JP5394138B2 - 貯水施設運用支援システム、貯水施設運用支援方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、貯水施設運用支援システム、貯水施設運用支援方法およびプログラムに関する。

水力発電を効率的に行うために、コンピュータによる運用支援システムが用いられている。例えば、特許文献１では、１日の放水水量に基づいて自動計算した発電機運転計画及び水位計画や、過去の発電機運転計画及び水位計画の実績データなどを表示し、必要に応じて修正を受け付けて発電運用計画を作成している。

特開２００６−３９８３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、貯水池における１日の放水水量や実績に応じて水位を計画しているものの、無効放流量については何ら着目していない。

本発明は、このような背景を鑑みてなされたものであり、無効放流を減らすことができるように貯水施設の運用を支援するシステム、方法及びプログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明のうち主たる発明は、水力発電のための貯水施設の運用を支援するシステムであって、所定の運用期間を構成する各単位期間における前記貯水施設への流入量の発生確率の分布を求めるための確率分布を取得する確率分布取得部と、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間における前記流入量に基づいて、前記水力発電により前記単位期間に発電される電力量を算出するための電力量モデルと、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間における前記流入量および前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位に基づいて、前記水力発電のために用いられずに放流される無効放流量を算出するための無効放流モデルとを記憶するモデル記憶部と、前記各単位期間について、前記単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間の終了時点における水位を変化させ、前記単位期間における前記流入量を変化させていき、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記電力量モデルに適用して前記電力量を算出し、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記無効放流モデルに適用して前記無効放流量を算出し、前記確率分布から求められる流入量の発生確率を前記電力量に乗じた値を算出し、各前記流入量について、前記発生確率を前記電力量に乗じた値を合計したものから、前記無効放流量に所定の係数を乗じた値を減じて、前記電力量の評価値を算出していき、前記評価値の合計が最大となる前記水位の組合せを決定する最適水位決定部と、を備えることとする。

本発明の貯水施設運用支援システムによれば、無効放流量が少なくなるように考慮しつつ、発電電力量が大きくなるように貯水施設の最適な計画水位を求めることができる。無効放流量が多くなると貯水施設より下流の地域に増水等が発生するおそれがあるため、無効放流量が少なくなるように計画水位を調節することにより、貯水施設より下流の地域における安全を確保し、河川などの保安業務の負荷を軽減することができる。

また、本発明の貯水施設運用支援システムでは、前記最適水位決定部は、前記単位期間の開始時点における水位を、所定の最低水位から所定の最高水位まで所定のステップごとに変化させるようにしてもよい。

また、本発明の貯水施設運用支援システムでは、前記最適水位決定部は、前記単位期間における前記流入量を、所定の最小量から所定の最大量まで所定の単位量ごとに変化させるようにしてもよい。

また、本発明の貯水施設運用支援システムでは、前記最適水位決定部は、確率論的動的計画法により、前記評価値の合計が最大となる前記水位の組合せを決定するようにしてもよい。

また、本発明の貯水施設運用支援システムでは、貯水施設運用支援システムは、前記貯水施設において水力発電に利用する水量である取水量の最大値である最大取水量、前記取水量の最小値である最小取水量および維持流量を含む、前記貯水施設の諸元を記憶する諸元記憶部を備え、前記モデル記憶部に記憶されているモデルは、水位をＨ、貯水量をＶ、前記貯水施設において貯水量を水位に変換するための定数をａ、時点ｔから時点ｔ＋１までの間に増加する貯水量の差である貯水量差をΔＶ_ｔ、前記維持流量をＳ０、流入量をＲ、前記取水量をＱ、前記最小取水量をＱ_ｍｉｎ、前記最大取水量をＱ_ｍａｘ、前記無効放流量をＳとして、式

および

により表されることとしてもよい。

また、本発明の貯水施設運用支援システムでは、前記モデル記憶部は、前記無効放流量を算出するためのモデルである第１のモデルに加えて、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位、前記単位期間における前記流入量に基づいて、前記水力発電により前記単位期間に発電される電力量を算出するための第２のモデルを記憶しており、前記各単位期間における前記貯水施設への流入量の発生確率の分布を求めるための確率分布を取得する確率分布取得部と、前記運用期間における単位期間ｍ（ｍ＝１，．．．，ｎ）のそれぞれについて、単位期間ｍの開始時点における水位をＨｍ、単位期間における流入量をＲｍとし、ＨｍおよびＨｍ＋１を変化させ、変化させたＨｍおよびＨｍ＋１の各組合せにつき、Ｒｍを変化させ、Ｈｍ、Ｈｍ＋１、Ｒｍを前記モデルに適用して前記電力量を算出し、前記確率分布から求められるＲｍの発生確率を前記電力量に乗じた値を算出していき、各Ｒｍについて算出した前記発生確率を前記電力量に乗じた値を合計して、ＨｍおよびＨｍ＋１に応じた前記電力量の期待値Ｅ（Ｈｍ，Ｈｍ＋１）を算出し、単位期間ｍ（ｍ＝１，．．．，ｎ）のそれぞれについて、Ｈｍを変化させ、変化させた各Ｈｍにつき、Ｈｉ（ｉ＝ｍ，．．．，ｎ）の組合せのうち、全てのｉについてのＥ（Ｈｉ，Ｈｉ＋１）の合計が最大となるものに含まれるＨｍ＋１を、前記Ｈｍに対応する前記最適水位として決定し、ｍ、Ｈｍ、および前記決定した最適水位を対応付けて前記最適水位記憶部に登録する最適水位決定部と、を備えることとしてもよい。

また、本発明の他の態様は、水力発電のための貯水施設の運用を支援する方法であって、コンピュータが、所定の運用期間を構成する各単位期間における前記貯水施設への流入量の発生確率の分布を求めるための確率分布を取得し、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間における前記流入量に基づいて、前記水力発電により前記単位期間に発電される電力量を算出するための電力量モデルと、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間における前記流入量および前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位に基づいて、前記水力発電のために用いられずに放流される無効放流量を算出するための無効放流モデルとをメモリに記憶し、前記各単位期間について、前記単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間の終了時点における水位を変化させ、前記単位期間における前記流入量を変化させていき、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記電力量モデルに適用して前記電力量を算出し、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記無効放流モデルに適用して前記無効放流量を算出し、前記確率分布から求められる流入量の発生確率を前記電力量に乗じた値を算出し、各前記流入量について、前記発生確率を前記電力量に乗じた値を合計したものから、前記無効放流量に所定の係数を乗じた値を減じて、前記電力量の評価値を算出していき、前記評価値の合計が最大となる前記水位の組合せを決定することとする。

また、本発明の他の態様は、コンピュータに、所定の運用期間を構成する各単位期間における前記貯水施設への流入量の発生確率の分布を求めるための確率分布を取得するステップと、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間における前記流入量に基づいて、前記水力発電により前記単位期間に発電される電力量を算出するための電力量モデルと、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間における前記流入量および前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位に基づいて、前記水力発電のために用いられずに放流される無効放流量を算出するための無効放流モデルとをメモリに記憶するステップと、前記各単位期間について、前記単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間の終了時点における水位を変化させ、前記単位期間における前記流入量を変化させていき、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記電力量モデルに適用して前記電力量を算出し、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記無効放流モデルに適用して前記無効放流量を算出し、前記確率分布から求められる流入量の発生確率を前記電力量に乗じた値を算出し、各前記流入量について、前記発生確率を前記電力量に乗じた値を合計したものから、前記無効放流量に所定の係数を乗じた値を減じて、前記電力量の評価値を算出していき、前記評価値の合計が最大となる前記水位の組合せを決定するステップと、を実行させることとする。

その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄および図面により明らかにされる。

本発明によれば、無効放流を減らすことができる。

運用支援システム３０のハードウェア構成を示す図である。 運用支援システム３０のソフトウェア構成を示す図である。 計画水位データベース３３４の構成例を示す図である。 最適水位の登録処理の流れを示す図である。 計画水位の登録処理の流れを示す図である。 計画水位の算出処理の流れを示す図である。 計画水位の調整処理の流れを示す図である。

＝＝システム構成＝＝
以下、本発明の一実施形態に係る貯水施設の運用支援システム３０について説明する。本実施形態の運用支援システム３０は、ダムなどの貯水施設における水位を適切に運用するための支援を行う。

本実施形態の運用支援システム３０では、発電電力量の期待値を最大化する水位を最適な水位としてデータベースに記憶しておき、運用時に、発電に用いられない放流（無効放流）を最小化するように水位計画の調整を行うようにしている。具体的には、運用支援システム３０は、長期の運用計画の対象となる期間（以下、長期運用期間という。本実施形態では１年とする。）における発電電力量が最大となるように、中期の運用計画の対象となる期間（以下、中期運用期間という。本実施形態では、１ヶ月とする。）ごとの最適な水位についてのシミュレーションを行い、その後、中期運用期間における最適な水位を求める。なお、以下の説明において、貯水施設における水位は、所定の単位量（例えば、１メートルや５メートルなどである。以下、単位水位という。）ごとの離散値であるものとする。長期運用期間における発電電力量が最大となるような中期運用期間での水位は、確率論的動的計画法（Stochastic Dynamic Programming; SDP）により求める。

図１は、運用支援システム３０のハードウェア構成を示す図である。同図に示すように、運用計画システム３０は、ＣＰＵ３０１、メモリ３０２、記憶装置３０３、通信インタフェース３０４、入力装置３０５、および出力装置３０６を備えている。記憶装置３０３は、各種のデータやプログラムを記憶する、例えば、ハードディスクドライブやフラッシュメモリ、ＣＤ−ＲＯＭドライブなどである。ＣＰＵ３０１は、記憶装置３０３に記憶されているプログラムをメモリ３０２に読み出して実行することにより各種の機能を実現する。通信インタフェース３０４は、通信ネットワーク４０に接続するためのインタフェースであり、例えば、イーサネット（登録商標）に接続するためのアダプタや、公衆電話回線網に接続するためのモデム、無線通信を行うための通信器などである。入力装置３０５は、データの入力を受け付ける、例えば、キーボードやマウス、タッチパネル、マイクロフォンなどである。出力装置３０６は、データを出力する、例えば、ディスプレイやプリンタ、スピーカなどである。

図２は、運用計画システム３０のソフトウェア構成を示す図である。同図に示すように、運用計画システム３０は、諸元入力部３１１、流入量分布取得部３１２、中期計画部３１３、予測流入量取得部３１５、無効放流調整部３１７、諸元記憶部３３１、モデル記憶部３３２、最適水位データベース３３３、計画水位データベース３３４を備えている。なお、諸元入力部３１１、流入量分布取得部３１２、中期計画部３１３、予測流入量取得部３１５、および無効放流調整部３１７は、運用計画システム３０が備えるＣＰＵ２０１が、記憶装置３０３に記憶されているプログラムをメモリ３０２に読み出して実行することにより実現される。また、諸元記憶部３３１、最適水位データベース３３３、および計画水位データベース３３４は、運用計画システム３０が備えるメモリ３０２や記憶装置３０３が提供する記憶領域として実現される。なお、諸元記憶部３３１、モデル記憶部３３２、および最適水位データベース３３３は、運用計画システム３０とは異なるデータベースサーバが管理し、運用計画システム３０がそのデータベースサーバにアクセスするようにしてもよい。

諸元記憶部３３１は、貯水施設、河川、発電設備などの各種の諸元の設定値を含む情報（以下、諸元情報という。）を記憶する。

諸元入力部３１１は、諸元情報の入力を受け付け、受け付けた諸元情報を諸元記憶部３３１に登録する。諸元入力部３１１は、例えば、キーボードやマウスなどの入力装置２０５から諸元情報の各項目の入力を受け付けるようにしてもよいし、例えば、電力会社のホストコンピュータにアクセスして諸元情報を取得するようにしてもよい。

なお、諸元入力部３１１は予め、貯水施設に係る諸元として、水位の最高値（最高運用水位；以下、Ｈ_ｍａｘと表記する。単位はｍである。）、および水位の最低値（最低運用水位；以下、Ｈ_ｍｉｎと表記する。単位はｍである。）の入力を受け付け、受け付けた最高運用水位を含む諸元情報と、最低運用水位を含む諸元情報とを作成して諸元記憶部３３１に登録し、河川に係る諸元として、維持流量（以下、Ｓ０と表記する。単位はｍ^３／ｓである。）の入力を受け付け、受け付けた維持流量を含む諸元情報を作成して諸元記憶部３３１に登録し、発電設備に係る諸元として、発電に利用する可能な最大の水量（最大取水量；以下、Ｑ_ｍａｘと表記する。単位はｍ^３／ｓである。）、発電に利用可能な最低の水量（最小取水量；以下、Ｑ_ｍｉｎと表記する。単位はｍ^３／ｓである。）、発電した後に放水する高さ（放水位；以下、Ｈ_ｏｕｔと表記する。単位はｍである。）、および損失落差（以下、Ｈ_ｌｏｓと表記する。単位はｍである。）の入力を受け付けて、受け付けた最大取水量を含む諸元情報、最小取水量を含む諸元情報、放水位を含む諸元情報、および損失落差を含む諸元情報を作成して諸元記憶部３３１に登録しているものとする。

最適水位データベース３３３は、月と、当該月の開始時点における水位と、当該月における流入量とに対応する、最適な中期運用期間後の水位を記憶する。

計画水位データベース３３４は、所定の計画期間における、各月の最適な水位（以下、計画水位という。）を記憶する。計画水位データベース３３４に記憶される水位は、最適水位データベース３３３から読み出されたものであり、実際の貯水施設の運用前に登録されることを想定する。図３は、計画水位データベース３３４の構成例を示す図である。同図に示すように、開始月、終了月および開始水位に対応付けて、各月の水位が登録される。開始月は、ある計画期間における最初の月であり、終了月は、計画期間の最後の月である。開始水位は、開始月の月初における水位である。

流入量分布取得部３１２は、流入量の発生確率分布（以下、流入量分布という。）を取得する。本実施形態では、流入量分布取得部３１２は、ユーザから流入量分布の入力を受け付けるものとする。なお、流入量分布は、例えば、次のようにして求めるようにしてもよい。すなわち、過去３０年間の月毎の流入量の実績値の平均値（以下、実績流入量という。）をメモリ３０２や記憶装置３０３に記憶しておく。流入量Ｒが取り得る最小値（以下、最小流入量といい、Ｒ_ｍｉｎと表す。）から、流入量Ｒが取り得る最大値（以下、最大流入量といい、Ｒ_ｍａｘと表す。）までの所定の単位量（以下、単位流入量という。）ごとの流入量について、当該流入量の±単位流入量／２の実績流入量をカウントし、カウントした数を３０で割った商を流入量の発生確率として算出するようにする。

中期計画部３１３は、中期運用期間ごとの最適な水位の計画を作成する。中期計画部３１３は、流入量分布と、後述するモデル記憶部３３２に記憶されている統計モデルとを用いて、確率論的動的計画法により最適な水位の計画を作成して、最適水位データベース３３３に登録する。また、中期計画部３１３は、最適水位データベース３３３に登録されている水位に基づいて、計画水位を計画水位データベース３３４に登録する。なお、中期計画部３１３による処理の詳細については後述する。

予測流入量取得部３１５は、各日についての流入量Ｒの予測値（予測流入量）を取得する。予測流入量取得部３１５は、例えば、キーボードやマウスなどから、予測流入量の入力を受け付けるようにすることができる。また、予測流入量取得部３１５は、例えば、流入量の予測を行う他のコンピュータにアクセスして予測流入量を取得するようにしてもよいし、実績流入量をメモリ３０２や記憶装置３０３に記憶しておいて、例えば、前年同月同曜日などの実績流入量を予測流入量としてもよい。また、実績流入量を用いたシミュレーションにより予測流入量を算出するようにしてもよい。 モデル記憶部３３２には、以下のモデルＢ１〜Ｂ１０が記憶されている。

モデルＢ１は、貯水量Ｖに基づいて運用水位Ｈを算出するためのもの（水位算出モデル）であり、次式により表される。なお、ａは貯水施設に固有の定数である。

モデルＢ２は、最高運用水位Ｈ_ｍａｘに基づいて貯水量の上限（以下、上限貯水量といい、Ｖ_ｍａｘと表記する。）を算出するためのものであり、次式により表される。

モデルＢ３は、最低運用水位Ｈ_ｍｉｎに基づいて貯水量の下限（以下、下限貯水量といい、Ｖ_ｍｉｎと表記する。）を算出するためのものであり、次式により表される。

モデルＢ４は、１日の０時から２４時（すなわち次の日の０時）の貯水量に基づいて、単位期間の開始時点から終了時点までの貯水量の差（以下、貯水量差といい、ΔＶと表記する。）を算出するものであり、ある日付ｔの０時における貯水量をＶ_ｔとして、次式により表される。

モデルＢ５は、流入量Ｒから維持流量Ｓ０および貯水量差ΔＶを引いた水量（Ｒ０）を算出するためのものであり、次式により表される。

モデルＢ６は、最小取水量Ｑ_ｍｉｎ、最大取水量Ｑ_ｍａｘ、最低運転出力Ｑ０_ｍｉｎおよびＲ０に基づいて、取水量Ｑを決定するためのもの（取水量算出モデル）であり、次式により表される。

すなわち、Ｒ０が、最小取水量Ｑ_ｍｉｎ以上であり、かつ、最大取水量Ｑ_ｍａｘ以下である場合には、Ｒ０が取水量Ｑとなり、Ｒ０が最小取水量Ｑ_ｍｉｎよりも小さい場合には最小取水量Ｑ_ｍｉｎが取水量Ｑとなり、Ｒ０が最大取水量よりも大きい場合には最大取水量Ｑ_ｍａｘが取水量Ｑとなる。ただし、Ｒ０が最低運転出力Ｑ０_ｍｉｎよりも小さい場合は、取水量Ｑは０となる。

モデルＢ７は、Ｒ０および取水量Ｑに基づいて、１日に貯水施設において放流される水量（以下、普通放流量または無効放流量といい、Ｓと表記する。）を算出するためのものであり、次式により表される。

モデルＢ８は、１日の終了時点における運用水位、放水位Ｈ_ｏｕｔおよび損失落差Ｈ_ｌｏｓに基づいて、有効落差ｈｎを算出するためのものであり、日付ｔの０時における運用水位をＨ_ｔとし、水位を海抜高さに変換するための所定の定数をｂとして、次式により表される。

モデルＢ９は、取水量Ｑおよび有効落差ｈｎに基づいて１日に発電される発電電力Ｐｎを算出するためのものであり、発電の変換効率に係る係数をｃ、重力加速度をｇとして、次式により表される。

モデルＢ１０は、発電電力Ｐｎに基づいて１日に発電される発電電力量Ｅｎを算出するためのもの（電力量算出モデル）であり、次式により表される。

＝＝最適水位の登録処理＝＝
中期計画部３１３は、無効放流量を考慮しつつ、発電電力量の期待値が最大になるような水位を決定し、最適水位データベース３３３に登録する。図４は、最適水位の登録処理の流れを示す図である。なお、図４の例では、長期運用期間はｎ個の中期運用期間により構成されているものとしている。つまり、本実施形態では、ｎ＝１２である。

中期計画部３１３は、計算処理のステージを示すＳＴに０を設定する（Ｓ３６０１）。中期計画部３１３は、ＳＴをインクリメントし（Ｓ３６０２）、ｎ月からｍ月までの発電電力量の累計値（以下、累計発電電力量という。）をＦ_ｍとして、水位Ｈが取りうる全ての値、すなわちＨ_ｍｉｎからＨ_ｍａｘまでの単位水位ごとの値と、流入量Ｒが取りうる全ての値、すなわちＲ_ｍｉｎからＲ_ｍａｘまでの単位流入量ごとの値とについて、当該ステージ、水位Ｈ、および流入量Ｒに対応する、ｎ＋１（１３）月の累計発電電力量Ｆ_ｎ＋１（ＳＴ，Ｈ，Ｒ）を０に設定する（Ｓ３６０３）。中期計画部３１３は、ｍにｎ（１２）を設定する（Ｓ３６０４）。

中期計画部３１３は、ｍ月の水位Ｈ_ｍに最低水位Ｈ_ｍｉｎを設定し（Ｓ３６０５）、ｍ月の流入量Ｒ_ｍに最低流入量Ｒ_ｍｉｎを設定する（Ｓ３６０６）。流入量分布取得部３１２は、翌月ｍ＋１の流入量Ｒ_ｍ＋１が取り得る全ての値について、ｍ月の流入量がＲ_ｍであった場合の条件付き確率Ｐ（Ｒ_ｍ＋１｜Ｒ_ｍ）を取得する（Ｓ３６０７）。

中期計画部３１３は、流入量Ｒ_ｍ＋１を変化させて合計した、ｍ＋１月までの累計発電電力量Ｆ_ｍ＋１の期待値の合計ΣＰ（Ｒ_ｍ＋１｜Ｒ_ｍ）Ｆ_ｍ＋１（ＳＴ，Ｈ_ｍ＋１，Ｒ_ｍ＋１）と、ｍ月の水位Ｈ_ｍ、その翌月の水位Ｈ_ｍ＋１、および当月の流入量Ｒ_ｍに基づいて算出されるｍ月における発電電力量Ｂ（Ｈ_ｍ，Ｒ_ｍ，Ｈ_ｍ＋１）とを足した値から、ｍ月の無効放流量Ｓ_ｍの２乗に所定の係数（以下、ペナルティ係数という。）ａ^＊を乗じた値を減じて、算出累積値を算出する。すなわち、中期計画部３１３は、Ｂ（Ｈ_ｍ，Ｒ_ｍ，Ｈ_ｍ＋１）−ａ^＊（Ｓ_ｍ）^２＋ΣＰ（Ｒ_ｍ＋１｜Ｒ_ｍ）Ｆ_ｍ＋１（ＳＴ，Ｈ_ｍ＋１，Ｒ_ｍ＋１）が最大となるＨ_ｍ＋１を決定し、最大の算出累積値をＦ_ｍ（ＳＴ，Ｈ_ｍ，Ｒ_ｍ）とする（Ｓ３６０８）。

中期計画部３１３は、流入量Ｒ_ｍに単位流入量を加算し（Ｓ３６０９）、Ｒ_ｍが最大流入量Ｒ_ｍａｘを越えていなければ（Ｓ３６１０：ＮＯ）、ステップＳ３６０７からの処理を繰り返し、越えていれば（Ｓ３６１０：ＹＥＳ）、Ｈ_ｍに単位水位を加算する（Ｓ３６１１）。中期計画部３１３は、Ｈ_ｍが最高運用水位Ｈ_ｍａｘを越えていなければ（Ｓ３６１２：ＮＯ）、ステップＳ３６０６からの処理を繰り返し、越えていれば（Ｓ３６１２：ＹＥＳ）、ｍをデクリメントする（Ｓ３６１３）。

中期計画部３１３は、ｍが１より大きければ（Ｓ３６１４：ＮＯ）、ステップＳ３６０５からの処理を繰り返す。中期計画部３１３は、ｍが１になれば（Ｓ３６１４：ＹＥＳ）、当該ステージにおける年間の累計発電電力量、すなわち、ｎ（１２）月から１月までの累計発電電力量Ｆ₁（ＳＴ，Ｈ_ｍ，Ｒ_ｍ）を合計した値Ｆ_１（ＳＴ）と、直前のステージにおける年間の累計発電電力量Ｆ_１（ＳＴ−１，Ｈ_ｍ，Ｒ_ｍ）を合計した値Ｆ_１（ＳＴ−１）とを算出し、Ｆ_１（ＳＴ）からＦ_１（ＳＴ−１）を減じた値をＦ_１（ＳＴ−１）で割った値の絶対値が所定の閾値を下回っているか否かにより、上記処理による累計発電電力量が定常化したか否かを判定する（Ｓ３６１５）。累計発電電力量が定常化した場合（Ｓ３６１５：ＹＥＳ）、中期計画部３１３は、全てのｍ、Ｈ_ｍ、Ｒ_ｍの組み合わせについて、ｍ、Ｈ_ｍ、Ｒ_ｍに対応付けて、当該ステージのステップＳ３６０８で決定したＨ_ｍ＋１を最適化データベース３３３に登録する（Ｓ３６１６）。

以上のようにして、最適な水位の組み合わせが最適水位データベース３３３に登録される。

＝＝計画水位の登録処理＝＝
図５は、中期計画部３１３による計画水位の登録処理の流れを説明する図である。
中期計画部３１３は、計画期間の最初の月（開始月）の入力を受け付けてｔｓとし（Ｓ４００１）、計画期間の最後の月（終了月）の入力を受け付けてｔｅとする（Ｓ４００２）。また、中期計画部３１３は、開始月の月初における水位の入力を受け付けてＨ_ｔｓとする（Ｓ４００３）。

次に、予測流入量取得部３１５は、開始月ｔｓから終了月ｔｅまでの各月の流入量Ｒの予測値を取得する（Ｓ４００４）。中期計画部３１３は、図６に示す計画水位の登録処理を行う（Ｓ４００５）。すなわち、中期計画部３１３は、ｔｓをｍとして（Ｓ４２０１）、最適水位データベース３３３に記憶されている、翌月ｍ＋１月の水位を読み出して、読みだした水位をＨ_ｍ＋１とする（Ｓ４２０２）。そして、ｍをインクリントする（Ｓ４２０３）。ｍがｔｅよりも後になった場合には（Ｓ４２０４）、処理を終了する。

中期計画部３１３は、変数ｍに開始月ｔｓを設定し（Ｓ４００６）、開始月ｔｓから終了月ｔｅの差をｎとし（Ｓ４００７）、Ｈ_ｍおよびＲ_ｍを上述した各種モデルに適用してＲ０および取水量Ｑを算出し、算出したＲ０および取水量ＱをモデルＢ７に適用して、無効放流量Ｓを算出し（Ｓ４００８）、Ｓが０でなければ（Ｓ４００９：ＮＯ）、図７に示す計画水位の調整処理を行う（Ｓ４０１０）。

中期計画部３１３は、変数ｔにｍを設定し（Ｓ４４０１）、ｔがｔｓと等しくなった場合（Ｓ４４０２：ＹＥＳ）には処理を終了する。中期計画部３１３は、ｔがｔｓと等しくなく（Ｓ４４０２：ＮＯ）、ｔにおける水位Ｈｔが、最低運用水位Ｈ_ｍｉｎよりも小さくなければ（Ｓ４４０３：ＮＯ）、Ｈ_ｔから単位水位を引いた上で（Ｓ４４０４）、Ｈ_ｍおよびＲ_ｍを上述した各種モデルに適用してＲ０および取水量Ｑを算出し、算出したＲ０および取水量ＱをモデルＢ７に適用して、無効放流量Ｓを算出し（Ｓ４４０５）、Ｓが０にならなければ（Ｓ４４０６：ＮＯ）、ステップＳ４４０３からの処理を繰り返す。

無効放流量Ｓが０になった場合（Ｓ４４０６：ＹＥＳ）には、中期計画部３１３は、ｔをデクリメントし（Ｓ４４０７）、ＲｔおよびＨｔを上述した各種のモデルに適用して、
Ｒ０および取水量ＱをモデルＢ７に適用して、無効放流量Ｓを算出してＲ０および取水量Ｑを算出し、算出したＲ０および取水量ＱをモデルＢ７に適用して、無効放流量Ｓを算出し（Ｓ４４０８）。中期計画部３１３は、無効放流量Ｓが０になれば（Ｓ４４０９：ＹＥＳ）、処理を終了する。

中期計画部３１３は、ｍをインクリメントし（Ｓ４０１１）、ｍがｎを越えていなければ（Ｓ４０１２：ＮＯ）、ステップＳ４００８からの処理を繰り返し、ｍがｎを越えていれば（Ｓ４０１２：ＹＥＳ）、Ｈ_ｔｓからＨ_ｔｅ＋１までを計画水位記憶部２３５に登録する（Ｓ４０１３）。

本実施形態の運用計画システム３０によれば、将来の流入量の予測値を用いて、長期運用期間における発電電力量の期待値を大きくする、中期運用期間の開始時点および終了時点の水位の組合せを求めることができる。したがって、貯水施設の運用者は、中期運用期間の開始時点に、最適水位データベース３３３を参考にして、その時点での水位に対応する１ヶ月後の水位を目標の水位として貯水施設を運用することにより、１年間の発電電力量を大きくすることが可能となる。よって、貯水施設の運用者の経験が浅い場合であっても容易に最適な水位に調整することができる。

また、本実施形態の運用計画システム３０によれば、貯水施設の運用者の勘と経験によって水位を計画する場合に比べ、客観的なデータに基づいて、水位の計画を策定することができる。また、本実施形態の運用計画システム３０では、確率論的動的計画法を用いることにより、将来の流入量の予測値を確率分布として求めた場合でも、貯水施設における発電電力量の期待値を大きくする最適な水位の計画を容易に導出することができる。

また、本実施形態の運用計画システム３０によれば、無効放流量Ｓ_ｍの２乗にペナルティ係数を乗じた値を減じて算出累積値を算出しているので、無効放流量を消極的に評価した上で発電電力量を最大化するように最適な水位の組合せを決定することができる。つまり、無効放流量Ｓ_ｍが少なくなるような最適水位を決定することができる。

また、本実施形態の運用計画システム３０によれば、最適化された貯水施設の計画水位を、無効放流が最小（本実施形態では「０」）になるように調整することができる。無効放流が多くなると貯水施設の下流地域に増水等が発生するおそれがあるため、無効放流量が少なくなるように計画水位を調整することにより、下流地域における安全を確保することができるとともに、保安業務等の増加を抑制することができる。

また、本実施形態の運用計画システム３０では、事前に発電電力量の期待値が最大となるように水位を最適化しておき、運用時に無効放流を最小化するように調整を行った上で貯水施設の運用を行うことができる。流入量などの予測値は、予測日が近いほど予測精度が高くなることが知られており、運用時に調整を行うことで確実に下流地域の安全を確保することができる。一方で、水位の最適化を事前に行っておくことにより、運用時にはその最適化された水位を読み出すのみで水位の計画を立てることができるので、運用時点における手間が軽減される。

なお、本実施形態では、運用計画システム３０は、１台のコンピュータにより実現されるものとしたが、複数台のコンピュータにより実現するようにすることもできる。

また、本実施形態の運用計画システム３０では、長期運用期間は１年であり、中期運用期間は１ヶ月であるものとしたが、これに限らず、任意の長さを設定することができる。例えば、長期運用期間を半年や３ヶ月などとしてもよいし、中期運用期間を３ヶ月や旬（１０日）、１週間としてもよい。

また、本実施形態では、無効放流量Ｓ_ｍの２乗にペナルティ係数ａ^＊を乗じた値を、累計発電電力量Ｆ_ｍ＋１の期待値の合計とｍ月の発電電力量Ｂとの和から減じるものとしたが、無効放流量Ｓ_ｍは負の値にはならないので、Ｓ_ｍの２乗ではなくＳ_ｍにａ^＊を乗じた値を減じるようにしてもよい。

また、ペナルティ係数ａ^＊を、所定の最小のペナルティ係数から、所定の最大のパネルティ係数まで、所定の単位量ずつ増加させて上記算出累積値を求めていき、最も累計発電電力量Ｆ_１が大きくなる場合の水位を最適水位データベース３３３に登録するようにしてもよい。

また、本実施形態では、計画水位の登録処理においても、図５のステップＳ４００８〜Ｓ４０１２のように、無効放流量Ｓを考慮して最適水位を調整した上で計画水位として登録するものとしたが、計画水位の登録処理においては無効放流量Ｓを考慮しないようにしてもよい。すなわち、図５に示す計画水位の登録処理においては、月ｍにおける水位Ｈｍに対応する次月のＨ_ｍ＋１を、開始月ｔｓから終了月ｔｅまでの各ｍについて読み出していき、読み出した水位を計画水位として計画水位データベース３３４に登録するようにするようにしてもよい。

以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

３０ 運用計画システム
４０ 通信ネットワーク
３０１ ＣＰＵ
３０２ メモリ
３０３ 記憶装置
３０４ 通信インタフェース
３０５ 入力装置
３０６ 出力装置
３１１ 諸元入力部
３１２ 流入量分布取得部
３１３ 中期計画部
３１５ 予測流入量取得部
３３１ 諸元記憶部
３３２ モデル記憶部
３３３ 最適水位データベース
３３４ 計画水位データベース
３３５ 計画水位データベース

Claims (7)

1. 水力発電のための貯水施設の運用を支援するシステムであって、
   所定の運用期間を構成する各単位期間における前記貯水施設への流入量の発生確率の分布を求めるための確率分布を取得する確率分布取得部と、
   前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間における前記流入量に基づいて、前記水力発電により前記単位期間に発電される電力量を算出するための電力量モデルと、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間における前記流入量および前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位に基づいて、前記水力発電のために用いられずに放流される無効放流量を算出するための無効放流モデルとを記憶するモデル記憶部と、
   前記各単位期間について、前記単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間の終了時点における水位を変化させ、前記単位期間における前記流入量を変化させていき、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記電力量モデルに適用して前記電力量を算出し、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記無効放流モデルに適用して前記無効放流量を算出し、前記確率分布から求められる流入量の発生確率を前記電力量に乗じた値を算出し、各前記流入量について、前記発生確率を前記電力量に乗じた値を合計したものから、前記無効放流量に所定の係数を乗じた値を減じて、前記電力量の評価値を算出していき、前記評価値の合計が最大となる前記水位の組合せを決定する最適水位決定部と、
   を備えることを特徴とする貯水施設運用支援システム。
2. 請求項１に記載の貯水施設運用支援システムであって、
   前記最適水位決定部は、前記単位期間の開始時点における水位を、所定の最低水位から所定の最高水位まで所定のステップごとに変化させること、
   を特徴とする貯水施設運用支援システム。
3. 請求項２に記載の貯水施設運用支援システムであって、
   前記最適水位決定部は、前記単位期間における前記流入量を、所定の最小量から所定の最大量まで所定の単位量ごとに変化させること、
   を特徴とする貯水施設運用支援システム。
4. 請求項３に記載の貯水施設運用支援システムであって、
   前記最適水位決定部は、確率論的動的計画法により、前記評価値の合計が最大となる前記水位の組合せを決定すること、
   を特徴とする貯水施設運用支援システム。
5. 請求項１に記載の貯水施設運用支援システムであって、
   前記貯水施設において水力発電に利用する水量である取水量の最大値である最大取水量、前記取水量の最小値である最小取水量および維持流量を含む、前記貯水施設の諸元を記憶する諸元記憶部を備え、
   前記モデル記憶部に記憶されている前記電力量モデルおよび前記無効放流モデルは、水位をＨ、貯水量をＶ、前記貯水施設において貯水量を水位に変換するための定数をａ、時点ｔから時点ｔ＋１までの間に増加する貯水量の差である貯水量差をΔＶ_ｔ、前記維持流量をＳ０、流入量をＲ、前記取水量をＱ、前記最小取水量をＱ_ｍｉｎ、前記最大取水量をＱ_ｍａｘ、前記無効放流量をＳとして、式
   

   

   

   

   

   および
   

   

   により表されること、
   を特徴とする貯水施設運用支援システム。
6. 水力発電のための貯水施設の運用を支援する方法であって、
   コンピュータが、
   所定の運用期間を構成する各単位期間における前記貯水施設への流入量の発生確率の分布を求めるための確率分布を取得し、
   前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間における前記流入量に基づいて、前記水力発電により前記単位期間に発電される電力量を算出するための電力量モデルと、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間における前記流入量および前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位に基づいて、前記水力発電のために用いられずに放流される無効放流量を算出するための無効放流モデルとをメモリに記憶し、
   前記各単位期間について、前記単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間の終了時点における水位を変化させ、前記単位期間における前記流入量を変化させていき、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記電力量モデルに適用して前記電力量を算出し、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記無効放流モデルに適用して前記無効放流量を算出し、前記確率分布から求められる流入量の発生確率を前記電力量に乗じた値を算出し、各前記流入量について、前記発生確率を前記電力量に乗じた値を合計したものから、前記無効放流量に所定の係数を乗じた値を減じて、前記電力量の評価値を算出していき、前記評価値の合計が最大となる前記水位の組合せを決定すること、
   を特徴とする貯水施設運用支援方法。
7. 水力発電のための貯水施設の運用を支援するためのプログラムであって、
   コンピュータに、
   所定の運用期間を構成する各単位期間における前記貯水施設への流入量の発生確率の分布を求めるための確率分布を取得するステップと、
   前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間における前記流入量に基づいて、前記水力発電により前記単位期間に発電される電力量を算出するための電力量モデルと、前記単位期間の開始時点における前記貯水施設の水位、前記単位期間における前記流入量および前記単位期間の次の単位期間の開始時点における水位に基づいて、前記水力発電のために用いられずに放流される無効放流量を算出するための無効放流モデルとをメモリに記憶するステップと、
   前記各単位期間について、前記単位期間の開始時点における水位、および前記単位期間の終了時点における水位を変化させ、前記単位期間における前記流入量を変化させていき、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記電力量モデルに適用して前記電力量を算出し、前記変化させた水位および前記変化させた流入量を前記無効放流モデルに適用して前記無効放流量を算出し、前記確率分布から求められる流入量の発生確率を前記電力量に乗じた値を算出し、各前記流入量について、前記発生確率を前記電力量に乗じた値を合計したものから、前記無効放流量に所定の係数を乗じた値を減じて、前記電力量の評価値を算出していき、前記評価値の合計が最大となる前記水位の組合せを決定するステップと、
   を実行させるためのプログラム。

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