JP2012197703A - 水車監視制御装置及び水車監視制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】落ち葉等の異物が水車内に堆積したことを機械的に検出すること。
【解決手段】水槽水位が目標水位となるようにガイドベーン開度を自動制御する水位一定運転時に、判定部１５０は、現在の発電機出力とガイドベーン開度との関係が、異物が水車内に堆積した時の発電機出力とガイドベーン開度との関係として予め定められた異物堆積時条件を満たすか否かを判定する。そして、異物堆積時条件を満たす場合に、報知部１７０が所定の報知処理を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、水車監視制御装置及び水車監視制御方法に関する。

流れ込み式の水力発電所では、通常時には、水槽水位が目標水位となるようにガイドベーン開度を自動制御する水位一定運転がなされているのが一般的である。
河川流量が減少する秋季の水位一定運転では、水槽水位を目標水位に保つべく、ガイドベーン開度を狭くする制御がなされるため、水車への流量が低下する。また、季節柄、落ち葉や小枝等の異物が水車内に流れ込み、ガイドベーン周辺等の水車内に堆積し易くなるため、水車効率が低下する。流量の低下及び効率の低下が生じる結果、発電機出力は一層低下する。

また、ガイドベーン機構には、ガイドベーンに異物が挟み込まれ、開閉駆動時等に過度な応力が生じてガイドベーンが損傷することを防ぐため、弱点ピンや弱点リンク（以下「弱点部」という。）が設けられている。弱点部が折損・破断することによってガイドベーンがリンク機構から無拘束となり、ガイドベーンに過度な応力がかかることを防止する。（例えば特許文献１参照）
ガイドベーン周辺への落ち葉の堆積を放置した場合には、堆積量が増加して同様の状況となり、弱点部が折損するといった機器の損傷に至ってしまう。

以上の効率低下（出力低下）や機器の損傷を回避する対策として、落葉期には定期的に発電機を停止させて水車内部清掃を実施している発電所もある。

特開平６−７４１４０号公報

しかしながら、水車内部清掃の実施毎に落ち葉量がまちまちであり、作業労力的に非効率となっている。また、外部から水車内部の落ち葉堆積状態を確認できず、確認するためには発電機を停止させ、点検用マンホールを開けて視認する必要がある。加えて、水車内部清掃や確認のためには、水車への水の供給を止めるため、作業溢水が生じ得る。

以上、秋季について説明したが、水車への流水に落ち葉が混入する時期は秋季に限らず出水期等においても生じ得る。また、落ち葉に限らず、小枝等の堆積によっても同様の問題が生じ得る。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、落ち葉等の異物が水車内に堆積したことを機械的に検出する手法を提供することである。また、第２の目的は、異物の水車内の堆積を検出した場合に、堆積した異物の除去を自動的に行う手法を提供することである。

以上の課題を解決するための第１の形態は、
水槽水位が目標水位となるようにガイドベーン開度を自動制御する水位一定運転時において、現在の発電機出力とガイドベーン開度との関係が、異物が水車内に堆積した時の発電機出力とガイドベーン開度との関係として予め定められた異物堆積時条件を満たすことを検出する検出手段（例えば図３の判定部１５０）と、
前記検出手段による検出に応じて所定の報知を行う報知手段（例えば図３の制御部１６０、報知部１７０）と、
を備えた水車監視制御装置である。

また、第１６の形態として、
水槽水位が目標水位となるようにガイドベーン開度を自動制御する水位一定運転時において、現在の発電機出力とガイドベーン開度との関係が、異物が水車内に堆積する時の発電機出力とガイドベーン開度との関係として予め定められた異物堆積時条件を満たすことを検出する検出ステップ（例えば図６のステップＳ２）と、
前記検出ステップでの検出に応じて所定の報知を行う報知ステップ（例えば図６のステップＳ８，Ｓ１２）と、
を含む水車監視制御方法を構成することとしてもよい。

この第１の形態等によれば、現在の発電機出力とガイドベーン開度との関係が、異物が水車内に堆積した時の発電機出力とガイドベーン開度との関係として予め定められた異物堆積時条件を満たすことをもって、異物が水車内に堆積していることを検出する。ガイドベーン周辺等の水車内に落ち葉等の異物が堆積した場合には流量及び水車効率が低下する。そこで、発電機出力とガイドベーン開度との関係に基づいて、異物が堆積したことを検出するのである。

具体的には、第２の形態として、前記検出手段が、同一の発電機出力に対して健全時のガイドベーン開度よりも大きい開度を前記異物堆積時条件として用いて前記検出を行う水車監視制御装置を構成すると好適である。
また、第１７の形態として、第１６の形態において、前記検出ステップを、同一の発電機出力に対して健全時のガイドベーン開度よりも大きい開度を前記異物堆積時条件として用いて前記検出を行うステップとして構成することとしてもよい。

通常、発電機出力と流量とは比例の関係にあり、水槽水位が一定であれば流量とガイドベーン開度も比例の関係となる。しかし、ガイドベーン周辺に落ち葉等の異物が堆積した場合には見かけ上の流量及び水車効率が低下するため、水槽水位を目標水位に保つ水位一定運転時においては、健全時と比べてガイドベーン開度が開方向に制御される。すなわち、同一の発電機出力に対して健全時のガイドベーン開度よりも大きい開度となる。第２の形態によれば、この事象を的確に把握して、異物の堆積を検出することが可能となる。

また、第３の形態として、第１又は第２の形態において、
前記検出手段により検出された場合にガイドベーン開度を一時的に変化させるあおり動作制御を実行するあおり動作制御手段（例えば図３の制御部１６０）を更に備えた水車監視制御装置を構成することとしてもよい。

また、第１８の形態として、第１６又は第１７の形態において、
前記検出ステップでの検出に応じて前記ガイドベーン開度を一時的に変化させるあおり動作制御を実行するあおり動作制御ステップを更に含む、
水車監視制御方法を構成することとしてもよい。

この第３の形態等によれば、異物の堆積が検出された場合、ガイドベーン開度を一時的に変化させるあおり動作制御が実行される。これにより、堆積していた異物が流水とともに流されることとなり、異物の自動的な除去が実現される。

また、第４の形態として、第３の形態において、
前記あおり動作制御手段は、最初にガイドベーン開度を開方向に変化させ、次いで閉方向に変化させる（例えば図５（１））、
水車監視制御装置を構成することとしてもよい。

また、第１９の形態として、第１８の形態において、
前記あおり動作制御ステップは、最初にガイドベーン開度を開方向に変化させ、次いで閉方向に変化させるように前記あおり動作制御を実行するステップである、
水車監視制御方法を構成することとしてもよい。

この第４の形態等によれば、あおり動作制御は、最初にガイドベーン開度を開方向に変化させるように行われる。先ずガイドベーン開度を閉方向に変化させて水槽の貯水量及び水位を上昇させた後に、ガイドベーン開度を一気に開方向に変化させる方法が考えられる。しかし、異物が堆積した状態でガイドベーン開度を閉方向に動作させると、異物の一層の挟み込み或いは噛み込みが生じ、無理な応力によって弱点部等の機器の損傷が生じ得る。そこで、最初にガイドベーン開度を開方向に変化させることで、異物の挟み込み・噛み込みを緩和させるとともに、流下水量の増加によって、異物を除去することができる。

また、第５の形態として、第３又は第４の形態において、
前記あおり動作制御手段は、水槽水位が、前記あおり動作制御中に水槽からの越流を防止するために定められた所与の越流防止水位に達した場合に、ガイドベーン開度を開方向に変化させる越流防止制御手段（例えば図３の制御部１６０）を有する、
水車監視制御装置を構成することとしてもよい。

また、第２０の形態として、第１８又は第１９の形態において、
前記あおり動作制御中に水槽水位が水槽からの越流を防止するために定められた所与の越流防止水位に達した場合に、ガイドベーン開度を開方向に変化させる越流防止制御ステップを更に含む、
水車監視制御方法を構成することとしてもよい。

この第５の形態等によれば、あおり動作制御中に水槽水位が越流防止水位に達した場合、ガイドベーン開度を開方向に変化させる制御がなされる。この結果、水槽からの越流を防止することができる。

また、第６の形態として、第３〜第５の何れかの形態において、
前記検出手段は、前記異物の堆積度合に応じて段階的に定められた前記異物堆積時条件を用いて、前記異物の堆積度合を判定する堆積度合判定手段（例えば図３の判定部１５０、図６のステップＳ２、Ｓ４）を有し、
前記堆積度合判定手段により判定された堆積度合が重度の場合に、前記あおり動作制御手段によるあおり動作制御を抑止するあおり動作制御抑止手段（例えば図３の制御部１６０、図６のステップＳ６）を更に備えた、
水車監視制御装置を構成することとしてもよい。

また、第２１の形態として、第１８〜第２０の何れかの形態において、
前記検出ステップは、前記異物の堆積度合に応じて段階的に定められた前記異物堆積時条件を用いて、前記異物の堆積度合を判定するステップ（例えば図６のステップＳ２、Ｓ４）を含み、
前記判定された堆積度合が重度の場合に、前記あおり動作制御を抑止するあおり動作制御抑止ステップ（例えば図６のステップＳ６）を更に含む、
水車監視制御方法を構成することとしてもよい。

この第６の形態等によれば、異物の堆積度合が判定されるとともに、堆積度合が重度の場合には、あおり動作制御が抑止される。異物の堆積度合が重度の場合にあおり動作制御を実行すると、弱点部等の機器の損傷が生じるおそれがある。そのため、重度の場合には、あおり動作制御を抑止するのである。

また、第７の形態として、第３〜第５の何れかの形態において、
前記検出手段は、前記異物の堆積度合に応じて段階的に定められた前記異物堆積時条件を用いて、前記異物の堆積度合を判定する堆積度合判定手段を有し、
前記あおり動作制御手段は、前記堆積度合判定手段により判定された堆積度合に応じてガイドベーン開度の変化パターンを設定し（例えば図７）、該変化パターンに従って前記あおり動作制御を実行する、
水車監視制御装置を構成することとしてもよい。

この第７の形態によれば、異物の堆積度合が判定され、堆積度合に応じてガイドベーン開度の変化パターンが設定されて、あおり動作制御が実行される。あおり動作制御におけるガイドベーン開度の変化パターンが異物の堆積度合に応じて定められるため、より効率的なあおり動作制御が実現される。

また、第８の形態として、第３〜第７の何れかの形態において、
前記水槽水位の変動が所定の水槽暴れ条件を満たしたことを検出する水槽暴れ検出手段（例えば、図８のステップＡ１〜Ａ５）と、
前記水槽暴れ検出手段の検出に応じて、前記あおり動作制御手段によるあおり動作制御を抑止する水槽暴れ時抑止手段（例えば、図８のステップＡ７のＹＥＳ）と、
を更に備えた水車監視制御装置を構成することとしてもよい。

また、第２２の形態として、第１８〜第２１の何れかの形態において、
前記水槽水位の変動が所定の水槽暴れ条件を満たしたことを検出する水槽暴れ検出ステップ（例えば、図８のステップＡ１〜Ａ５）と、
前記水槽暴れ検出ステップの検出に応じて、前記あおり動作制御を抑止する水槽暴れ時抑止ステップ（例えば、図８のステップＡ７のＹＥＳ）と、
を更に含む水車監視制御方法を構成することとしてもよい。

この第８の形態等によれば、水槽暴れが検出された場合に、あおり動作制御を抑止することができる。

また、第９の形態として、第３〜第８の何れかの形態において、
前記あおり動作制御手段は、発電機出力が所定のあおり動作許容出力範囲外の場合には前記あおり動作制御を実行せず、前記検出手段による検出がなされ、且つ、発電機出力が所定のあおり動作許容出力範囲内の場合に、前記あおり動作制御を実行する（例えば、図９のステップＢ３）、
水車監視制御装置を構成することとしてもよい。

また、第２３の形態として、第１８〜第２２の何れかの形態において、
前記あおり動作制御ステップは、発電機出力が所定のあおり動作許容出力範囲外の場合には前記あおり動作制御を実行せず、前記検出ステップで検出がなされ、且つ、発電機出力が所定のあおり動作許容出力範囲内の場合に、前記あおり動作制御を実行するステップ（例えば、図９のステップＢ３）である、
水車監視制御方法を構成することとしてもよい。

この第９の形態等によれば、発電機出力があおり動作許容出力範囲外の場合にはあおり動作制御の実行が抑制される。あおり動作制御を行っても希望する流水量が見込めない場合には、あおり動作制御の実効性が低くなる。また、流水量は発電機出力と相関関係にある。そこで、希望する流水量を見込める範囲として、あおり動作許容出力範囲を定めることで、実効性のないあおり動作制御の実行を抑制することができる。

また、第１０の形態として、第３〜第９の何れかの形態において、
当該水車監視制御装置の故障発生を検出する故障発生検出手段と、
前記あおり動作制御の実行中に前記故障発生検出手段により故障発生が検出された場合に、前記あおり動作制御の実行を中止する実行中止手段と、
を更に備えた水車監視制御装置を構成することとしてもよい。

また、第２４の形態として、第１８〜第２３の何れかの形態において、
水車監視制御装置（例えば、図３の水車監視制御装置１００）の故障発生を検出する故障発生検出ステップと、
前記あおり動作制御の実行中に前記故障発生検出ステップでの検出がなされた場合に、前記あおり動作制御の実行を中止する実行中止ステップと、
を更に含む水車監視制御方法を構成することとしてもよい。

この第１０の形態等によれば、水車監視制御装置の故障発生が検出された場合には、あおり動作制御の実行が中止される。これにより、ガイドベーン開度の一時的な変化制御が中止され、もとの水位一定運転に戻ることとなる。

故障発生検出手段には種々の形態が考えられる。例えば、第１１の形態として、前記故障発生検出手段が、当該水車監視制御装置への入力値が異常値となった場合に故障発生として検出する入力値異常検出手段を有するように構成してもよい。

また、第１２の形態として、前記故障発生検出手段が、当該水車監視制御装置内の演算処理パラメータの値が異常値となった場合に故障発生として検出するシステム異常検出手段を有するように構成してもよい。

また、第１３の形態として、前記故障発生検出手段が、前記ガイドベーン開度を用いて前記あおり動作制御が正常に機能しているか否かを判定し、正常に機能していないと判定される場合に故障発生として検出するあおり制御異常検出手段を有するように構成してもよい。

また、第１４の形態として、前記故障発生検出手段が、当該水車監視制御装置への電源供給が遮断された場合に落下する継電器を有して構成され、当該継電器の落下により故障発生が検出される、ように構成してもよい。

また、第１５の形態として、第１〜第１４の何れかの形態において、
前記検出手段は、前記異物の堆積度合に応じて段階的に定められた前記異物堆積時条件を用いて、前記異物の堆積度合を判定する堆積度合判定手段（例えば図３の判定部１５０）を有し、
前記報知手段は、前記堆積度合判定手段により判定された堆積度合を含めて報知を行う、
水車監視制御装置を構成することとしてもよい。

この第１５の形態によれば、異物の堆積度合が判定され、その堆積度合が報知される。従って、水車を運転したまま異物の堆積状況を把握することができ、従来の確認作業を省力化できる。

本実施形態の水力発電所の水路系の概略構成を示す図。 水車内の構成を概略的に示した透視図。 水車監視制御装置の構成を示すブロック図。 異物堆積状態の検出原理を説明するための図。 あおり動作制御を説明するための図。 監視制御動作の流れを示すフローチャート。 あおり動作制御の制御パラメータの変形例を示す図。 監視制御動作の変形例の流れを示すフローチャート。 監視制御動作の変形例の流れを示すフローチャート。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は、本実施形態の水力発電所１の水路系の概略構成を示す図である。本実施形態の水力発電所１は流れ込み式であり、河川やダム１１の水が、落差の得られる水槽１３まで導水路１２によって導かれている。落差のある水槽１３と水車１５との間は水圧管１４によって接続されており、水槽１３の水が水圧管１４を介して水車１５に供給される。そして、落下した水の力で水車１５が回転するとともに発電機１６の回転軸が回転し、発電機出力を得る。また、水車１５から流出された水は放水路１７に放水される。

本実施形態において、水車１５は、ガイドベーンによって流量を調整するフランシス水車として説明するが、流量を調整するためのガイドベーンを有する水車であれば、何れを適用してもよく、斜流水車やプロペラ水車等の他の反動水車にも本実施形態は適用可能である。

図２は、水車１５内の構成を概略的に示した透視図である。水車１５は立軸のフランシス水車であり、中空渦巻き状のケーシング３１と、ケーシング３１の内周面に隣接し、流水によって回転するランナ３９とを備える。水圧管１４を通ってきた流水は、半径方向にランナ３９に流入し、ランナ３９内において軸方向に向きを変えて流出する。ガイドベーン機構２０は、ケーシング３１とランナ３９との間に設けられ、ガイドベーン２１の開度が駆動制御されることで、ランナ３９への流水量、すなわち水車１５に供給される流量を調節可能な構造をなす。ガイドベーン機構２０は、弱点ピン２２によって枢支される複数のガイドベーン２１と、各ガイドベーン２１を開閉駆動させるリンク機構２３と、各リンク機構２３を一斉に駆動させるためのガイドリング２４と、ガイドリング２４を回転変位させる不図示のサーボモータとを備える。従って、ガイドベーン２１の開度を制御することは、サーボモータを駆動制御することを意味する。また、弱点部は弱点ピン２２に限らず、リンク機構２３の一部が弱点リンクとして設けられる場合もある。また、水車１５を立軸としたが、横軸の水車に対しても本実施形態を適用可能であることは勿論である。
また、水車１５には、点検用マンホール３８が設けられている。

図３は、本実施形態の水車監視制御装置１００の構成を示すブロック図である。水車監視制御装置１００は、水車１５全体を統括制御する水車制御システム２００の一部の装置として構成される。本実施形態において水車監視制御装置１００は、水車制御システム２００が、水槽水位が目標水位となるようにガイドベーン開度を自動制御する水位一定運転を行っている際に機能する装置であり、水位一定運転に優先してガイドベーン開度を変化させる制御（あおり動作制御）を実行する。従って、あおり動作制御は、水位一定運転を一時中断して実行する制御とも言える。

水車監視制御装置１００の主要部は、例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等のコンピュータ装置で構成されるが、水車制御システム２００を構成する制御基板の１つとして組み込み・構成されることとしてもよい。

水車監視制御装置１００は、水槽１３の水位を検出する圧力式或いはフロート式の水槽水位計１１３からの水位検出信号と、実際のガイドベーン２１の開度を検出するポテンショメータ等で構成された開度検出器１２１からの開度検出信号と、発電機１６からの発電機出力（発電電力）とを入力して、水車１５内に落ち葉や小枝等の異物が堆積した状態（以下「異物堆積状態」という。）にあるか否かを判定するとともに、堆積状態にある場合には、ガイドリング２４を回転変位させるサーボモータであるガイドベーン駆動部１２６を駆動制御してガイドベーン開度を変化させる制御（あおり動作制御）を実行する。

水車監視制御装置１００は、判定部１５０と、制御部１６０と、報知部１７０と、記憶部１８０とを備え、一種のコンピュータシステムとして構成される。判定部１５０は、開度検出器１２１からの開度検出信号と発電機１６からの発電機出力とをもとに異物堆積状態を検出するとともに、異物の堆積度合を判定する。

図４は、判定部１５０による異物堆積状態の検出原理を説明するための図であり、出力対開度特性のグラフを示す。図４のグラフは、横軸が発電機出力、縦軸がガイドベーン開度であり、健全時の出力対開度特性を実線で、軽度の異物堆積状態であることを検出するための特性条件（軽度堆積時条件）を点線で、重度の異物堆積状態であることを検出するための特性条件（重度堆積時条件）を一点鎖線で示している。

健全時の特性から明らかな通り、ガイドベーン開度が大きくなれば（開方向に変化すれば）、必然的に水量が増加するため、ガイドベーン開度と発電機出力とは比例の関係にある。なお、図４をよく見ると、ガイドベーンの全閉付近及び全開付近と、中間開度とでは比例係数が若干異なっているが、全体としてみれば比例関係にあると言える。

水位一定運転においては、水槽１３の水位が所与の目標水位となるようにガイドベーン開度が自動制御されている。また、発電機出力と流量とは比例の関係にあり、水槽水位が一定であれば流量とガイドベーン開度も比例の関係となる。
ところが、異物堆積状態においては流入量の低下及び水車効率が低下する。このため、水槽水位を目標水位とするためには、健全時よりもガイドベーン開度が開方向に制御される。すなわち、同一の発電機出力に対する異物堆積状態のガイドベーン開度は、健全時のガイドベーン開度よりも大きくなる。

判定部１５０は、この事象の発生を捉えることで、異物堆積状態を検出する。具体的には、判定部１５０は、軽度及び重度それぞれの異物堆積状態を検出するための条件として図４の軽度堆積時条件及び重度堆積時条件を用いる。図４の軽度堆積時条件及び重度堆積時条件は、出力対開度特性の閾値として示されており、これより上側にある場合に当該条件を満たすと判定される。

詳細に説明する。軽度堆積時条件及び重度堆積時条件は、発電機出力とガイドベーン開度との関係条件のデータとして記憶部１８０に記憶されている。判定部１５０は、この条件データを読み出して利用する。条件データは、発電機出力ごとにガイドベーン開度の条件として定められており、例えば発電機出力がＸ［ｋＷ］のときのガイドベーン開度がＹ１以上Ｙ２未満（Ｙ１＜Ｙ２）であることを軽度堆積時条件とし、同じく発電機出力がＸ［ｋＷ］のときのガイドベーン開度がＹ２以上であることを重度堆積時条件といったように定められている。そして、判定部１５０は、発電機１６から入力された現在の発電機出力と開度検出器１２１から入力された現在のガイドベーン開度との関係を、重度及び軽度それぞれの異物堆積時条件に合致するかを判定することで、異物堆積状態の検出及びその堆積度合を判定する。
判定部１５０による判定結果は制御部１６０に出力される。

なお、記憶部１８０に記憶される条件データは、上述のように各発電機出力に対するガイドベーン開度の閾値を定めたテーブルデータとしてもよいが、発電機出力からガイドベーン開度の閾値を求めることのできる関数データであってもよい。

制御部１６０は、判定部１５０により異物堆積状態にあることが検出された場合には、検出日時と判定された堆積度合とを対応付けて記憶部１８０に蓄積記録するとともに、報知部１７０に報知処理を実行させる。

また、制御部１６０は、判定部１５０により異物堆積状態にあることが検出された場合には、原則、あおり動作制御を実行する。あおり動作制御とは、水槽１５内に堆積した異物を流すことを目的としてガイドベーン開度を開方向及び閉方向に繰り返し変化させる制御のことである。

但し、判定部１５０により判定された堆積度合が重度であったり、所定の高頻度条件を満たす頻度であおり動作制御を行っている場合には、あおり動作制御の実行を抑止する。堆積度合が重度の場合にあおり動作制御を実行すると、過度な応力が発生して弱点部（弱点ピン２２や不図示の弱点リンク）等の機器の損傷が生じる可能性があるため、あおり動作制御を抑止する。また、あおり動作制御を頻繁に実行している場合には、自動制御では除去することのできない異物が存在していると考えられるため、あおり動作制御の実行を抑止する。高頻度条件としては、例えば過去３０分間に３回以上実施といった条件が定められ、この条件データは記憶部１８０に記憶されている。

制御部１６０による具体的なあおり動作制御について説明する。図５（１）は、あおり動作制御におけるガイドベーン開度の推移の一例を示す図である。
図５（１）においては、水位一定運転によってガイドベーン開度が開度Ｆ_Ｃに保たれている状態で、異物堆積状態が検出され、時刻ｔ_１０の時点からあおり動作制御が開始されている。あおり動作制御は、先ず最初にガイドベーン開度を開方向に変化させる。そして、開度Ｆ_Ｕが保持された後、開度Ｆ_Ｌまでガイドベーン開度を閉方向に変化させている。これを３回繰り返して後、あおり動作制御が解除され、元の水位一定運転によってガイドベーン開度が開度Ｆｃに戻っている。

あおり動作制御において最初にガイドベーン開度を開方向に変化させる理由は次の通りである。すなわち、ガイドベーン開度の制御としては、先ずガイドベーン開度を閉方向に変化させて水槽の貯水量及び水位を上昇させた後に、ガイドベーン開度を一気に開方向に変化させる方法が考えられる。しかし、異物が堆積した状態でガイドベーン開度を閉方向に動作させると、異物の一層の挟み込み或いは噛み込みが生じ、無理な応力によって弱点部等の機器の損傷が生じ得る。そこで、最初にガイドベーン開度を開方向に変化させることで、異物の挟み込み・噛み込みを緩和させるとともに、水量を増加させることにより、異物を流すのである。

図５（２）は、記憶部１８０に記憶された、あおり動作制御の制御パラメータの一例を示す図であり、制御部１６０は、この制御パラメータに従ってあおり動作制御を実行する。制御パラメータには、ガイドベーン開度を開方向に変化させる場合の指令値である上側開度と、閉方向に変化させる場合の指令値である下側開度と、ガイドベーン開度を上側開度とする指令状態を解除する条件である上側開度指令解除条件と、ガイドベーン開度を下側開度とする指令状態を解除する条件である下側開度指令解除条件と、繰り返し回数とが定められている。

上側開度及び下側開度は、ガイドベーン開度の全開及び全閉時の特性等に基づいて定められる。上側開度指令解除条件及び下側開度指令解除条件は、例えば、水位一定運転における目標水位や越流防止水位に対する相対的な水位の閾値条件として定められる。図５（２）においては、上側開度指令解除条件が目標水位に対する水位の閾値条件として、下側開度指令解除条件が越流防止水位に対する水位の閾値条件として定められている。上側開度指令解除条件の閾値水位の方が、下側開度指令解除条件の閾値水位よりも低い水位が定められる。

図５（１）を参照して、より具体的にあおり動作制御の制御動作を説明すると、時刻ｔ_１０において、制御部１６０は、ガイドベーン開度が上側開度Ｆ_Ｕとなるようにガイドベーン駆動部１２６を駆動制御する。時間遅れがあって、時刻ｔ_１２において、ガイドベーン開度が上側開度Ｆ_Ｕとなっている。この間、制御部１６０は、水槽水位計１１３から入力される水槽水位が、上側開度指令解除条件を満たしたか否かを監視する。そして、時刻ｔ_１４において上側開度指令解除条件を満たしたため、制御部１６０は、ガイドベーン開度が下側開度Ｆ_Ｌとなるようにガイドベーン駆動部１２６を駆動制御する。時刻ｔ_１６において、ガイドベーン開度が下側開度Ｆ_Ｌとなっている。同様に、ガイドベーン開度を閉方向に変化させた後、制御部１６０は、水槽水位が下側開度指令解除条件を満たしたか否かを監視する。そして、時刻ｔ１８において下側開度指令解除条件を満たしたため、制御部１６０は、ガイドベーン開度が上側開度Ｆ_Ｕとなるようにガイドベーン駆動部１２６を駆動制御する。これを３回繰り返している。

また、制御部１６０は、あおり動作制御中に水槽水位が所定の越流防止水位に達したか否かを監視し、越流防止水位に達した場合には、即座にガイドベーン開度の指令値を下側開度とし、ガイドベーン開度を開方向に変化させる。越流防止水位とは、水槽からの越流を防止するために定めた水位である。

報知部１７０は、例えば、ランプ等の表示装置やスピーカ等の音声出力装置、遠隔監視装置に向けて通信信号を送信する通信装置等によって構成され、制御部１６０から指示された異物堆積状態の検出や、堆積度合、あおり動作制御の実行是非等を報知処理（表示、音声出力、通信処理を含む。）する。

記憶部１８０は、例えば、メモリやハードディスク等によって構成され、判定部１５０が利用する異物堆積時条件のデータや、制御部１６０が利用するあおり動作制御の制御パラメータ、あおり動作制御を頻繁に実行しているか否かを判定するための高頻度条件データ、越流防止水位のデータ等を記憶する。また、異物堆積状態が検出された際に、堆積度合や、あおり動作制御の実行是非等が日時と対応付けて記録される。

次に、水車監視制御装置１００の監視制御動作について説明する。
図６は、水車監視制御装置１００が実行する監視制御動作の流れを示すフローチャートである。

図６において、水車監視制御装置１００は、ガイドベーン開度及び発電機出力と、異物堆積時条件とを照査することで、異物堆積状態である場合にその旨を検出し、堆積度合を判定する（ステップＳ２：ＹＥＳ、ステップＳ４）。堆積度合が重度であれば（ステップＳ４：重度）、あおり動作制御を実行せず（抑止）（ステップＳ６）、異物堆積状態の検出、堆積度合が重度である旨、あおり動作制御を実行しない旨等を報知処理し（ステップＳ８）、日時と対付けて記録する（ステップＳ１０）。

また、堆積度合が軽度の場合には（ステップＳ４：軽度）、異物堆積状態の検出および堆積度合が軽度である旨を報知処理し（ステップＳ１２）、過去の記録を参照して、あおり動作制御の実行頻度が高頻度条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１４）。高頻度条件を満たす場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、水車監視制御装置１００は、あおり動作制御を実行せず（抑止）（ステップＳ１６）、あおり動作制御の実行頻度が高頻度である旨、あおり制御を実行しなかった旨を報知処理する（ステップＳ１８）。また、異物堆積状態の検出、堆積度合が軽度である旨、あおり動作制御の実行頻度が高頻度である旨、あおり制御を実行しなかった旨を日時と対応付けて記録する（ステップＳ２０）。

ステップＳ１４において、あおり動作制御の実行頻度が高頻度条件を満たさなかった場合には（ステップＳ１４：ＮＯ）、水車監視制御装置１００は、異物堆積状態の検出、堆積度合が軽度である旨、あおり動作制御を実行開始する旨を報知処理する（ステップＳ２２）とともに、日時と対応付けて記録する（ステップＳ２４）。そして、あおり動作制御を実行する（ステップＳ２６）。
あおり動作制御を実行後は、あおり動作制御の実行が終了した旨を報知処理し（ステップＳ２８）、終了日時を対応付けて記録して（ステップＳ３０）、処理をステップＳ２に移行する。

以上、本実施形態を説明したが、本発明が適用可能な形態は、上述の実施形態に限られるものではない。

［変形例１］
例えば、堆積度合が重度或いはあおり動作制御を高頻度に実行した場合には、あおり動作制御を行わないこととして説明したが、異物堆積状態を検出した場合にはあおり動作制御を実行した上で、報知処理及び記録をすることとしてもよい。

［変形例２］
また、例えば、異物の堆積度合に応じて、あおり動作制御の制御パラメータを変更してもよい。図７にこの場合の制御パラメータの例を示す。上述の実施形態における“軽度”の堆積度合を更に第１レベル及び第２レベルの２段階に分けた場合の例である。すなわち、図４において、軽度堆積時条件の点線を第１レベルの軽度堆積時条件とし、軽度堆積時条件の点線と重度堆積時条件の一点鎖線との間に中間線を設定してこれを第２レベルの軽度堆積時条件とする。そして、堆積度合（第1レベルの軽度堆積時条件か、第２レベルの軽度堆積時条件か）に応じてあおり動作制御を細かく制御することで、あおり動作に利用する水量を節約するといった効率面等において、堆積度合に応じた適切なあおり動作制御を実現できる。

［変形例３］
水車監視制御処理に、水槽暴れを抑制する制御を加えることとしてもよい。水槽暴れとは、水槽水位が短時間で上下に激しく変動を繰り返す現象である。図１において、水槽１３の取水口にはスクリーンと、このスクリーンにたまったごみを自動的にかき上げる除塵機とが設置されているのが一般的である。スクリーンにたまった落ち葉等の異物は除塵機により取り除かれるが、全ての異物をスクリーンで捕捉することはできず、捕捉できなかった異物は水車へ流れ込むこととなる。その結果、水車内で異物が堆積し、あおり動作制御が実行されることとなる。しかし、その一方で除塵機が自動的に稼働する。この２つの動作があいまって、水槽暴れが生じ得るのである。水槽暴れは、水車機器に大きな負担をかけるため、水槽暴れが生じ得る或いは生じている場合には、あおり動作制御を実行させない制御が要求される。

図８は、水槽暴れ抑制制御を組み込んだ水車監視制御処理の流れを示すフローチャートである。図６のフローチャートに加えてステップＡ１〜Ａ７が新たに追加されている。先ず、急速水位変動が発生しているか否かを判定する（ステップＡ１）。具体的には、所定の比較参照時間（例えば数秒〜十数秒の間の値として定められる）前の水槽水位と現在の水槽水位との差を求め、この差が水位変動判定値（例えば数ｃｍ〜２０ｃｍの間の値として定められる）以上の場合に、急速水位変動が発生していると検出する。

急速水位変動の発生を検出した場合（ステップＡ１：ＹＥＳ）、過去所定時間（例えば２０秒〜６０秒の間の値として定められる）の間に検出された急速水位変動の検出回数が、所定の水槽暴れ判定回数（例えば３〜１０回の間の値として定められる）以上となったかを判定することで、水槽暴れを検出する（ステップＡ３）。水槽暴れが検出された場合（ステップＡ３：ＹＥＳ）、あおり動作制御を抑止する抑止ロックタイマーをリセットし、再スタートさせる（ステップＡ５）。抑止ロックタイマーは、例えば３０秒〜数分の時間が設定される。
以上のステップＡ１〜Ａ５の処理を、異物堆積状態を検出したか否かの判定処理（ステップＳ２）の前に実行する。

そして、異物堆積状態を検出した場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、堆積度合の判定処理（ステップＳ４）の前に次のステップを加える。すなわち、あおり動作制御の抑止ロックタイマーが作動中か否かを判定し、作動中であれば（ステップＡ７：ＹＥＳ）、あおり動作制御を抑止させるため、以降のステップを全てスキップしてステップＡ１に処理を移行する。
以上の処理により、水槽暴れが生じ得る或いは生じている場合に、あおり動作制御を実行させない、水槽暴れの抑制制御が実現される。

［変形例４］
図５（１）に示した通り、あおり動作制御は、ガイドベーン開度を開方向及び閉方向に変化させる制御であり、流水量を変化させることが目的の１つである。したがって、期待通りの流水量が得られないのであれば、実効性が低下する上、過度な制御は却って水車機器に負担をかけることにもなりかねない。そこで、希望する流水量を見込める範囲内であおり動作制御を実行するようにしてもよい。

図９に、この場合の水車監視制御処理の流れを示す。図６に示した水車監視制御処理のステップＳ２とＳ４の間に、ステップＢ３を追加したフローチャートとなっている。すなわち、異物堆積状態が検出された後（ステップＳ２：ＹＥＳ）、発電機出力が所定範囲内か否かの判定を行う（ステップＢ３）。そして、所定範囲内であれば（ステップＢ３：ＹＥＳ）、ステップＳ４に移行し、所定範囲内でなければ（ステップＢ３：ＮＯ）、ステップＳ２に移行する。

流水量と発電機出力とは相関関係にあるため、図９においては、発電機出力が所定範囲内にあるか否か（ステップＢ３）をもって、あおり動作制御において期待される流水量の変化が得られるかを判定している。従って、所定範囲は、あおり動作許容出力範囲と言え、例えば、最大出力に対して４０％〜８０％の値などとして定められる。なお、発電機出力の代わりに、水槽水位が所定範囲内（例えば最高水位の４０％〜７０％）か否かをもって判定することとしてもよい。
また、ステップＢ３の処理を、図８のステップＡ７とステップＳ４の間に設けることとしてもよい。

［変形例５］
水車監視制御装置１００は、水位一定運転を行っている際に機能する装置であり、水位一定運転に優先してあおり動作制御を実行する。そのため、例えばあおり動作制御の実行中に水車監視制御装置１００に故障が発生した場合には、もとの水位一定運転に確実に戻す機能が必要である。そこで、水車監視制御装置１００或いは水車制御システム２００に、故障に対する保護機能を付加してもよい。

保護機能としては、（１）入力異常に対する保護機能と、（２）システム異常に対する保護機能と、（３）あおり動作制御不具合に対する保護機能と、（４）装置停止に対する保護機能との４つが考えられる。
まず、（１）入力異常に対する保護機能は、水槽水位計１１３からの水位検出信号、発電機１６からの発電機出力、開度検出器１２１からの開度検出信号の値の何れかが、規定の正常値範囲を超えて異常値となった場合の保護機能である。１つでも正常値範囲を超えた場合、あおり動作制御の実行中であれば、水車監視制御装置１００は直ちにあおり動作制御を中止し、あおり動作制御を実行していない状態であれば、あおり動作制御の実行を抑止する。

（２）システム異常に対する保護機能は、水車監視制御装置１００内の異常に対する保護機能であり、例えば、装置内の演算処理パラメータが異常値（正常値でない値）となっていたり、ＣＰＵやバス回路等の電子回路の動作パラメータ（処理負荷や伝送負荷など）が異常値を示している場合の保護機能である。これらのパラメータの値を監視し、異常値を示す場合、あおり動作制御の実行中であれば、水車監視制御装置１００は直ちにあおり動作制御を中止し、あおり動作制御を実行していない状態であれば、あおり動作制御の実行を抑止する。

（３）あおり動作制御不具合に対する保護機能は、あおり動作制御中において、ガイドベーン開度の変化制御に対して、正しくガイドベーンが駆動されていないと判断される場合の保護機能である。具体的には、水車監視制御装置１００は開度検出器１２１からの開度検出信号に基づいて、ガイドベーン開度の変化制御（あおり動作制御）が正常に機能しているか否かを判定する（例えば、任意のタイミングにおけるガイドベーン開度の指令値と、そのタイミングから一定時間経過後の検出されたガイドベーン開度との差に基づいて判定する。）。そして、正常に機能していないと判定される場合には、異常と判断して、直ちにあおり動作制御を中止する。

（４）装置停止に対する保護機能は、水車監視制御装置１００の電源喪失による装置停止に対する保護機能である。例えば、水車監視制御装置１００内に、電源が供給されると動作し、電源供給が遮断されると落下する継電器（リレー）を設け、制御装置内の回路をこの継電器を介して動作するように構成する。そして、何らかの原因で水車監視制御装置１００内への電源が遮断されて継電器が落下すると、ガイドベーン駆動部１２６への駆動制御信号を停止し、自動的に水車監視制御処理が停止することで、もとの水位一定運転に自動復旧するように構成する。或いは、水車制御システム２００が、水車監視制御装置１００への電源供給の有無又は水車監視制御装置１００の動作状態（動作しているか否か）を検出することとして、水車監視制御装置１００への電源供給が遮断されていたり、水車監視制御装置１００が動作していない状態であれば、水位一定運転に復旧させるように構成してもよい。

１５ 水車
１６ 発電機
２１ ガイドベーン
１００ 水車監視制御装置
１５０ 判定部
１６０ 制御部
１７０ 報知部
１８０ 記憶部

Claims (24)

1. 水槽水位が目標水位となるようにガイドベーン開度を自動制御する水位一定運転時において、現在の発電機出力とガイドベーン開度との関係が、異物が水車内に堆積した時の発電機出力とガイドベーン開度との関係として予め定められた異物堆積時条件を満たすことを検出する検出手段と、
   前記検出手段による検出に応じて所定の報知を行う報知手段と、
   を備えた水車監視制御装置。
2. 前記検出手段は、同一の発電機出力に対して健全時のガイドベーン開度よりも大きい開度を前記異物堆積時条件として用いて前記検出を行う、
   請求項１に記載の水車監視制御装置。
3. 前記検出手段により検出された場合にガイドベーン開度を一時的に変化させるあおり動作制御を実行するあおり動作制御手段を更に備えた請求項１又は２に記載の水車監視制御装置。
4. 前記あおり動作制御手段は、最初にガイドベーン開度を開方向に変化させ、次いで閉方向に変化させる、
   請求項３に記載の水車監視制御装置。
5. 前記あおり動作制御手段は、水槽水位が、前記あおり動作制御中に水槽からの越流を防止するために定められた所与の越流防止水位に達した場合に、ガイドベーン開度を開方向に変化させる越流防止制御手段を有する、
   請求項３又は４に記載の水車監視制御装置。
6. 前記検出手段は、前記異物の堆積度合に応じて段階的に定められた前記異物堆積時条件を用いて、前記異物の堆積度合を判定する堆積度合判定手段を有し、
   前記堆積度合判定手段により判定された堆積度合が重度の場合に、前記あおり動作制御手段によるあおり動作制御を抑止するあおり動作制御抑止手段を更に備えた、
   請求項３〜５の何れか一項に記載の水車監視制御装置。
7. 前記検出手段は、前記異物の堆積度合に応じて段階的に定められた前記異物堆積時条件を用いて、前記異物の堆積度合を判定する堆積度合判定手段を有し、
   前記あおり動作制御手段は、前記堆積度合判定手段により判定された堆積度合に応じてガイドベーン開度の変化パターンを設定し、該変化パターンに従って前記あおり動作制御を実行する、
   請求項３〜５の何れか一項に記載の水車監視制御装置。
8. 前記水槽水位の変動が所定の水槽暴れ条件を満たしたことを検出する水槽暴れ検出手段と、
   前記水槽暴れ検出手段の検出に応じて、前記あおり動作制御手段によるあおり動作制御を抑止する水槽暴れ時抑止手段と、
   を更に備えた請求項３〜７の何れか一項に記載の水車監視制御装置。
9. 前記あおり動作制御手段は、発電機出力が所定のあおり動作許容出力範囲外の場合には前記あおり動作制御を実行せず、前記検出手段による検出がなされ、且つ、発電機出力が所定のあおり動作許容出力範囲内の場合に、前記あおり動作制御を実行する、
   請求項３〜８の何れか一項に記載の水車監視制御装置。
10. 当該水車監視制御装置の故障発生を検出する故障発生検出手段と、
    前記あおり動作制御の実行中に前記故障発生検出手段により故障発生が検出された場合に、前記あおり動作制御の実行を中止する実行中止手段と、
    を更に備えた請求項３〜９の何れか一項に記載の水車監視制御装置。
11. 前記故障発生検出手段は、当該水車監視制御装置への入力値が異常値となった場合に故障発生として検出する入力値異常検出手段を有する、
    請求項１０に記載の水車監視制御装置。
12. 前記故障発生検出手段は、当該水車監視制御装置内の演算処理パラメータの値が異常値となった場合に故障発生として検出するシステム異常検出手段を有する、
    請求項１０又は１１に記載の水車監視制御装置。
13. 前記故障発生検出手段は、前記ガイドベーン開度を用いて前記あおり動作制御が正常に機能しているか否かを判定し、正常に機能していないと判定される場合に故障発生として検出するあおり制御異常検出手段を有する、
    請求項１０〜１２の何れか一項に記載の水車監視制御装置。
14. 前記故障発生検出手段は、当該水車監視制御装置への電源供給が遮断された場合に落下する継電器を有して構成され、当該継電器の落下により故障発生が検出される、
    請求項１０〜１３の何れか一項に記載の水車監視制御装置。
15. 前記検出手段は、前記異物の堆積度合に応じて段階的に定められた前記異物堆積時条件を用いて、前記異物の堆積度合を判定する堆積度合判定手段を有し、
    前記報知手段は、前記堆積度合判定手段により判定された堆積度合を含めて報知を行う、
    請求項１〜１４の何れか一項に記載の水車監視制御装置。
16. 水槽水位が目標水位となるようにガイドベーン開度を自動制御する水位一定運転時において、現在の発電機出力とガイドベーン開度との関係が、異物が水車内に堆積する時の発電機出力とガイドベーン開度との関係として予め定められた異物堆積時条件を満たすことを検出する検出ステップと、
    前記検出ステップでの検出に応じて所定の報知を行う報知ステップと、
    を含む水車監視制御方法。
17. 前記検出ステップは、同一の発電機出力に対して健全時のガイドベーン開度よりも大きい開度を前記異物堆積時条件として用いて前記検出を行うステップである、
    請求項１６に記載の水車監視制御方法。
18. 前記検出ステップでの検出に応じて前記ガイドベーン開度を一時的に変化させるあおり動作制御を実行するあおり動作制御ステップを更に含む、
    請求項１６又は１７に記載の水車監視制御方法。
19. 前記あおり動作制御ステップは、最初にガイドベーン開度を開方向に変化させ、次いで閉方向に変化させるように前記あおり動作制御を実行するステップである、
    請求項１８に記載の水車監視制御方法。
20. 前記あおり動作制御中に水槽水位が水槽からの越流を防止するために定められた所与の越流防止水位に達した場合に、ガイドベーン開度を開方向に変化させる越流防止制御ステップを更に含む、
    請求項１８又は１９に記載の水車監視制御方法。
21. 前記検出ステップは、前記異物の堆積度合に応じて段階的に定められた前記異物堆積時条件を用いて、前記異物の堆積度合を判定するステップを含み、
    前記判定された堆積度合が重度の場合に、前記あおり動作制御を抑止するあおり動作制御抑止ステップを更に含む、
    請求項１８〜２０の何れか一項に記載の水車監視制御方法。
22. 前記水槽水位の変動が所定の水槽暴れ条件を満たしたことを検出する水槽暴れ検出ステップと、
    前記水槽暴れ検出ステップの検出に応じて、前記あおり動作制御を抑止する水槽暴れ時抑止ステップと、
    を更に含む請求項１８〜２１の何れか一項に記載の水車監視制御方法。
23. 前記あおり動作制御ステップは、発電機出力が所定のあおり動作許容出力範囲外の場合には前記あおり動作制御を実行せず、前記検出ステップで検出がなされ、且つ、発電機出力が所定のあおり動作許容出力範囲内の場合に、前記あおり動作制御を実行するステップである、
    請求項１８〜２２の何れか一項に記載の水車監視制御方法。
24. 水車監視制御装置の故障発生を検出する故障発生検出ステップと、
    前記あおり動作制御の実行中に前記故障発生検出ステップでの検出がなされた場合に、前記あおり動作制御の実行を中止する実行中止ステップと、
    を更に含む請求項１８〜２３の何れか一項に記載の水車監視制御方法。

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