JP2012092538A - 水位制御装置および水位制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】下流側ダムの水位のハンチングを抑えつつ、目標とする水位に安定させることができる水位制御装置および水位制御方法を提供する。
【解決手段】下流側ダム３に貯留された水の水位と、上流側ダム２の発電機２Ｇの出力とを監視して前記下流側ダム３の水位を制御する水位制御装置４であって、前記水位制御装置４は、前記発電機２Ｇの目標出力Ｐ_ｍを演算する目標出力演算部４１と、前記目標出力演算部４１で演算された前記目標出力Ｐ_ｍに基づいて、前記発電機２Ｇの出力を調整する発電機出力調整部４２と、前記発電機２Ｇの出力を記憶する記憶部４４と、を備え、前記目標出力演算部４１は、前記下流側ダム３の現在水位Ｈ_ｂと、前記記憶部４４に記憶された前記発電機２Ｇの過去の出力とに基づいて、前記目標出力Ｐ_ｍを演算する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ダムの水位を制御する水位制御装置および水位制御方法に関するもので、特に上流側ダムの水力発電機の出力を調整して、上流側ダムから放流される水量を調整することで、下流側ダムの水位を制御する水位制御装置および水位制御方法に関する。

特許文献１には、ゲートを開閉制御して放流量を調整することによりダム水位を低下させるよう制御する「水位低下制御モード」またはダム水位を上昇させるよう制御する「ダム水位上昇制御モード」において、ダムの目標全放流量（ＭＱ）を、現在全放流量（ＴＯＱ）と比例項（Ｋｐ・Δｈ）を各項とする計算式：ＭＱ＝ＴＯＱ＋Ｋｐ・Δｈ（但し、ＴＯＱ：現在全放流量、Ｋｐ：比例係数、Δｈ：水位偏差、Δｈ＝ＤＷＬ−ＭＷＬ、ＤＷＬ：現在ダム水位、ＭＷＬ：目標ダム水位である。）によって算出するダム水位制御方法が開示されている。

特開２００３−３３０５４７号公報

上流側ダムと下流側ダムとが連接する連接水系において、上流側ダムの水力発電機の出力を調節して（即ち、ゲートの開度を調節して）、上流側ダムから放流される水量を調整することで、下流への放流量をコントロールして、下流にある下流側ダムの水位を制御する水位制御方法において、従来の水位制御方法では、下流側ダムの水位がハンチングしてしまい、水位を目標とする水位に安定させることができない場合があった。
また、従来の水位制御方法は、下流側ダムの水位変化に対して、上流側ダムの水力発電機の現在出力を基にして、目標となる発電機出力を計算し、出力の調節を行う制御方法であった。しかし、従来の水位制御方法では、上流側ダムから放流された水が下流側ダムに流れ込むまでに要する時間差（流下時間）により、上流側ダムからの放流している水量と下流側ダムに流れ込んでいる水量に差異が発生することがあり、そのような場合に、目標となる発電機出力の計算結果が適正な値とならず、その結果、下流側ダムの水位がハンチングしてしまうことがあった。

そこで本発明は、下流側ダムの水位のハンチングを抑えつつ、目標とする水位に安定させることができる水位制御装置および水位制御方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、請求項１に係る発明は、下流側ダムに貯留された水の水位と、上流側ダムの発電機の出力とを監視して前記下流側ダムの水位を制御する水位制御装置であって、前記水位制御装置は、前記発電機の目標出力を演算する目標出力演算部と、前記目標出力演算部で演算された前記目標出力に基づいて、前記発電機の出力を調整する発電機出力調整部と、前記発電機の出力を記憶する記憶部と、を備え、前記目標出力演算部は、前記下流側ダムの現在水位と、前記記憶部に記憶された前記発電機の過去の出力とに基づいて、前記目標出力を演算することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、下流側ダムに貯留された水の水位と、上流側ダムの発電機の出力とを監視して前記下流側ダムの水位を制御する水位制御装置の水位制御方法であって、前記水位制御装置は、前記発電機の目標出力を演算する目標出力演算ステップと、前記目標出力演算ステップで演算された前記目標出力に基づいて、前記発電機の出力を調整する発電機出力調整ステップと、前記発電機の出力を記憶する記憶ステップと、を備え、前記目標出力演算ステップは、前記下流側ダムの現在水位と、前記記憶ステップで記憶された前記発電機の過去の出力とに基づいて、前記目標出力を演算することを特徴とする。

本発明によれば、下流側ダムの水位のハンチングを抑えつつ、目標とする水位に安定させることができる水位制御装置および水位制御方法を提供することができる。

上流側ダムと下流側ダムとの関係の説明図である。 本実施形態に係る水位制御装置の機能ブロック図である。 本実施形態に係る水位制御装置が実行する水位制御処理を説明するフローチャートである。 本実施形態に係る水位制御装置により調整された上流側発電機の出力を示すグラフである。 本実施形態に係る水位制御装置により制御された下流側ダムの水位を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

図１は、上流側ダム２と下流側ダム３との関係の説明図である。
連接水系１には、上流側ダム２と、下流側ダム３とが設けられており、上流側ダム２から放流された水は下流側ダム３に流入する。上流側ダム２は、上流側ダム２に貯留された水を下流に放流することにより発電用水車（図示せず）を回転させ発電を行う上流側発電機２Ｇを備えている。下流側ダム３は、下流側ダム３に貯留された水の水位を検出する下流側ダム水位センサ３Ｓを備えている。
なお、図１には図示されていないが、上流側ダム２に貯留された水の水位を検出する上流側ダム水位センサ（図示せず）を備えていてもよい。また、図示されていないが、下流側ダム３に貯留された水を下流に放流することにより発電する下流側発電機（図示せず）を備えていてもよい。

≪水位制御装置≫
水位制御装置４は、上流側発電機２Ｇの出力と、下流側ダム水位センサ３Ｓを介して下流側ダム３の水位とが入力信号として入力される。また、水位制御装置４は、上流側発電機２Ｇの出力を調整することにより、下流側ダム３の水位を目標水位Ｈ_ｍ（図５参照）に安定させるように制御する。

水位制御装置４は、所定の制御周期Ｔ（図４，５参照）ごとに上流側発電機２Ｇの目標出力Ｐ_ｍを演算する。なお、図４において、制御周期時刻Ｔ_ａにおいて演算された目標出力Ｐ_ｍａである。
そして、水位制御装置４は、上流側発電機２Ｇの出力が演算された目標出力Ｐ_ｍとなるように上流側発電機２Ｇを調整する。そして、一定時間（次の制御周期時刻まで）上流側発電機２Ｇの出力を目標出力Ｐ_ｍで固定して、下流側ダム３の水位を監視する。この一連の処理を制御周期Ｔごとに繰り返し実行することで、下流側ダム３の水位を制御する。

図２は、本実施形態に係る水位制御装置４の機能ブロック図である。
水位制御装置４は、目標出力演算部４１と、発電機出力調整部４２と、発電機出力・水位変化監視部４３と、記憶部４４とを有している。
目標出力演算部４１は、所定の制御周期Ｔ（図４，５参照）ごとに上流側発電機２Ｇの目標出力Ｐ_ｍを演算する機能を有している。なお、上流側発電機２Ｇの目標出力Ｐ_ｍを演算する演算方法については、後述する。

発電機出力調整部４２は、上流側発電機２Ｇの出力を目標出力演算部４１で演算された目標出力Ｐ_ｍとなるように上流側発電機２Ｇを調整する機能を有している。例えば、発電機出力調整部４２は、上流側ダム２の上流側から下流側に連通する管路（図示せず）に設けられたゲート（図示せず）の開度を調整することにより、管路を流れる水の流量を調整して、上流側発電機２Ｇの出力を調整する。

発電機出力・水位変化監視部４３は、上流側発電機２Ｇの出力を受信して、記憶部４４の発電機出力記憶部４５に記憶する機能を有している。また、発電機出力・水位変化監視部４３は、下流側ダム水位センサ３Ｓの出力信号を受信して、記憶部４４の水位変化記憶部４６に記憶する機能を有している。

記憶部４４は、時間ごとの上流側発電機２Ｇの出力を記憶する発電機出力記憶部４５と、時間ごとの下流側ダム２の水位を記憶する水位変化記憶部４６とを有している。また、記憶部４４には、入力部（図示せず）から入力された下流側ダム３の目標水位Ｈ_ｍが記憶されている。

図３は、本実施形態に係る水位制御装置４が実行する水位制御処理を説明するフローチャートである。
ステップＳ１０１において、水位制御装置４の目標出力演算部４１は、上流側発電機２Ｇの目標出力Ｐ_ｍを演算する。

ここで、目標出力Ｐ_ｍは、過去の発電機平均出力Ｐ_ｐおよび貯水量補正出力Ｐ_ｈを用いて、以下に示す式（１）によって定義する。

まず、過去の発電機平均出力Ｐ_ｐについて、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る水位制御装置４により調整された上流側発電機２Ｇの出力を示すグラフである。
ここで、図４に示すＴ_ａは前回の制御周期時刻であり、Ｔ_ｂは今回の制御周期時刻であり、Ｔは制御周期である。
また、図４に示すように、前回の制御周期時刻Ｔ_ａにおいて、水位制御装置４により、前回の目標出力Ｐ_ｍａが設定され、今回の制御周期時刻Ｔ_ｂまでの間、上流側発電機２Ｇの出力が前回の目標出力Ｐ_ｍａとなるように調整されている。

ここで、上流側ダム２（図１参照）から放流された水が下流側ダム３（図１参照）に流入するまでに経過する時間を流下時間ｒとする。
流下時間ｒを考慮すると、前回の制御周期時刻Ｔ_ａから今回の制御周期時刻Ｔ_ｂまでにおける下流側ダム３に流入する水と対応する上流側発電機２Ｇの出力は、補正した前回の制御周期時刻Ｔ_ａ-ｒ（＝Ｔ_ａ−ｒ）から補正した今回の制御周期時刻Ｔ_ｂ-ｒ（＝Ｔ_ｂ−ｒ）までの上流側発電機２Ｇの出力（図４のハッチングで示す範囲）に相当する。
このように、過去の発電機平均出力Ｐ_ｐは、流下時間ｒを考慮して、時刻Ｔ_ａ-ｒから時刻Ｔ_ｂ-ｒまでの上流側発電機２Ｇの出力の平均値とする。即ち、過去の発電機平均出力Ｐ_ｐの計算式は、式（２）のようになる。

次に、貯水量補正出力Ｐ_ｈについて、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る水位制御装置４により制御された下流側ダム３の水位を示すグラフである。
ここで、図５に示すＴ_ａは前回の制御周期時刻であり、Ｔ_ｂは今回の制御周期時刻であり、Ｔ_ｃは次回の制御周期時刻であり、Ｔは制御周期である。また、Ｈ_ａは前回の制御周期時刻Ｔ_ａにおける下流側ダム３の水位であり、Ｈ_ｂは今回の制御周期時刻Ｔ_ｂにおける下流側ダム３の水位であり、Ｈ_ｍは下流側ダム３の目標水位である。

下流側ダム３の貯水量は、下流側ダム３の形状により、水位に対して一意に求めることができる。すなわち、下流側ダム３の貯水量Ｆは、下流側ダム３の水位Ｈの関数で表すことができる。そのため、下流側ダム３が水位Ｈの状態における下流側ダム３の貯水量をＦ（Ｈ）とする。前回の制御周期時刻Ｔ_ａから今回の制御周期時刻Ｔ_ｂまでにおける下流側ダム３の貯水量の変化速度Ｑ_ｐは、式（３）のようになる。

次に、今回の制御周期時刻Ｔ_ｂから次回の制御周期時刻Ｔ_ｃまでに下流側ダム３が水位が目標水位Ｈ_ｍとなるための下流側ダム３の貯水量の理想変化速度Ｑ_ｆは、式（４）のようになる。

そして、貯水量の変化速度Ｑ_ｐと、貯水量の理想変化速度Ｑ_ｆとの差分を補うために、上流側発電機２Ｇの発電効率（放流量Ｑと上流側発電機２Ｇの出力Ｐとの関係式；Ｐ＝ＱＰ（Ｑ））を用いると、貯水量補正出力Ｐ_ｈは、式（５）のようになる。

このように、目標出力演算部４１は、上流側発電機２Ｇの過去の出力と、下流側ダム３の水位変化に基づいて、上流側発電機２Ｇの目標出力Ｐ_ｍを演算する。

図３に戻り、水位制御装置４が実行する水位制御処理の説明を続ける。
ステップＳ１０２において、水位制御装置４の発電機出力調整部４２は、ステップＳ１０１で目標出力演算部４１が演算した目標出力Ｐ_ｍに基づいて、上流側発電機２Ｇ（図１参照）の出力を調整する。なお、上流側発電機２Ｇの出力調整は、例えば、現在の上流側発電機２Ｇの出力が目標出力Ｐ_ｍよりも大きい場合にはゲート（図示せず）の開度を減少させ、現在の上流側発電機２Ｇの出力が目標出力Ｐ_ｍよりも小さい場合にはゲート（図示せず）の開度を増加させ、現在の上流側発電機２Ｇの出力が目標出力Ｐ_ｍの場合にはゲート（図示せず）の開度を維持させるように調整する。

ステップＳ１０３において、水位制御装置４の発電機出力・水位変化監視部４３は、上流側発電機２Ｇの出力を監視して、記憶部４４の発電機出力記憶部４５に記憶する。また、発電機出力・水位変化監視部４３は、下流側ダム水位センサ３Ｓで取得した下流側ダム３の水位を監視して、記憶部４４の水位変化記憶部４６に記憶する。
なお、記憶部４４の発電機出力記憶部４５に記憶された上流側発電機２Ｇの出力は、ステップＳ１０１における過去の発電機平均出力Ｐ_ｐ（上流側発電機２Ｇの目標出力Ｐ_ｍ）の演算に用いられる。また、記憶部４４の水位変化記憶部４６に記憶された下流側ダム３の水位は、ステップＳ１０１における貯水量補正出力Ｐ_ｈ（上流側発電機２Ｇの目標出力Ｐ_ｍ）の演算に用いられる。

ステップＳ１０４において、水位制御装置４の発電機出力・水位変化監視部４３は、制御周期時刻であるか否かを判定する。ここで、制御周期時刻とは、制御周期Ｔごとに目標出力演算部４１が目標出力Ｐ_ｍを演算する時刻である。
制御周期時刻である場合には（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、水位制御装置４の処理はステップＳ１０１に戻る。一方、制御周期時刻でない場合には（Ｓ１０４・Ｎｏ）、水位制御装置４の処理はステップＳ１０２に戻る。

これにより、制御周期時刻まで、上流側発電機２Ｇの出力を目標出力Ｐ_ｍとしつつ、上流側発電機２の出力と下流側ダム３の水位を監視する。制御周期時刻となると、新たに目標出力Ｐ_ｍを演算し（Ｓ１０１）、新たに演算された目標出力Ｐ_ｍに基づいて上流側発電機２Ｇの出力を調整する（Ｓ１０２）。
上記処理を繰り返すことにより、水位制御装置４は、下流側ダム３の水位を次回の制御周期時刻における目標水位Ｈ_ｍに安定させるもので、自動制御により水位を維持することができる。
本発明は、流下時間ｒによる制御遅れを考慮し、水力発電機（上流側発電機２Ｇ）の過去の出力を基にして、目標となる発電機出力（目標出力Ｐ_ｍ）を計算することで、下流側ダム２に流れ込んでいる水量を基準とした発電機出力のフィードバック制御が可能となるため、水位のハンチングを抑えながら、水位を目標とする水位に安定させることができる。

なお、水位制御装置４の処理は、制御周期時刻となるまで（Ｓ１０４・Ｎｏ）ステップＳ１０２に戻り、上流側発電機２Ｇの現在の出力が目標出力Ｐ_ｍとなるように調整し（Ｓ１０２）、上流側発電機２Ｇの出力と下流側ダム３の水位を監視・記憶する（Ｓ１０３）構成であるものとして説明したが、上流側発電機２Ｇの出力を固定すれば制御周期Ｔ内における出力変化はわずかであると考えられるため、ステップＳ１０４でＮｏの後にステップＳ１０３に戻る構成であるものとしてもよい。
また、ステップＳ１０３で、上流側発電機２Ｇの出力を監視した際に、目標出力Ｐ_ｍとの差異が所定値以上であった場合にはステップＳ１０４・ＮｏからステップＳ１０２に戻り、所定値未満であった場合にはステップＳ１０４・ＮｏからステップＳ１０３に戻る構成であるものとしてもよい。

１ 連接水系
２ 上流側ダム
２Ｇ 上流側発電機（発電機）
３ 下流側ダム
３Ｓ 下流側ダム水位センサ
４ 水位制御装置
４１ 目標出力演算部
４２ 発電機出力調整部
４３ 発電機出力・水位変化監視部
４４ 記憶部
４５ 発電機出力記憶部
４６ 水位変化記憶部
Ｈ_ｍ 目標水位
Ｐ_ｍ 目標出力
Ｐ_ｍａ 前回の目標出力
Ｐ_ｐ 過去の発電機平均出力
Ｐ_ｈ 貯水量補正出力
Ｑ_ｐ 貯水量の変化速度
Ｑ_ｆ 貯水量の理想変化速度
ｒ 流下時間
Ｔ 制御周期
Ｔ_ａ 前回の制御周期時刻
Ｔ_ｂ 今回の制御周期時刻
Ｔ_ｃ 次回の制御周期時刻
Ｔ_ａ-ｒ補正した前回の制御周期時刻
Ｔ_ｂ-ｒ補正した今回の制御周期時刻

Claims (4)

1. 下流側ダムに貯留された水の水位と、上流側ダムの発電機の出力とを監視して前記下流側ダムの水位を制御する水位制御装置であって、
   前記水位制御装置は、
   前記発電機の目標出力を演算する目標出力演算部と、
   前記目標出力演算部で演算された前記目標出力に基づいて、前記発電機の出力を調整する発電機出力調整部と、
   前記発電機の出力を記憶する記憶部と、を備え、
   前記目標出力演算部は、
   前記下流側ダムの現在水位と、前記記憶部に記憶された前記発電機の過去の出力とに基づいて、前記目標出力を演算する
   ことを特徴とする水位制御装置。
2. 前記目標出力演算部は、
   前記上流側ダムから放流された水が前記下流側ダムに流れ込むまでの流下時間を用いて、前記下流側ダムの水位が目標水位に近づけるように、前記発電機の前記目標出力を演算する
   ことを特徴とする請求項１に記載の水位制御装置。
3. 下流側ダムに貯留された水の水位と、上流側ダムの発電機の出力とを監視して前記下流側ダムの水位を制御する水位制御装置の水位制御方法であって、
   前記水位制御装置は、
   前記発電機の目標出力を演算する目標出力演算ステップと、
   前記目標出力演算ステップで演算された前記目標出力に基づいて、前記発電機の出力を調整する発電機出力調整ステップと、
   前記発電機の出力を記憶する記憶ステップと、を備え、
   前記目標出力演算ステップは、
   前記下流側ダムの現在水位と、前記記憶ステップで記憶された前記発電機の過去の出力とに基づいて、前記目標出力を演算する
   ことを特徴とする水位制御方法。
4. 前記目標出力演算ステップは、
   前記上流側ダムから放流された水が前記下流側ダムに流れ込むまでの流下時間を用いて、前記下流側ダムの水位が目標水位に近づけるように、前記発電機の前記目標出力を演算する
   ことを特徴とする請求項３に記載の水位制御方法。

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