JP2016034194A

JP2016034194A - 水力発電制御システム

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Publication number: JP2016034194A
Application number: JP2014156297A
Authority: JP
Inventors: 正博友池; Masahiro Tomoike
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: JP5937152B2

Abstract

【課題】単独運転による自動停止状態から早期かつ適正に発電機を再起動させる。【解決手段】送電母線２０１と水力発電機１０１との接続を遮断可能な受電遮断器２と、電力の周波数および電圧の少なくとも一方に基づいて、水力発電機１０１が送電母線２０１から分離されて単独運転であることを検知する単独運転検知装置３と、水力発電機１０１が停止時に、受電遮断器２が非遮断状態となり、単独運転検知装置３が非検知状態となった場合に、水力発電機１０１を起動させる制御部６と、を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、水力発電所における発電機を制御する水力発電制御システムに関し、特に、発電機を停止状態から再起動させる水力発電制御システムに関する。

川の水をそのまま引き込んで発電する流れ込み（自流）式発電においては、水槽水位の増減に従って発電機の出力調整や運転、停止の自動制御を行っている。また、連系する送電線の事故などによって、発電機が系統から分離されて単独運転となった場合、発電出力の周波数や電圧を検出する単独運転検出装置（周波数継電器と電圧継電器）の設定値が一定時限を超えると、閉塞継電器（８６−Ａ）によって発電機を自動停止させている。その後、運転者が、系統が復旧したことや発電機に故障がないことを確認して、閉塞継電器を手動操作して発電機を再起動させている。

一方、異常事態の復旧を判定した時に、制御機に対して水力発電機の稼働の再開を指示する水力発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この水力発電システムは、現場において保守員による復旧作業が行われ、復旧が完了して保守員がサーバに対して発電機の再稼働を要求すると、サーバは、異常事態が復旧したと判定して制御機に稼働再開を指示するものである。

特開２００８−０９９３７３号公報

ところで、従来は、系統が復旧したことや発電機に故障がないことを運転者が確認し、閉塞継電器を手動操作して発電機を再起動させるため、運転者が失念等した場合には、発電機の運転が遅れることになる。この結果、発電水が水槽から溢れ出たり、上流に位置する調整池の水位が自然流量によって上昇して、ダムから緊急放流する必要が生じたりする場合がある。

一方、特許文献１の水力発電システムでは、保守員がサーバに対して発電機の再稼働を要求することで、異常事態が復旧したと判定するものであるため、保守員が要求を失念等した場合には、発電機の運転が遅れることになる。しかも、保守員の作業完了に伴う要求だけをもって発電機を再起動させるが、単独運転による自動停止状態から適正に再起動させるには、その他の状況・状態を適正に考慮して再起動の要否を判定する必要がある。

そこでこの発明は、単独運転による自動停止状態から早期かつ適正に発電機を再起動させることが可能な、水力発電制御システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、送電系統に接続された水力発電機の運転を制御する水力発電制御システムであって、前記送電系統と前記水力発電機との接続を遮断可能な遮断手段と、電力の周波数および電圧の少なくとも一方に基づいて、前記水力発電機が前記送電系統から分離されて単独運転であることを検知する単独運転検知手段と、前記水力発電機が停止時に、前記遮断手段が非遮断状態となり、前記単独運転検知手段が非検知状態となった場合に、前記水力発電機を起動させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、水力発電機が停止時に、遮断手段が非遮断状態（送電系統と水力発電機とが接続された状態）となり、単独運転検知手段が非検知状態（水力発電機が単独運転でない状態）となった場合に、制御手段によって水力発電機が起動される。

請求項２の発明は、請求項１に記載の水力発電制御システムにおいて、前記水力発電機に供給する水を貯留する貯水池の水位を計測する水位計測手段を備え、前記制御手段は、前記水力発電機が停止時に、前記遮断手段が非遮断状態となり、前記単独運転検知手段が非検知状態となり、かつ、前記水位計測手段によって水位の上昇が計測された場合に、前記水力発電機を起動させる、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の水力発電制御システムにおいて、前記制御手段は、前記遮断手段が遮断状態となり、前記単独運転検知手段が検知状態となった場合に、前記水力発電機を停止させる、ことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、水力発電機が停止時に、所定の状態になると、制御手段によって自動的に水力発電機が起動されるため、保守員に依存せず、早期に水力発電機を再起動させることが可能となる。しかも、送電系統と水力発電機とが接続された状態となり、水力発電機が単独運転でないことが検知・確認された場合、つまり、水力発電機による発電を確実・適正に送電系統で受電できる状態になった場合に、水力発電機が起動されるため、適正な状態で水力発電機を再起動させることが可能となる。

請求項２の発明によれば、貯水池の水位の上昇が計測された場合に、水力発電機が起動されるため、より適正な状態で水力発電機を再起動させることが可能となる。すなわち、水力発電機の停止中に貯水池の水位が上昇していないにもかかわらず、水力発電機を再起動させると、貯水池の水位が必要最低水位よりも低下する場合があるが、この発明によれば、そのようなことがなく、より適正な状態で水力発電機を再起動させることが可能となる。

請求項３の発明によれば、遮断手段が遮断状態（送電系統と水力発電機との接続が遮断された状態）となり、単独運転検知手段が検知状態（水力発電機が単独運転）となった場合に、制御手段によって水力発電機が停止される。このため、適正な状態で安全に水力発電機を自動停止させることが可能となる。

この発明の実施の形態に係る水力発電制御システムを示す概略構成ブロック図である。図１の水力発電制御システムが適用される流れ込み式発電設備を示す概要図である。図１の水力発電制御システムと送電系統との関係を示す概要図である。図１の水力発電制御システムの単独運転検知装置の検出条件等を示す図（ａ）と、水力発電機の再起動条件等を示す図（ｂ）である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１〜図４は、この発明の実施の形態を示し、図１は、この実施の形態に係る水力発電制御システム１を示す概略構成ブロック図である。この水力発電制御システム１は、送電母線（送電系統）２０１に接続・連系された水力発電機１０１の運転を制御するシステムであり、主として、受電遮断器（遮断手段）２と、単独運転検知装置（単独運転検知手段）３と、水位計（水位計測手段）４と、閉塞継電器５と、制御部（制御手段）６と、を備えている。

ここで、水力発電制御システム１が適用される流れ込み式発電設備について、図２に基づいて説明する。図２中符号１０１は、水力発電所Ｓに設置された水力発電機であり、水車や発電機などから構成されている。この水力発電機１０１は、上流側の水槽（貯水池）１０２と鉄管１０３を介して接続され、水槽１０２内の水が、発電水として鉄管１０３および入口弁１０４を介して、水力発電機１０１に流入することで発電され、放水路１０５に流出されるようになっている。

また、水槽１０２の上流側には調整池（貯水池）１１１が設けられ、調整池１１１内の水が取水口ゲート１１２および水路１１３を介して水槽１０２に流入するようになっている。このように、水槽１０２と調整池１１１とが、水力発電機１０１に供給する水を貯留する貯水池を構成している。また、調整池１１１から溢れ出た放流水は、河川に流れるようになっている。

受電遮断器２は、図３に示すように、送電母線２０１と水力発電機１０１との接続を遮断可能な遮断器であり、この受電遮断器２が非遮断状態の場合には、水力発電機１０１で発電された電力が送電母線２０１に送電される。一方、受電遮断器２が遮断状態の場合には、水力発電機１０１が送電母線２０１から分離される。この受電遮断器２は、送電系統全体を監視、管理等するシステムによって制御され、連系する送電母線２０１の事故などが発生すると遮断され、事故などが復旧すると投入されるようになっている。このような受電遮断器２の動作状態、つまり、遮断状態か非遮断状態かは、リアルタイムに制御部６に送信されるようになっている。

ここで、この実施の形態では、水力発電機１０１を複数備え、各水力発電機１０１に対して発電機部遮断器・交流遮断器（５２Ｇ）２１が設けられている。そして、受電遮断器２が非遮断状態である通常運転状態において、水槽水位の増減に基づく制御シーケンスに従って各発電機部遮断器２１が制御されることで、各水力発電機１０１による発電電力が出力調整されて、送電母線２０１に送電されるようになっている。

単独運転検知装置３は、水力発電所Ｓ内（受電遮断器２から水力発電機１０１側）の電力の周波数および電圧の少なくとも一方に基づいて、水力発電機１０１が送電母線２０１から分離されて単独運転であることを検知する装置であり、既製・既存の単独運転検知装置と同等の構成となっている。すなわち、電圧継電器（８４）と周波数継電器（９５）とを備え、図４（ａ）に示すように、次のいずれかのケース１〜４に該当して、所定の時限継続した場合に、水力発電機１０１が単独運転であると判断（検知）する。

ケース１；水力発電機１０１側の電圧が所定上限値（８４Ｈ）を超えた場合
ケース２；水力発電機１０１側の電圧が所定下限値（８４Ｌ）よりも下がった場合
ケース３；水力発電機１０１側の周波数が所定上限値（９５Ｈ）を超えた場合
ケース４；水力発電機１０１側の周波数が所定下限値（９５Ｌ）よりも下がった場合
一方、水力発電機１０１の単独運転を検知した後に、すべてのケース１〜４に該当しなくなって所定の時限継続した場合に、水力発電機１０１が単独運転でなくなったと判断（非検知）する。このような単独運転検知装置３の動作結果、つまり、検知状態か非検知状態（復帰）かは、リアルタイムに制御部６に送信されるようになっている。

水位計４は、水力発電機１０１に供給する水を貯留する貯水池の水位を常時計測する計測器であり、この実施の形態では、水槽１０２と調整池１１１との双方に配設されている。そして、各水位計４で計測された水位は、リアルタイムに制御部６に送信され、制御部６で記憶されるようになっている。

閉塞継電器５は、水力発電機１０１を自動停止または自動起動させるための継電器（８６）であり、後述するように、制御部６によって制御される。

制御部６は、閉塞継電器５を制御することで水力発電機１０１を自動停止または自動起動するものであり、水力発電所Ｓ内に配設されている。

まず、水力発電機１０１が起動時に、受電遮断器２が遮断状態となり、単独運転検知装置３が検知状態（単独運転検知装置３によって水力発電機１０１の単独運転が検知された状態）となった場合に、水力発電機１０１を停止させる。すなわち、送電母線２０１と水力発電機１０１との接続が遮断され（送電線事故等が発生し）、かつ、水力発電機１０１の周波数や電圧が異常となって単独運転が検知される、という自動停止条件が成立した場合に、閉塞継電器５によって水力発電機１０１を自動停止する。このように、受電遮断器２の遮断状態と単独運転検知装置３の検知状態との双方が確認されたことをもって、水力発電機１０１の単独運転状態を確定して、水力発電機１０１を停止するべきとするものである。

一方、水力発電機１０１が停止時に、図４（ｂ）に示すように、受電遮断器２が非遮断状態となり、単独運転検知装置３が非検知状態（単独運転検知装置３によって水力発電機１０１の単独運転が検知されない状態）となり、かつ、水位計４によって水位の上昇が計測された場合に、水力発電機１０１を起動させる。すなわち、送電母線２０１と水力発電機１０１とが接続され（送電線事故等が復旧し）、水力発電機１０１の周波数や電圧が正常となって単独運転が検知されず（水力発電機１０１に故障がなく）、かつ、水力発電機１０１の停止中に水槽１０２や調整池１１１の水位が上昇した、という自動起動条件が成立した場合に、閉塞継電器５によって水力発電機１０１を自動起動する。

このように、受電遮断器２の非遮断状態、つまり送電線事故等の復旧と、単独運転検知装置３の非検知状態、つまり水力発電機１０１が正常であること、との双方が確認されたことをもって、水力発電機１０１が単独運転状態でないことを確定し、かつ、水位の上昇が確認された場合に、水力発電機１０１を再起動すべきとするものである。ここで、水槽１０２や調整池１１１の容量、水系統・水路などに応じて、水位の上昇は、水槽１０２と調整池１１１との双方を条件としてもよいし、いずれか一方を条件としてもよい。

次に、このような構成の水力発電制御システム１の作用および、水力発電制御システム１による水力発電制御方法などについて説明する。

まず、水力発電機１０１が起動して発電、送電状態において、送電母線２０１に事故が発生すると、受電遮断器２が遮断され、水力発電機１０１が送電母線２０１から分離されて、水力発電機１０１側における電力の周波数および電圧が変動する。これにより、単独運転検知装置３によって、上記のようにして水力発電機１０１が単独運転であることが検知される。続いて、上記のような自動停止条件が成立するため、制御部６によって水力発電機１０１が自動停止され、水槽１０２や調整池１１１からの水が、水力発電機１０１側に流れなくなる。これにより、上流側からの水流がある場合には、水槽１０２や調整池１１１の水位が上昇する。

その後、送電母線２０１の事故が復旧すると、受電遮断器２が投入され、水力発電機１０１が送電母線２０１に接続されて、水力発電機１０１側における電力の周波数および電圧が正常化する。これにより、上記のようにして単独運転検知装置３が非検知・復帰となる。そして、水槽１０２や調整池１１１の水位が上昇している場合には、上記のような自動起動条件が成立するため、制御部６によって水力発電機１０１が自動起動され、停止前の負荷で運転されるものである。

以上のように、この水力発電制御システム１および水力発電制御方法によれば、水力発電機１０１が停止時に、所定の状態になって自動起動条件が成立すると、制御部６によって自動的に水力発電機１０１が起動されるため、保守員に依存せず、早期に水力発電機１０１を再起動させることが可能となる。このため、発電水が水槽１０２や調整池１１１から溢れ出ることが防止・抑制され、発電水を発電に有効利用することができる。

また、送電母線２０１と水力発電機１０１とが接続された状態となり、水力発電機１０１が単独運転でないことが検知・確認された場合、つまり、水力発電機１０１による発電を確実・適正に送電母線２０１で受電できる状態になった場合に、水力発電機１０１が起動されるため、適正な状態で水力発電機１０１を再起動させることが可能となる。

しかも、水槽１０２や調整池１１１の水位が上昇している場合に、水力発電機１０１が起動されるため、より適正な状態で水力発電機１０１を再起動させることが可能となる。すなわち、水力発電機１０１の停止中に水槽１０２や調整池１１１の水位が上昇していないにもかかわらず、水力発電機１０１を再起動させると、水槽１０２や調整池１１１の水位が必要最低水位よりも低下する場合があるが、この水力発電制御システム１によれば、そのようなことがなく、より適正な状態で水力発電機１０１を再起動させることが可能となる。

一方、受電遮断器２が遮断されて送電母線２０１と水力発電機１０１との接続が遮断され、単独運転検知装置３で水力発電機１０１の単独運転が検知された場合に、制御部６によって水力発電機１０１が停止される。このため、適正な状態で安全に水力発電機１０１を自動停止させることが可能となる。

ところで、既存の流れ込み式発電設備・水力発電所Ｓにおいては、受電遮断器２、単独運転検知装置３、水位計４および閉塞継電器５が備わっているため、制御部６を設けるだけで、容易かつ低コストで水力発電制御システム１を構築することができる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、流れ込み式の水力発電の場合について説明したが、流れ込み式以外の水力発電にも適用することができる。

１水力発電制御システム
２受電遮断器（遮断手段）
３単独運転検知装置（単独運転検知手段）
４水位計（水位計測手段）
５閉塞継電器
６制御部（制御手段）
１０１水力発電機
１０２水槽（貯水池）
１１１調整池（貯水池）
２０１送電母線（送電系統）
Ｓ水力発電所

Claims

送電系統に接続された水力発電機の運転を制御する水力発電制御システムであって、
前記送電系統と前記水力発電機との接続を遮断可能な遮断手段と、
電力の周波数および電圧の少なくとも一方に基づいて、前記水力発電機が前記送電系統から分離されて単独運転であることを検知する単独運転検知手段と、
前記水力発電機が停止時に、前記遮断手段が非遮断状態となり、前記単独運転検知手段が非検知状態となった場合に、前記水力発電機を起動させる制御手段と、
を備えることを特徴とする水力発電制御システム。
前記水力発電機に供給する水を貯留する貯水池の水位を計測する水位計測手段を備え、
前記制御手段は、前記水力発電機が停止時に、前記遮断手段が非遮断状態となり、前記単独運転検知手段が非検知状態となり、かつ、前記水位計測手段によって水位の上昇が計測された場合に、前記水力発電機を起動させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の水力発電制御システム。
前記制御手段は、前記遮断手段が遮断状態となり、前記単独運転検知手段が検知状態となった場合に、前記水力発電機を停止させる、
ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の水力発電制御システム。