JP2015125665A

JP2015125665A - 水系計画装置及び方法

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Publication number: JP2015125665A
Application number: JP2013270805A
Authority: JP
Inventors: 古川　俊行; Toshiyuki Furukawa; 俊行古川; 佐藤　康生; Yasuo Sato; 康生佐藤; 理間山; Osamu Mayama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-06

Abstract

【課題】河川流量の予測誤差が大きい場合でも、水力発電所の発電計画の入力データである河川流量を、正確に把握して、火力発電所を含む他の発電設備の運用計画の作成を可能とする。
【解決手段】水力発電所の発電計画を作成する水系計画装置において、河川流量の実績値と予測値から河川流量の予測誤差を計算する予測誤差計算手段９０と、河川流量の予測誤差の中から予測誤差が小さい時間間隔を選択する計画時間間隔選択手段１００と、前記発電計画を作成する為の入力データを前記計画時間間隔選択手段で選択した時間間隔で変換する入力データ変換手段１１０と、変換した入力データに基づいて前記発電計画の作成を行う水系計画作成手段１２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明、水力発電所の発電計画を作成する水系計画装置及び方法に関する。

連接水系の水力発電所の発電計画は、種々の運用制約を満たし、連接水系の発電価値を最大化するように各水力発電所の各時刻の発電使用水量の計画を作成するものである。このような問題に対し、現実的な計算時間で問題を解くような方法として例えば特許文献1、特許文献2のような技術が開示されている。

特許文献１は、「水力発電所群に対する良質な日間発電計画案、及び代替案を実用的な処理時間で、計算機により立案する方法」について開示している。また、特許文献２は、「ダム貯水量上下限値等の静的制約条件を満たし、各時間帯の発電機出力を状態変数として所定の目的関数を最大化する発電使用水量を線形計画法により求める立案システム」について開示している。

このとき、入力データとして河川からの流入量があり、この流入量は、河川流域の雨量計などの計測データを利用して予測している。この予測手法として、ニューラルネットワークを利用している技術として例えば特許文献３がある。

ここで、特許文献３は「多数地点の雨量または多数区画の雨量（多数のメッシュ雨量）の加重比の最適化により流域平均雨量データを算出してパラメータを低減するとともに、学習効率を高めて精度良い流量予測モデルを構築し、予測精度の向上も実現する流量予測装置」について開示している。

特開平5−91799 特開2005−285032 特開2007−205001

上記従来技術では、水力発電所の発電計画の入力データである河川流量は、天候、河川流域に設置している雨量計の計測値などを利用して予測しており、河川流域の雨量を正確に把握することが非常に困難なために河川流量の予測値には予測誤差が含まれている。このため、河川流量の予測誤差が大きい場合、作成した水力発電所の発電計画の予測精度が低く、火力発電所を含む他の発電設備の運用計画の作成及び経済性に悪影響を与える。

上記課題を解決する為に本発明は、水力発電所の発電計画を作成する水系計画装置において、河川流量の実績値と予測値から河川流量の予測誤差を計算する予測誤差計算手段と、河川流量の予測誤差の中から予測誤差が小さい時間間隔を選択する計画時間間隔選択手段と、前記発電計画を作成する為の入力データを前記計画時間間隔選択手段で選択した時間間隔で変換する入力データ変換手段と、変換した入力データに基づいて前記発電計画の作成を行う水系計画作成手段とを備えることを特徴とする。

また、上記構成に基づく水系計画方法も含むものである。

本発明よると、河川流量の予測誤差が小さくなる時間間隔を選択して、発電計画の作成を行う為、水力発電所の運用計画における予測精度を向上させる。

本発明の実施形態が水系計画装置の構成図である。本発明の実施形態が適用される連接水系モデルを表す図である。本発明の実施形態による連接水系の発電計画の処理フローである。本発明の実施形態において、前日24時点のダム1の河川流量の実績値と予測値を示した図である。本発明の実施形態において前日24時点のダム1の河川流量の実績値の時間間隔を可変にしたときの河川流量を示した図である。本発明の実施形態において前日24時点のダム1の河川流量の予測値の時間間隔を可変にしたときの河川流量を示した図である。本発明の実施形態において前日24時点のダム1の河川流量の時間間隔を可変にしたときの河川流量予測誤差を示した図である。本発明の実施形態において前日24時点のダム1の河川流量の時間間隔を可変にしたときの河川流量予測誤差を時間帯指定を示した図である。本発明の実施形態において前日24時点のダム1の河川流量の時間間隔を可変にしたときの河川流量予測誤差を時間帯毎の評価結果（絶対値平均）を示した図である。本発明の実施形態において前日24時点のダム1の河川流量の時間間隔を可変にしたときの河川流量予測誤差が小さい時間間隔を時点毎に示した図である。

以下に、本発明の実施形態について、図に沿って説明する。

図１は、本発明実施形態における水系計画装置の構成を示し、入力装置５０、出力装置６０を備えた計算機とソフトウェアプログラムで構成される。

河川流量予測誤差ＤＢ１０は各ダムに流入する河川流量の予測値、実績値、河川流量の予測値と実績値より算出される予測誤差結果（時間毎）、河川流量予測誤差が小さい時間間隔の値が格納されている。格納されている河川流量の実績値、予測値、河川流量の予測誤差の時間間隔は、複数の時間間隔で格納されている。

運用ＤＢ２０には、水力発電所の発電計画に用いる各時刻の各ダムへ流入する河川流量、各ダムの運用に関係する初期水位、目標水位、ダム水位上下限値、発電使用水量上下限値、ダム水位変化上下限値、ゲート放流量上下限値、発電使用水量変化量上下限値、総需要カーブ予想値、火力増分燃料費等のデータが格納されている。

水系ＤＢ３０には、発電計画作成の対象となる連接水系ダムモデルの特性を含むダム接続データ、ダム数、ダム水位から貯水量を計算するときに使用するダム定数、発電使用水量から発電量を計算するときに使用する発電機定数、ダム間の流下遅れ時間のデータが格納されている。

発電計画ＤＢ４０には、水系計画作成手段１２０で作成される発電計画の結果が格納されている。

キーボード、マウス等を有する入力装置５０では、ソフトウェアプログラムの実行指令、発電計画に必要な運用データＳ１０などの入力をマンマシンインターフェース７０を介してデータＳ２０、データＳ１３０として、計画データ設定手段８０にはデータＳ２０、水系計画作成装置１２０にはデータＳ１３０が入力される。

液晶モニタなどの出力装置６０では、発電計画ＤＢ４０に格納されている発電計画をマンマシンインターフェース７０を介して表示する。

計画データ設定手段８０は、予測誤差計算手段９０と計画時間間隔選択手段１００と入力データ変換手段１１０で求められる河川流量の予測誤差が小さい時間間隔とその時の河川流量予測値からなるデータＳ５０と運用ＤＢ２０より発電計画に用いるダム運用のデータである各時刻の各ダムへ流入する河川水量、各ダムの運用に関係する初期水位、目標水位、ダム水位上下限値、発電使用水量上下限値、ダム水位変化上下限値、ゲート放流量上下限値、発電使用水量変化量上下限値、総需要カーブ、火力増分燃料費からなるデータＳ９０と水系ＤＢ３０より、発電計画作成の対象となる連接水系ダムモデルの特性を含むダム接続データ、ダム数、ダム水位から貯水量を計算するときに使用するダム定数、発電使用水量から発電量を計算するときに使用する発電機定数、ダム間の流下遅れ時間からなるデータＳ１００を取得する。

更に、データＳ５１、Ｓ９０、Ｓ１００より、各時刻の各ダムへ流入する河川流量、各ダムの運用に関係する初期水位、目標水位、ダム水位上下限値、ゲート放流量上下限値、発電使用水量上下限値、ダム水位変化上下限値、発電使用水量変化量上下限値、連接水系ダムモデルのダム接続データ、ダム数、ダム定数、発電機定数、ダム間の流下遅れ時間を利用して制約条件の作成、ダム定数、発電機定数、各時刻の総需要カーブ予想値または火力増分燃料費データを利用して連接水系の発電価値が最大となる目的関数を生成し、水系計画作成手段１２０の入力データＳ１１０とする。

予測誤差計算手段９０は、計画データ設定手段８０より実行指令Ｓ３０を受取り、河川流量予測誤差ＤＢから過去２４時点の各ダムに流入する河川流量の予測値、実績値からなるデータＳ６０を取得し、河川毎に時間毎の河川流量の予測誤差を計算する。また、取得したデータＳ６０より時間間隔を変更して河川流量の予測誤差を計算し、その結果がデータＳ６１として河川流量予測誤差ＤＢ１０に格納される。

計画時間間隔選択手段１００は、計画データ設定手段８０より実行指令Ｓ４０を受取り、河川流量予測誤差ＤＢ１０より各河川の時間間隔の河川流量予測誤差からなるデータＳ７０を取得し、河川流量の予測誤差が小さい時間間隔からなるデータＳ７１を河川流量予測誤差ＤＢ１０に格納する。

入力データ変換手段１１０は、計画データ設定手段８０より実行指令Ｓ５０を受取り、河川流量予測誤差ＤＢ１０から河川流量予測誤差が小さい時間間隔とその時間間隔のときの河川流量予測値からなるデータＳ８０を取得し、入力データ変換手段１１０でデータＳ８０をデータＳ５１として計画データ設定手段８０へ送信する。

水系計画作成手段１２０は、計画データ設定手段８０で生成された制約条件および目的関数のデータＳ１１０を格納する記憶装置と、最適化計画プログラムと、最適化計画プログラムを実行するＣＰＵを備え、制約条件を満たし目的関数を最適化する水力発電所の発電計画を作成し、そのデータをＳ１２０とし、発電計画ＤＢ４０に格納する。

図２は、本発明の実施形態が適用される連接水系モデルを表す模式図である。図２は３つのダムの連接水系モデルを表しており、上流からダム１、ダム２、ダム３の順に設置されている。ｉはダム番号、ｔは時刻、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３はダム１、ダム２、ダム３の発電機を示す。Ｑ１ｔ、Ｑ２ｔ、Ｑ３ｔはダム１、２、３のｔ時の発電使用水量、Ｒ１ｔ、Ｒ２ｔ、Ｒ３ｔはダム１、ダム２、ダム３のｔ時のゲート放流量、Ｉ１ｔ、Ｉ２ｔ、Ｉ３ｔは河川からダム１、２、３へのｔ時の河川流量、Ｖ１ｔ、Ｖ２ｔ、Ｖ３ｔはダム１、２、３のｔ時の貯水量である。

図３は、本発明の水系計画装置の処理フロー図を示す。

以下、その内容の一例について説明する。

ここでは、河川流量データ、総需要データなどの発電計画の入力データの時間間隔（需給運用時間間隔）は１時間を基準にとして本発明の内容を説明する。

前日24時点の河川流量の予測誤差を計算する。

計画・運用条件の設定（Ｓ１）では、入力装置５０より、水力発電所の発電計画の作成日、各ダムに流入する河川流量の予測値、各ダムの運用に関係する初期水位、目標水位、ダム水位上下限値、発電使用水量上下限値、ダム水位変化上下限値、ゲート放流量上下限値、発電使用水量変化量上下限値、総需要カーブ予想値、火力増分燃料費のデータを入力する。

また、水系ＤＢ３０の発電計画作成の対象となる連接水系ダムモデルの特性を含むダム接続データ、ダム数、ダム水位から貯水量を計算するときに使用するダム定数、発電使用水量から発電量を計算するときに使用する発電機定数、ダム間の流下遅れ時間のデータをマンマシンインターフェース７０を介して出力装置６０に表示させ、確認する。

過去の河川流量の予測誤差計算（Ｓ２）では、運用ＤＢ２０に格納してある前日２４時間の河川流量の実績値と予測値を利用して、河川流量の予測誤差を時間間隔に数１より算出する。

算出した河川流量の予測誤差、実績値、予測値は、図４に示す構成で河川流量予測誤差ＤＢ１０に格納する。

なお、数１において、ERitは河川iのｔ時点の予測誤差、FRitは河川iのｔ時点の予測値、MRitは河川iのｔ時点の実績値を表す。

計画時間間隔を変更し河川流量の予測誤差計算（Ｓ３）では、Ｓ２で使用した前日24時点の河川流量の実績値、予測値を使用して、時間間隔を可変させた時の河川流量の実績値、平均値を下記数２、数３より算出する。

本実施例では、時間間隔の可変を１、２、３とする。

下記数２より算出した時間間隔を可変にしたときの河川流量の予測値は、図５に示す構成で河川流量予測誤差ＤＢ１０に格納する。

同様に、下記数３より算出した時間間隔を可変にしたときの河川流量の実績値は、図６に示す構成で河川流量予測誤差ＤＢ１０に格納する。

次に、時間間隔毎に数１により河川流量の予測誤差を計算し、図７に示す構成で河川流量予測誤差ＤＢ１０に格納する。

実績値、予測値は、図４に示す構成で河川流量予測誤差ＤＢ１０に格納する。

なお、数２において、Ｔｄは時間間隔、FRtd_itは時間間隔Ｔｄのときの河川iのｔ時点の予測値、FRitは河川iのｔ時点の予測値を表す。

なお、数３において、Ｔｄは時間間隔、MRtd_itは時間間隔Ｔｄのときの河川iのｔ時点の実績値、MRitは河川iのｔ時点の実績値を表す。

現状より小さい河川流量の予測誤差の計画時間間隔を選択（Ｓ４）では、Ｓ３で求めた図４に示す時間間隔毎の河川流量の予測誤差をもとに河川流量の予測誤差が小さい時間間隔を選択する。

時間間隔の評価では、２４時点を１つの時間帯とする評価（１日での評価）と複数の時間帯で評価する方法を選択する。次に時間帯ごとの予測誤差を各時点の河川流量の予測誤差を使用し、絶対値平均誤差、二乗平均平方根誤差などで算出する。

下記数４には、絶対値平均誤差の式を示す。

なお、数４において、ERtd_itは時間間隔Ｔｄのときの河川iのｔ時点の河川流量予測誤差、FRtd_itは時間間隔Ｔｄのときの河川iのｔ時点の予測値、MRtd_itは時間間隔Ｔｄのときの河川iのｔ時点の実績値、NTdは時間間隔Tdのときの時間帯の中のデータ数（Td=１のとき N_TD＝６ｔ＝１、２、３・・・・・２４、Td=２のとき N_TD＝３ｔ＝２、４、６・・・・・２４、Td=３のとき N_TD＝２ｔ＝３、６、９・・・・・２４）を表す。

図８には、複数の時間帯で評価する例として、図７に示した各時間間隔の河川流量の予測誤差を１つの時間帯の時点数を６時点としたときの時間帯の区分を示す。

図９には、図８の時間帯ごとの時間間隔の河川流量予測誤差の計算結果を示す。

図９では、時間帯１から順に河川流量予測誤差が小さい時間間隔を時間間隔１から時間間隔３の中から１つ選択する。

時間帯１では時間間隔３、時間帯２では時間間隔２、時間帯３では時間間隔３、時間帯４では時間間隔３を選択し、図１０に示す構成で河川流量予測誤差ＤＢ１０に格納する。

上記選択した計画時間間隔に入力データを変換（Ｓ５）では、S4で選択した時間帯毎に求めた時間間隔にあわせて、１時間間隔の河川流量予測値、総需要カーブ、各種制約条件の制約値を変換する。

最適化手法で水力発電所の発電計画を作成（Ｓ６）では、計画データ設定手段８０で作成した制約条件、目的関数を利用して、水系計画作成手段１２０において、最適化手法である内点法を用いて、制約条件を満たし目的関数を最大化する各ダムの時刻毎の発電使用水量を求め、出力装置６０への表示、発電計画DB４０に格納する。出力装置６０への表示のときは、各時間帯で選択した時間間隔が時間間隔２、時間間隔３の箇所は数値の色、サイズなどを区別して表示する。

以下に各制約条件、目的関数を示す。

（ａ）発電使用水量上下限制約：各ダムの発電機の発電使用水量上下限制約は、下記数５の通りである。

なお、数５において、Ｑi、t minはダムiのt時刻の発電使用水量下限値、Ｑi、t maxはダムiのt時刻の発電使用水量上限値を表す。

（ｂ）ゲート放流量上下限制約：各ダムのゲート放流量の上下限制約は、下記数６の通りである。

なお、数６において、Ri、t minはダムiのt時刻のゲート放流量下限値、Ri、t maxはダムiのt時刻のゲート放流量上限値を表す。

（ｃ）ダム水位上下限制約：ダムiの時刻ｔの水位Ｈiｔと貯水量Ｖiｔは下記数７の関係がある。ここでは、ダム水位上下限制約をダム貯水量上下限制約に置き換えて考慮する。上流ダム以外のダム貯水量Ｖiｔは、数８に示すように初期貯水量と上流ダムと河川からの流入量の積分の和から下流のダムへの放流量の積分を引いた値となる。また、図２連接水系モデルのダム１の場合は、上流ダムからの発電使用水量、ゲート放流量がないので下記数９のようになる。

なお、数７において、Hitはダムiのt時刻のダム水位、ai、bi、ciはダムiのダム定数、Vitはダムiのt時刻の貯水量を表す。

なお、数８において、Vi、t minはダムiのt時刻の最小貯水量（水位下限のとき）、 Vi、t maxはダムiのt時刻の最大貯水量（水位上限のとき）、Vi0はダムiの初期の貯水量（初期水位のとき）、Iitはダムiのt時刻の河川流入量、Qi-1、tはダムi-1のt時刻の発電使用水量、Ri-1、tはダムi-1のt時刻のゲート放流量、Ｑitはダムiのt時刻の発電使用水量、Rit はダムiのt時刻のゲート放流量を表す。

なお、数９において、Vi、t minはダムiのt時刻の最小貯水量（水位下限のとき）、Vi、t maxはダムiのt時刻の最大貯水量（水位上限のとき）、Vi0はダムiの初期の貯水量（初期水位のとき）、Iitはダムiのt時刻の河川流入量、Ｑitはダムiのt時刻の発電使用水量、Rit はダムiのt時刻のゲート放流量を表す。

（ｄ）目的関数：連接水系の発電計画の目的関数は、発電価値を最大化するために、火力発電機の発電コストが高い時刻に連接水系の発電出力を増加するように、効果係数に火力発電機の増分燃料費（1ｋWｈ発電の要するコスト）を利用した下記数１０とする。数１０の連接水系の発電量Pitは、発電使用水量Qを利用すると下記数１１で計算できる。

なお、数１０において、Pitはダムiのt時刻の発電量、di 、 ei 、fi はダムiの発電機定数、Qitはダムiのt時刻の発電使用水量、Hitはダムiのt時刻のダム水位を表す。

なお、数１１において、Pitはダムiのt時刻の発電量、ｋｔはｔ時刻の効果係数を表す。

以上のようにして、計算機で水力発電所の発電計画を作成する装置において、計画作成日の前日２４時点の河川流量の実績値と予測値を利用して、時間間隔を可変にしたときの河川流量の予測誤差を計算し、その中で河川流量予測誤差が小さい時間間隔を選択し、その時間間隔で水力発電所の発電計画を作成することによりダムの効率運用や水力発電電力をもとに作成する火力発電機の運用計画の経済性の精度が向上できる。

本実施例では、S2、S3、S4では１つの河川での説明であったが、連接水系のように複数ダムの場合でもダム毎に流入する河川に対し同様に適用できる。

１０…河川流量予測誤差DB
２０…運用DB
３０…水系DB
４０…発電計画DB
５０… 入力装置
６０…出力装置
７０…マンマシンインターフェ-ス
８０…計画データ設定手段
９０…予測誤差計算手段
１００…計画時間間隔選択手段
１１０…入力データ変換手段
１２０…水系計画作成手段

Claims

水力発電所の発電計画を作成する水系計画装置において、
河川流量の実績値と予測値から河川流量の予測誤差を計算する予測誤差計算手段と、河川流量の予測誤差の中から予測誤差が小さい時間間隔を選択する計画時間間隔選択手段と、前記発電計画を作成する為の入力データを前記計画時間間隔選択手段で選択した時間間隔で変換する入力データ変換手段と、変換した入力データに基づいて前記発電計画の作成を行う水系計画作成手段とを備えることを特徴とする水系計画装置。
請求項１に記載の水系計画装置において、
前記予測誤差計算手段は、時間間隔を可変させて河川流量の予測誤差を計算することを特徴とする水系計画装置。
請求項１に記載の水系計画装置において、
前記計画時間間隔選択手段は、２４時点の河川流量予測誤差に対し複数時点を１つの時間帯として評価し、前記選択をすることを特徴とする水系計画装置。
請求項３に記載の水系計画装置において、
前記計画時間間隔選択手段は、複数の予測誤差の絶対値平均又は二乗平均平方根を含む複数の方法で評価することを特徴とする水系計画装置。
請求項１に記載の水系計画装置において、
前記変換した入力データには、河川流量の予測誤差が小さい時間間隔及び前記時間間隔における河川流量予測値が含まれることを特徴とする水系計画装置。
請求項１に記載の水系計画装置において、
前記変換した入力データ、及びダム運用又は特性に関するデータに基づいて、前記発電計画における制約条件及び目的関数を生成する計画データ設定手段を備えることを特徴とする水系計画装置。
請求項６に記載の水系計画装置において、
前記制約条件には、発電使用水量上下限制約、ゲート放流量上下限制約又はダム水位上下限制約が含まれることを特徴とする水系計画装置。
請求項６に記載の水系計画装置において、
前記計画データ設定手段は、ダム運用に関するデータに含まれる総需要カーブ予想値又は火力増分燃料費データに基づいて、連接する水力発電所の発電価値を最大化する目的関数を生成することを特徴とする水系計画装置。
請求項６に記載の水系計画装置において、
前記ダム運用又は特性に関するデータは、各時刻の各ダムへ流入する河川流量、各ダムの運用に関係する初期水位、目標水位、ダム水位上下限値、ゲート放流量上下限値、発電使用水量上下限値、ダム水位変化上下限値、発電使用水量変化量上下限値、連接水系ダムモデルのダム接続データ、ダム数、ダム定数、発電機定数、ダム間の流下遅れ時間を利用して制約条件の作成、ダム定数、発電機定数、各時刻の総需要カーブ予想値又は火力増分燃料費データを含むことを特徴とする水系計画装置。
請求項６に記載の水系計画装置において、
前記水系計画作成手段は、前記計画データ設定手段で生成された制約条件及び目的関数のデータを格納する記憶装置と、最適化計画プログラムと、最適化計画プログラムを実行するＣＰＵとを備え、前記制約条件を満たし、前記目的関数を最適化する発電計画を作成することを特徴とする水系計画装置。
水力発電所の発電計画を作成する水系計画方法において、
河川流量の実績値と予測値から河川流量の予測誤差を計算するステップと、河川流量の予測誤差の中から予測誤差が小さい時間間隔を選択するステップと、前記発電計画を作成する為の入力データを前記選択した時間間隔で変換するステップと、変換した入力データに基づいて前記発電計画の作成を行うステップと含むことを特徴とする水系計画方法。