JP6586480B1 - 水量管理制御装置及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】制御がシンプルで既存制御装置に容易に適用でき、しかも取水量は認可最大値以下に維持しつつ水の有効利用を図ることである。【解決手段】取水路１３の水位が制御水位上限値ＨＷＬ以上のとき、取水ゲート閉操作部２４は制御水位上限値ＨＷＬ以下に下がるように取水ゲートを閉操作し、水路の水位が制御水位下限値ＬＷＬ以下のとき、取水ゲート第１開操作部２５は制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように、水路の水位が制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの範囲内のとき、取水ゲート第２開操作部２６は制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように、水路の水位が制御水位中間下値ＬＳと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内のとき、取水ゲート第３閉操作部２７は、制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの間の水位になるように取水ゲートを開操作する。【選択図】 図１

Description

本発明は、水源から取水ゲートの開度を調整して水路を経由して水利用設備への取水量が認可最大値を超えないように管理制御する水量管理制御装置及びシステムに関する。

水利用設備では取水量の管理制御が行われている。例えば、水力発電所で使用する取水量、工場で使用する用水や貯水設備から放水される取水量の管理制御は、認可最大値を超えないように管理制御されている。以下の説明では、取水量の管理制御が行われている水利用設備として水力発電設備の場合について説明する。

水力発電設備では、水源である河川から取水する取水量に最大値が設定されており、その最大値を超過しないように取水を行うことが求められている。従って、水力発電設備での取水量は認可最大値以下で運用しなければならない。

そこで、水力発電設備では、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとを設け、水路の水位ＷＬを制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの間に維持することで、取水量が認可最大値以下とすること、かつ水資源を最大限有効利用できるよう運用している。

制御水位上限値ＨＷＬは水利用設備での認可最大値の取水量を水位で示したものであり、水路の水位ＷＬを制御水位上限値ＨＷＬ以下に維持することによって、水利用設備への取水量を認可最大値以下に維持している。つまり、制御水位上限値ＨＷＬは取水量を認可最大値以下に維持する放水路の水位である。

一方、制御水位下限値ＬＷＬは水の有効利用を図るため河川流量が認可取水量以上ある場合にこれを下回らないようにするための水位であり、水力発電設備が有効利用できる取水量を確保するための水路の水位である。

図６は水力発電設備の一例を示す構成図であり、図６（ａ）は水源から水路に取水している状態が通常時である場合を示す概略縦断面図、図６（ｂ）は増水時である場合を示す概略縦断面図である。

図６（ａ）に示すように、水源である河川には堰１１が設けられ、通常時には河川の水は堰１１を越流することなく、取水ゲート１２を介して水路１３に取水される。水路１３に取水された水は、図示省略の水車に導かれ水車発電機を駆動して発電する。水路１３への取水量の調整は、取水ゲート１２の開度を水量制御装置１４及び巻上機操作盤１５で制御することにより行われる。すなわち、水量制御装置１４は水位計１６で検出された水路１３の水位ＷＬを入力し、水路１３への取水量が認可最大値を超えないように巻上機１７を駆動制御して取水ゲート１２の開度を調整する。一方、増水時においても、水量制御装置１４は通常時と同様に水路１３への取水量が認可最大値を超えないように取水ゲート１２の開度を制御する。従って、増水時には、図６（ｂ）に示すように河川の水は堰１１を越流することがある。

図７は、従来の水量制御装置１４により行われる水路１３への取水量調整の制御内容の説明図である。取水路１３への取水量調整は取水路１３の水位ＷＬを調整することにより行われる。図７に示すように、水路１３の水位ＷＬは制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲（水位制御幅ＷＬＤ）に調整される。

水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬ以上となったときは、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの水位幅（水位制御幅ＷＬＤ）内に水位ＷＬが下がるように、巻上機１７の単位動作量α（ｍ／ｍｉｎ）にて水位下げ制御時間Ｔｄだけ取水ゲート１２を閉操作する。この場合の取水ゲート閉操作開度Ｏｄは、Ｏｄ＝α・Ｔｄである。

一方、水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ以下となったときは水路１３の水位ＷＬが水位制御幅ＷＬＤに復帰するように、巻上機１７の単位動作量α（ｍ／ｍｉｎ）にて水位上げ制御時間Ｔｕだけ取水ゲート１２を開操作する。この場合の取水ゲート開操作開度Ｏｕは、Ｏｕ＝α・Ｔｕとなる。

水位下げ制御時間Ｔｄは水位上げ制御時間Ｔｕより大きくしている。これは、水路１３の水位ＷＬが速やかに制御水位上限水位を下回るようにするためであり，上げ方向に対しては緩慢に作用するようにし、制御水位上限値ＨＷＬを超えないように調整制御するためである。

図８は従来の水量制御装置で調整された水路水位及び堰水位のグラフであり、図８（ａ）は水路水位のグラフ、図８（ｂ）は堰水位のグラフである。図８（ａ）は水量制御装置が水路１３の水位ＷＬを所定の制御周期（例えば７分間隔）で制御している場合を示している。

図８（ａ）において、折線Ｃ１は水路１３の水位ＷＬ、折線Ｃ２は取水ゲート１２の開度を示している。図８（ｂ）において、折線Ｃ２は取水ゲート１２の開度、曲線Ｃ３は堰水位を示している。堰水位の０．００が堰１１の天端であり、０．００を越えた状態では水が堰１１を越流している状態である。図８（ｂ）では０．００を越えた部分の堰水位を示しているが、この部分の堰水位は堰１１の越流量を示している。

図８（ａ）、図８（ｂ）において、時点ｔ１以前においては、水路１３の水位ＷＬは制御水位下限値ＬＷＬ以下であるので、折線Ｃ２に示すように取水ゲート１２の開度は大きく開いている。従って、水源である河川から取水ゲート１２を通って水路１３に水が流れ込み水路１３の水位ＷＬは上昇している。

そして、時点ｔ２で水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬ以上となると、曲線Ｃ３に示すように、河川自流（水源）が豊富にあり水が堰１１を越流していても、制御水位上限値ＨＷＬを超過しないよう取水ゲート１２は閉操作される。従って、折線Ｃ２に示すように取水ゲート１２の開度は所定時間間隔で閉じていき小さくなる。時点ｔ３で水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬ以下となると、取水ゲート１２の閉操作は停止するので、取水ゲート１２の開度は時点ｔ３での小さい開度で保持される。時点ｔ３以降の取水ゲート１２の開度は小さい開度であるので、曲線Ｃ３に示すように、河川自流（水源）が豊富にあり水が堰越流していても、水路１３に流れ込む水は少なくなり、折線Ｃ１に示すように水路１３の水位ＷＬは下降していく。

時点ｔ４で水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ以下となったときは、取水ゲート１２は開操作されるので、折線Ｃ２に示すように取水ゲート１２の開度は所定の制御周期で開いていき徐々に大きくなるが、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの間は制御不感帯であることから、曲線Ｃ３つまり堰越流水位の減少と同じ傾向で水路１３の水位ＷＬも低下し、かつ制御水位下限値ＬＷＬ以上あれば、その付近で水路１３の水位は、推移してしまい、水資源の有効利用ができていない状態となる。

そこで、取水量は認可最大値以下に維持しつつ水資源の有効利用を図るべく、さらに取水ゲート１２の開度を調整することにより、取水路を通して取水を行う水利用設備の取水量を調整し、所定時間範囲における取水路の平均水位を理想水位に一致させる制御を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

これは、所定時間範囲を所定の分割割合で分割された前時間帯と後時間帯とに分割し、前時間帯では、連続的に取水路の水位を記憶しながら取水路の実際の水位を理想水位に一致させるように、取水ゲートの開度の調整制御を実行し、後時間帯では、前時間帯における実際の取水路の平均水位に基づいて、所定時間範囲の全体における平均水位を理想水位に一致させるために後時間帯における平均水位として与えられるべき平均水位を導出して目標平均水位として設定し、取水路の実際の水位を目標平均水位に一致させるように、取水ゲートの開度の調整制御を実行するものである。

特許第５９７６５０７号公報

しかし、特許文献１のものは、取水ゲートの開度を調整するにあたり、既存の一定動作量を与える方式から最適動作量を与える方式へ改良したものであり、理論と実測の関係式より必要な取水ゲート動作量を求め、ダム水位の変化を予測しその変化に対応する動作量を求め、さらに、取水路の１時間平均水位が目標水位となるように制御するものであるので、１時間平均の取水路の水位は目標水位に対して数mm程度の誤差で制御することが可能となるが、制御が複雑となる。また、これを達成する取水量制御プログラムを制御装置に新たにインストール、あるいは制御装置そのものを更新しなければならないので、既存制御装置に適用することが困難である。

本発明の目的は、制御がシンプルで既存制御装置に容易に適用でき、しかも取水量は認可最大値以下に維持しつつ水の有効利用を図ることができる水量管理制御装置及びシステムを提供することである。

本発明は、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとに加え、制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとを予め制御水位設定部に設定しておき、取水ゲート操作部は、水路の水位ＷＬを制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの間に維持するとともに、水路の水位が制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内であっても、水路の水位ＷＬが制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの範囲内や制御水位中間下値ＬＳと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内にあるときは、水路の水位が制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとを設け、取水ゲート操作部により、取水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＬＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの範囲内で推移するように制御するだけであるので、制御がシンプルで既存制御装置に容易に適用できるので既存制御装置を有効活用できる。しかも取水量は認可最大値以下に維持しつつ、取水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ付近で推移してしまい水の有効利用ができていない状態となることを防止できる。

本発明の第１実施形態に係る水量管理制御装置の一例を示す構成図。 本発明の第１実施形態に係る水量管理制御装置により行われる水路への取水量調整の制御内容の説明図。 本発明の第１実施形態に係る水量管理制御装置の他の一例を示す構成図。 本発明の第１実施形態に係る水量管理制御装置で調整された水路水位及び発電出力を従来の水量管理制御装置で調整したものと比較したグラフ。 本発明の第２実施形態に係る水量管理制御システムの構成図。 水力発電設備の取水口の一例を示す構成図。 従来の水量制御装置により行われる水路への取水量調整の制御内容の説明図。 従来の水量制御装置で調整された水路水位及び堰水位のグラフ。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る水量管理制御装置の構成図である。図１では図６（ａ）に示した水力発電設備に水量管理制御装置１８を適用した場合を示している。図６（ａ）と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図１に示すように、水量管理制御装置１８は制御水位設定部１９を有している。制御水位設定部１９は、第１制御水位設定部２０及び第２制御水位設定部２１を有し、各制御水位の上下限値や設定値が予め設定されている。第１制御水位設定部２０には制御水位上限値ＨＷＬ及び制御水位下限値ＬＷＬが設定されている。前述したように、制御水位上限値ＨＷＬは水利用設備での認可最大値の取水量を水位に示したものであり、水路１３を経由して水利用設備に取水できる取水量を示す水路１３の水位ＷＬである。一方、制御水位下限値ＬＷＬは水の有効利用を図るため河川流量が認可取水量以上ある場合にこれを下回らないようにするための水位であり、水力発電設備が有効利用できる取水量を確保するための水路の水位である。

また、制御水位設定部１９の第２制御水位設定部２１には、制御水位中間上値ＨＳ及び制御水位中間下値ＬＳが設定されている。制御水位中間上値ＨＳ及び制御水位中間下値ＬＳは、水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ付近で推移してしまうことを防止するために設けられた設定値である。図２に示すように、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲（水位制御幅ＷＬＤ）内において、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの中間値から上下に均等幅で設けられ、上方向が制御水位中間上値ＨＳ、下方向が制御水位中間下値ＬＳである。制御水位中間上値ＨＳ及び制御水位中間下値ＬＳについては後述する。

水力発電設備の取水路１３の水位ＷＬは水位計１６で検出され、水量管理制御装置１８の入力部２２に入力される。入力部２２に入力された取水路１３の水位ＷＬは、取水ゲート操作部２３に入力される。取水ゲート操作部２３は、取水ゲート閉操作部２４、取水ゲート第１開操作部２５、取水ゲート第２開操作部２６、取水ゲート第３開操作部２７を有している。

取水ゲート操作部２３の取水ゲート閉操作部２４は、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬ以上となったとき、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬ以下となるように取水ゲート１２を閉操作するものである。これによって水路１３の水位ＷＬを下降させる。これについての詳細は後述する。なお、取水ゲート操作部２３からの閉操作指令は、出力部２８から巻上機操作盤１５を介して巻上機１７に出力され、巻上機１７は取水ゲート１２を閉操作する。

次に、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第１開操作部２５は、水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ以下となったとき、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲になるように取水ゲート１２を開操作するものである。これによって水路１３の水位ＷＬを上昇させる。これについての詳細は後述する。なお、取水ゲート第１開操作部２５からの第１開操作指令は、出力部２８から巻上機操作盤１５を介して巻上機１７に出力され、巻上機１７は取水ゲート１２を開操作する。

次に、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第２開操作部２６及び取水ゲート第３開操作部２７は、水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ付近で推移してしまうことを防止するために取水ゲート１２を開操作するものである。まず、取水ゲート第２開操作部２６は、水路１３の水位ＷＬが制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの範囲内にあるとき、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように取水ゲート１２を開操作する。これについての詳細は後述する。なお、取水ゲート第２開操作部２６からの第２開操作指令は、出力部２８から巻上機操作盤１５を介して巻上機１７に出力され巻上機１７は取水ゲート１２を開操作する。

次に、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第３開操作部２７も、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第２開操作部２６と同様に、水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ付近で推移してしまうことを防止するために取水ゲート１２を開操作するものである。取水ゲート第３開操作部２７は、水路１３の水位ＷＬが制御水位中間下値ＬＳと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内にあるとき、水路１３の水位ＷＬが制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの間の水位になるように、取水ゲート１２を開操作する。これについての詳細は後述する。なお、取水ゲート第３開操作部２７からの第３開操作指令は、出力部２８から巻上機操作盤１５を介して巻上機１７に出力され巻上機１７は取水ゲート１２を開操作する。

取水ゲート第３開操作部２７によって、水路１３の水位ＷＬが制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの間の水位になると、取水ゲート第２開操作部２６により、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように制御されるので、結果的には、水路１３の水位ＷＬが制御水位中間下値ＬＳと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内にあるときも、取水ゲート第２開操作部２６及び取水ゲート第３開操作部２７により、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように制御される。

図２は、本発明の第１実施形態に係る水量管理制御装置１８により行われる水路１３への取水量調整の制御内容の説明図である。図２に示すように、水路１３の水位ＷＬに対し、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとに加え、制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとが追加して設けられている。制御水位中間上値ＨＳ及び制御水位中間下値ＬＳは、前述したように、水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ付近で推移してしまうことを防止するために設けられた設定値であり、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲（水位制御幅ＷＬＤ）内において、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの中間値から上下に均等幅で設けられ、上方向が制御水位中間上値ＨＳであり、下方向が制御水位中間下値ＬＳである。

いま、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの幅を水位制御幅ＷＬＤ、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの幅を上方水位幅ＷＬＤｕ、制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの幅を中間水位幅ＷＬＤｍ、制御水位中間下値ＬＳと制御水位下限値ＬＷＬとの幅を下方水位幅ＷＬＤｄとする。以下、例えば、水位制御幅ＷＬＤは５ｃｍ、上方水位幅ＷＬＤｕは２ｃｍ、中間水位幅ＷＬＤｍは１ｃｍ、下方水位幅ＷＬＤｄは２ｃｍである場合について説明する。

水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬ以上となったときは、取水ゲート操作部２３の取水ゲート閉操作部２４により、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの水位幅（水位制御幅ＷＬＤ）内に下がるように、巻上機１７の単位動作量α（ｍ／ｍｉｎ）にて水位下げ制御時間Ｔｄだけ取水ゲート１２を閉操作する。この動作は従来の水量制御装置１４と同様な動作であり、取水ゲート閉操作開度Ｏｄは（１）式で示される。

Ｏｄ＝α・Ｔｄ …（１）
いま、巻上機１７の単位動作量αは、標準仕様で０．３ｍ／ｍｉｎ（＝０．５ｃｍ／ｓ）、水位下げ制御時間Ｔｄは１０ｓであるとすると、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬ以上となったときの取水ゲート閉操作開度Ｏｄは、５ｃｍ／ｓだけ取水ゲート１２を閉操作することとなる。

一方、水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ以下となったときは、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第１開操作部２５により、水路１３の水位が制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの水位幅（水位制御幅ＷＬＤ）内に上がるように、巻上機１７の単位動作量α（ｍ／ｍｉｎ）にて水位上げ制御時間Ｔｕだけ取水ゲート１２を開操作する。この動作は従来の水量制御装置１４と同様な動作であり、取水ゲート開操作開度Ｏｕは（２）式で示される。

Ｏｕ＝α・Ｔｕ …（２）
いま、巻上機１７の単位動作量αは、標準仕様で０．３ｍ／ｍｉｎ（＝０．５ｃｍ／ｓ）、水位上げ制御時間Ｔｕは７ｓであるとすると、取水ゲート開操作開度Ｏｕは、（２）式のαに０．５ｃｍ／ｓ、Ｔｕに７ｓを代入すると、３．５ｃｍとなる。つまり、変化率α（０．５ｃｍ／ｓ）で水位上げ制御時間Ｔｕ（７ｓ）だけ取水ゲート１２を開操作すると、取水ゲート開操作開度Ｏｕは３．５ｃｍとなる。

次に、水路１３の水位ＷＬが制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの範囲（中間水位幅ＷＬＤｍ）内となったときは、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第２開操作部２６により、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように、巻上機１７の単位動作量α（ｍ／ｍｉｎ）にて中間水位上げ時間Ｔｕｍだけ取水ゲート１２を開操作する。この場合の取水ゲート１２の中間開操作開度Ｏｕｍは（３）式で示される。

Ｏｕｍ＝α・Ｔｕｍ …（３）
いま、巻上機１７の単位動作量αは、標準仕様で０．３ｍ／ｍｉｎ（＝０．５ｃｍ／ｓ）、中間水位上げ時間Ｔｕｍは３ｓであるとすると、取水ゲート１２の中間開操作開度Ｏｕｍは、（３）式のαに０．５ｃｍ／ｓ、Ｔｕｍに３ｓを代入すると、１．５ｃｍとなる。つまり、変化率α（０．５ｃｍ／ｓ）で中間水位上げ時間Ｔｕｍ（３ｓ）だけ取水ゲート１２を開操作すると、取水ゲート１２の中間開操作開度Ｏｕｍは１．５ｃｍとなる。

また、水路１３の水位ＷＬが制御水位中間下値ＬＳと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲（下方水位幅ＷＬＤｄ）内となったときは、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第３開操作部２７により、水路１３の水位ＷＬが制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの間の水位になるように、巻上機１７の単位動作量α（ｍ／ｍｉｎ）にて中間水位上げ時間Ｔｕａだけ取水ゲート１２を開操作する。この場合の取水ゲート１２の中間開操作開度Ｏｕａは（４）式で示される。

Ｏｕａ＝α・Ｔｕａ …（４）
いま、巻上機１７の単位動作量αは、標準仕様で０．３ｍ／ｍｉｎ（＝０．５ｃｍ／ｓ）、中間水位上げ時間Ｔｕａは５ｓであるとすると、取水ゲート１２の中間開操作開度Ｏｕａは、（４）式のαに０．５ｃｍ／ｓ、Ｔｕａに５ｓを代入すると、２．５ｃｍとなる。つまり、変化率α（０．５ｃｍ／ｓ）で中間水位上げ時間Ｔｕｄ（５ｓ）だけ取水ゲート１２を開操作すると、取水ゲート１２の下方開操作開度Ｏｕｄは２．５ｃｍとなる。

また、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの範囲（上方水位幅ＷＬＤｕ）内となったときは、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第１開操作部２５、取水ゲート第２開操作部２６、取水ゲート第３開操作部２７はいずれも動作しない。つまり、制御の不感帯領域である。水路１３の水位ＷＬが上方水位幅ＷＬＤｕにあるときは、水路１３の水位ＷＬは制御水位上限値ＨＷＬ付近で推移している状態であり、水路１３の取水量を有効活用できている状態であるからである。

ここで、取水ゲート操作部２３の取水ゲート閉操作部２４及び取水ゲート第１開操作部２５は、所定の制御周期で水路１３の水位ＷＬを入力し、水路１３の水位ＷＬを制御する。所定の制御周期は、水路１３の水位ＷＬの制御に支障を来さない周期とする。本発明の第１実施形態では、所定の制御周期として第１時間間隔（例えば７分間隔）で水路１３の水位ＷＬを入力し制御する。

また、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第２開操作部２６及び取水ゲート第３開操作部２７も、同様に、所定の制御周期で水路１３の水位ＷＬを入力し、水路１３の水位ＷＬを制御する。所定の制御周期は、水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ付近で推移してしまうことを防止する制御に支障を来さない周期とする。本発明の第１実施形態では、所定の制御周期として第２時間間隔（例えば３分間隔）で水路１３の水位ＷＬを入力し制御する。第２時間間隔を第１時間間隔より短くしているのは、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第２開操作部２６及び取水ゲート第３開操作部２７による制御は、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内での水路１３の水位ＷＬでありきめ細かく制御するためである。このように、本発明の第１実施形態では、所定の制御周期は時間単位での設定であるので、取水ゲート操作部２３の演算処理の軽減が図れる。

次に、図３は、第１実施形態に係る水量管理制御装置の他の一例を示す構成図である。この他の一例は、図１に示した第１実施形態に係る水量管理制御装置の一例に対し、取水ゲート第２開操作部２６及び取水ゲート第３開操作部２７に代えて、取水ゲート第４開操作部２９を設けたものである。

取水ゲート第４開操作部２９は、水路１３の水位ＷＬが制御水位中間下値ＬＳと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内にあるときは、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように、取水ゲート１２を開操作するための第４開操作指令を出力するものである。この場合も、図１に示した本発明の第１実施形態の一例の場合と同様に水路１３の水位ＷＬを制御できる。

図４は本発明の第１実施形態に係る水量管理制御装置１８で調整された水路水位及び発電出力を従来の水量管理制御装置で調整したものとを比較したグラフであり、図４（ａ）は水路水位のグラフ、図４（ｂ）は発電出力のグラフである。図４では、水位制御幅ＷＬＤは５ｃｍ、上方水位幅ＷＬＤｕは２ｃｍ、中間水位幅ＷＬＤｍは１ｃｍ、下方水位幅ＷＬＤｄは２ｃｍで運用している水力発電設備の運用データである。図４では、水路１３の水位ＷＬを所定の制御周期（例えば第１時間間隔は７分間隔、第２時間間隔は３分）で制御している場合を示している。

図４（ａ）において、折線Ｃ１１は本発明の第１実施形態に係る水量管理制御装置１８で制御した場合の水路１３の水位ＷＬ、折線Ｃ１２は従来の水量制御装置１４で制御した場合の水路１３の水位ＷＬを示している。図４（ｂ）において、折線Ｐ１１は本発明の第１実施形態に係る水量管理制御装置１８で制御した場合の発電出力（改善発電出力）、折線Ｐ１２は従来の水量制御装置１４で制御した場合の発電出力（従前発電出力）を示している。改善発電出力は、取水ゲート第２開操作部２６及び取水ゲート第３開操作部２７、または、取水ゲート第４開操作部２９を使用したときの発電出力であり、従前発電出力は、取水ゲート第２開操作部２６及び取水ゲート第３開操作部２７、または、取水ゲート第４開操作部２９を使用しないときの発電出力である。

従来においては、図４（ａ）の折線Ｃ１２に示すように、水路１３の水位ＷＬが制御水位下限値ＬＷＬ付近で推移してしまい水の有効利用ができていない状態となるが、本発明の第１実施形態では、図４（ａ）の折線Ｃ１１に示すように、水路１３の水位ＷＬは上方水位幅ＷＬＤｕ内でほぼ推移しているので、水路１３の水を有効活用できている。また、従来においては、図４（ｂ）の折線Ｐ１２に示すように、発電出力が約（Ｐ０＋１５０）ｋＷであるが、本発明の第１実施形態では、図４（ｂ）の曲線Ｐ１１に示すように、発電出力が約（Ｐ０＋１８６）ｋＷとなり、発電出力は約３６ｋＷだけ増加している。これは、水路１３への水を有効活用できているからである。

本発明の第１実施形態によれば、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬとの範囲（水位制御幅ＷＬＤ）内で、制御水位上限値ＨＷＬと制御水位下限値ＬＷＬ（水位制御幅ＷＬＤ）との中間値から上下に均等幅で上方向に制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとを設け、取水ゲート操作部２３の取水ゲート第２開操作部２６及び取水ゲート第３開操作部２７により、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの範囲（上方水位幅ＷＬＤｕ）内で推移するように制御するだけであるので、制御がシンプルで既存制御装置に容易に適用できる。また、水路１３の水位ＷＬが制御水位上限値ＨＷＬと制御水位中間上値ＨＳとの範囲（上方水位幅ＷＬＤｕ）内に維持できるので、水路１３への取水量を認可最大値以下に維持しつつ水路１３への水の有効利用を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。図５は本発明の第２実施形態に係る水量管理制御システムの構成図である。この第２実施形態は、図１に示した第１実施形態の一例に対し、水量管理制御装置１８と水車発電機設備を監視する監視装置３０とを有した水量管理制御システムにおいて、水量管理制御システムの監視装置３０に、発電出力記憶部３１と増分電力量計算部３２とを設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

発電出力記憶部３１には、水量管理制御装置１８の制御対象である水車発電機設備の発電出力（改善発電出力）が記憶される。すなわち、監視装置３０には、水車発電機設備の図示省略の水車発電機で発電した発電出力データが水車発電機設備から伝送され、監視装置３０の発電出力記憶部３１に記憶される。これにより、水車発電機設備の所定期間の発電出力（改善発電出力）が監視装置３０内の発電出力記憶部３１に記憶される。また、増分電力量計算部３２の図示省略の記憶装置には、予め、従前発電出力が設定されている。従前発電出力は、前述したように、取水ゲート第２開操作部２６及び取水ゲート第３開操作部２７、または、取水ゲート第４開操作部２９を使用しないときの発電出力である。増分電力量計算部３２は、改善発電出力と充電発電出力との差分を演算し、その差分に対象時間を乗じて増分電力量を算出する。

以上の説明では、図１に示した第１実施形態の一例に対し、水量管理制御装置１８と水車発電機設備を監視する監視装置３０とを有した水量管理制御システムについて説明したが、図示は省略するが、図３に示した第１実施形態の他の一例に対しても適用できる。

本発明の第２実施形態によれば、改善発電出力及び増分電力量が得られるので、認可取水量範囲内における水の有効活量及び水車発電機設備の管理が向上する。特に、増分電力量に対して得られる経済的利益（電力料）については、水車発電機設備の所有者と本発明に関係した発明関係者（例えば、発明者、発明を譲り受けた者、資金提供者など）とで案分することが可能となる。

以上の説明では、水利用設備として水力発電設備の場合について説明したが、工場で使用する用水の取水量が認可最大値を超えないように管理制御する水利用設備や、貯水設備から認可最大値を超えないように放水される取水量の管理制御を行う水利用設備にも適用できる。この場合の取水量の増分による経済的利益を算出し、水利用設備の所有者と水利用設備の管理制御者とで取水量の増分による経済的利益を案分することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…堰、１２…取水ゲート、１３…水路、１４…水量制御装置、１５…巻上機操作盤、１６…水位計、１７…巻上機、１８…水量管理制御装置、１９…制御水位設定部、２０…第１制御水位設定部、２１…第２制御水位設定部、２２…入力部、２３…取水ゲート操作部、２４…取水ゲート閉操作部、２５…取水ゲート第１開操作部、２６…取水ゲート第２開操作部、２７…取水ゲート第３開操作部、２８…出力部、２９…取水ゲート第４開操作部、３０…監視装置、３１…発電出力記憶部、３２…増分電力量計算部

Claims (6)

1. 水源から取水ゲートの開度を調整して水路を経由して取水された取水量が認可最大値を超えないように管理制御する水利用設備の水量管理制御装置において、
   前記水路を経由して取水された取水量が認可最大値以下となる制御水位上限値ＨＷＬ及び河川流量が認可取水量以上ある場合にこれを下回らない取水量を確保するための制御水位下限値ＬＷＬを予め記憶した第１制御水位設定部と、
   前記制御水位上限値ＨＷＬと前記制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内で前記制御水位上限値ＨＷＬと前記制御水位下限値ＬＷＬとの中間値から上下に均等幅で上方向に設けられた制御水位中間上値ＨＳと下方向に設けられた制御水位中間下値ＬＳとを予め記憶した第２制御水位設定部と、
   前記水路の水位が前記制御水位上限値ＨＷＬ以上となったとき前記水路の水位が前記制御水位上限値ＨＷＬ以下に下がるように前記取水ゲートを閉操作するための閉操作指令を出力する取水ゲート閉操作部と、
   前記水路の水位が前記制御水位下限値ＬＷＬ以下となったとき前記水路の水位が前記制御水位上限値ＨＷＬと前記制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように前記取水ゲートを開操作するための第１開操作指令を出力する取水ゲート第１開操作部と、
   前記水路の水位が前記制御水位中間上値ＨＳと制御水位中間下値ＬＳとの範囲内にあるときは前記水路の水位が前記制御水位上限値ＨＷＬと前記制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように前記取水ゲートを開操作するための第２開操作指令を出力する取水ゲート第２開操作部と、
   前記水路の水位が前記制御水位中間下値ＬＳと前記制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内にあるときは前記水路の水位が前記制御水位中間上値ＨＳと前記制御水位中間下値ＬＳとの間の水位になるように前記取水ゲートを開操作するための第３開操作指令を出力する取水ゲート第３開操作部を備えたことを特徴とする水利用設備の水量管理制御装置。
2. 前記取水ゲート第２開操作部及び前記取水ゲート第３開操作部に代えて、前記水路の水位が前記制御水位中間下値ＬＳと前記制御水位下限値ＬＷＬとの範囲内にあるときは前記水路の水位が前記制御水位上限値ＨＷＬと前記制御水位中間上値ＨＳとの間の水位になるように前記取水ゲートを開操作するための第４開操作指令を出力する取水ゲート第４開操作部を設けたことを特徴とする請求項１記載の水利用設備の水量管理制御装置。
3. 前記取水ゲート閉操作部及び前記取水ゲート第１開操作部は、予め定めた第１時間間隔で前記水路の水位を入力し、前記水路の水位を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水利用設備の水量管理制御装置。
4. 前記取水ゲート第２開操作部及び前記取水ゲート第３開操作部、または、前記取水ゲート第４開操作部は、前記第１時間間隔より短い第２時間間隔で前記水路の水位を入力し、前記水路の水位を制御することを特徴とする請求項３に記載の水利用設備の水量管理制御装置。
5. 前記水利用設備は水車発電機設備であり、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の水量管理制御装置と前記水車発電機設備を監視する監視装置とを備え、前記監視装置に前記水車発電機設備の発電出力を記憶した発電出力記憶部を設けたことを特徴とする水量管理制御システム。
6. 前記監視装置は、前記取水ゲート第２開操作部及び前記取水ゲート第３開操作部、または前記取水ゲート第４開操作部を使用したときの前記水車発電機設備の発電出力と、前記取水ゲート第２開操作部及び前記取水ゲート第３開操作部、または前記取水ゲート第４開操作部を使用しないときの前記水車発電機設備の発電出力との差分から増分電力量を算出する増分電力量計算部を備えたことを特徴とする請求項５に記載の水量管理制御システム。

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