条件を追加し、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、としてもよい。
【０１００】
これによれば、節電時間帯経過後に、配水池水位が運用下限水位を割り込むことを的確に回避するポンプ運用計画の策定が可能となる。
【０１０１】
また、本実施形態のポンプ運用計画システムにおいて、前記演算装置は、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の到来直前の時間帯において、各配水池の水位予測値が運用上限となることを求める制約条件を追加し、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定するものである、としてもよい。
【０１０２】
これによれば、節電時間帯における送水ポンプの稼働を出来るだけ回避し、節電要請に応えるポンプ運用計画の効率的な策定が可能となる。
【０１０３】
また、本実施形態のポンプ運用計画システムにおいて、前記演算装置は、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、複数台のポンプのうち、計画対象外の所定ポンプについて、所定の従来運用に対応したアルゴリズムで運転計画を決定し、当該決定した従来運用の所定ポンプに関する運転計画を、前記複数台のポンプのうち計画対象のポンプに関する前記数理計画法のアルゴリズムにおける入力の１つとし、前記節電時間帯における前記計画対象のポンプの運転台数の計画値を決定するものである、としてもよい。
【０１０４】
これによれば、本実施形態のポンプ運用計画の対象ではないポンプに関しても考慮に入れつつ、ポンプ運用計画の作成を行うことが出来ることとなり、ポンプ運用計画の精度が
更に良好なものとなる。
【０１０５】
また、本実施形態のポンプ運用計画方法において、前記コンピュータシステムが、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の各時刻における前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和である前記目的関数の関数値の中で最大のものを最小化する、ミニマックス最適化の処理を実行する、としてもよい。
【０１０６】
また、本実施形態のポンプ運用計画方法において、前記コンピュータシステムが、前記各配水区における時刻毎の水需要量予測値と、前記浄水池から送水を受けられない状況となった配水池が需要家への配水を維持すべき最低限の規定時間と、に基づき、各配水池の各時刻の水位が、前記送水の停止から前記規定時間の間に水需要量予測値が示す水需要に応えうるものとなる、各配水池の各時刻の運用下限水位を算定する処理を更に実行し、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記各配水池の水位予測値が、前記算定した各時刻の運用下限水位を各時刻で満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、としてもよい。
【０１０７】
また、本実施形態のポンプ運用計画方法において、前記コンピュータシステムが、接続された２つの配水池のうち前記浄水池に近い一方の配水池が担う配水区の水需要量予測値と、前記一方の配水池から送水を受ける他方の配水池の水需要量予測値と、前記浄水池から送水を受けられない状況となった前記一方および他方の各配水池が各該当配水区の需要家への配水を維持すべき最低限の規定時間と、に基づき、前記一方および他方の各配水池の各時刻の水位が、前記送水の停止から前記規定時間の間に各水需要量予測値が示す水需要に応えうるものとなる、前記各配水池の各時刻の運用下限水位を算定する処理を更に実行し、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記各配水池の水位予測値が、前記算定した各時刻の運用下限水位を各時刻で満たすことを求める制約条件の下、数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、としてもよい。
【０１０８】
また、本実施形態のポンプ運用計画方法において、前記コンピュータシステムが、前記決定変数における前記ポンプの運転台数を３０分未満の所定時間おきのものとして、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、としてもよい。
【０１０９】
また、本実施形態のポンプ運用計画方法において、前記コンピュータシステムが、前記決定変数における所定時間を複数種類とした場合の、各種類の所定時間に対応した決定変数を用いて、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を、各種類の所定時間ごとに決定し、当該決定した各種類の計画値のうち、前記目的関数を最適化するもので、かつ、前記所定時間が最も大きいものを最終的なポンプ運転台数の計画値と特定する処理を更に実行する、としてもよい。
【０１１０】
また、本実施形態のポンプ運用計画方法において、前記コンピュータシステムが、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の経過した後の第２の時間帯において、前記配水池に送水するポンプを上限運転台数で運転した場合の前記配水池の水位予測値が運用下限以上となることを求める制約条件を追加し、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、としてもよい。
【０１１１】
また、本実施形態のポンプ運用計画方法において、前記コンピュータシステムが、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の到来直前の
時間帯において、各配水池の水位予測値が運用上限となることを求める制約条件を追加し、前記数理計画法のアルゴリズムによって前記節電時間帯における前記ポンプの運転台数の計画値を決定する、としてもよい。
【０１１２】
また、本実施形態のポンプ運用計画方法において、前記コンピュータシステムが、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、複数台のポンプのうち、計画対象外の所定ポンプについて、所定の従来運用に対応したアルゴリズムで運転計画を決定し、当該決定した従来運用の所定ポンプに関する運転計画を、前記複数台のポンプのうち計画対象のポンプに関する前記数理計画法のアルゴリズムにおける入力の１つとし、前記節電時間帯における前記計画対象のポンプの運転台数の計画値を決定する、としてもよい。
【０１１３】
また、本実施形態のポンプ運用計画方法において、前記コンピュータシステムが、前記数理計画法のアルゴリズムによる前記計画値の決定に際し、前記節電時間帯の前記各ポンプの所定時間平均消費電力の総和である前記目的関数の関数値の中で最小のものを最大化する、ミニマックス最適化の処理を実行するとしてもよい。
【符号の説明】
【０１１４】
１  水源
２  浄水場
３  浄水池
４〜６  配水池
１１〜１３  送水ポンプ
１００  送配水システム
２０００  ポンプ運用計画システム
２００  プロセッサ（演算装置）
２０１  メモリ（記憶装置）
２０２  データ入力手段
２０３  需要予測手段
２０４  運用計画立案手段
２０５  出力手段
２０６  需要量データベース
２０７  気象情報データベース
２０８  設備情報データベース
２０９  通信手段
２１０  ＬＡＮ
２１１  監視制御装置
【図１】
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【図２】
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【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】
0006283606.tif 000039
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0006283606.tif 000043
【図１３】
0006283606.tif 000044
【図１４】
0006283606.tif 000045
【図１５】
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【図１６】
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