JP7347004B2

JP7347004B2 - 水力発電設備制御プログラム

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Publication number: JP7347004B2
Application number: JP2019154548A
Authority: JP
Inventors: 怜史安達
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2023-09-20
Anticipated expiration: 2039-08-27
Also published as: JP2021031989A

Description

この発明は、水力を用いて発電する水力発電設備を制御する水力発電設備制御プログラムに関する。

流れ込み式水力発電所などの水力発電設備では、水槽に溜めた河川の水を用いて発電機による発電をおこない、発電に用いた水を、放水路を介して河川における水力発電設備よりも下流側に放水する。このような水力発電設備においては、渇水に起因して水槽の水位が低い場合、発電機の運転を停止する。

ダムには、開度の調整が可能な取水口ゲートが設けられており、取水口ゲートの開度を調整することによってダムよりも河川の下流側における流量を調整している。ダムには、ダムの水位がダムの天端の高さと同じになった場合に起動して、越流を報知する警報を発する放流警報装置が設けられている。

また、このような水力発電設備においては、発電機の運転停止中に、当該水力発電設備よりも河川における上流側に設けられた別の水力発電設備（以下「上流側の水力発電設備」という）での発電に用いられた水が水槽に流れ込むことによって水槽の水位が上昇すると、発電機を起動させる。発電機の起動にともない、発電機の下流側に設けられたダムには余水路および放水路の双方から水が流れ込む。

関連する技術として、具体的には、従来、たとえば、河川の水面位置が上昇してフロートが所定の高さに到達した時に、上下方向にスライド移動自在であって河川に設けられた取水口を開閉することにより導水路に対する河川の水の導入および遮断をおこなう遮断ゲートのロック状態を解除し、取水口を閉鎖することによって、簡易な機構により取水口を開閉し、取水量制御を自動的におこなうとともに超過取水を防止するようにした取水口遮断ゲート装置に関する技術があった（たとえば、下記特許文献１を参照。）。

特開２０１４－１４８８４３号公報

しかしながら、上述した従来の技術は、渇水のため発電機の運転を停止している状態で、上流側の水力発電設備での運転開始に起因する水槽の水位の上昇にともなって発電機を起動した場合、余水路および放水路の双方からダムに水が流れ込み、ダムの水位に基づく自動制御による取水口ゲートの動作が追従できずに、ダムの水位が一時的に急上昇する。放流警報装置は、ダムの水位がダムの天端の高さと同じになった場合に起動するように設定されている。ダムは、その形式などによっては、ダムの水位が天端の高さよりも高くなっても越流が生じないにもかかわらず、ダムの水位がダムの天端の高さと同じになると放流警報装置が起動して放流警報が発せられてしまう。したがって、警報の信頼性を確保することが難しいという問題があった。

また、上述した従来の技術は、渇水のため取水口ゲートを閉じている状態において上流側の水力発電設備が運転を開始することによるダムの水位の急上昇や、発電機の運転に起因するダムへの流入量の急激な減少によるダムの水位の急下降などの、ダムの水位の急激な増減に自動制御による取水口ゲートの動作が追従できず、ダムの水位に変動が生じて、河川におけるダムよりも下流側の維持流量を確保することが難しいという問題があった。

このように、従来の技術は、河川におけるダムよりも下流側の維持流量の確保や放流警報の信頼性の確保を実現することが難しく、適切な河川管理をおこなうことが難しいという問題があった。

また、上述した特許文献１に記載された従来の技術は、超過取水を防止することができるものの、越流が生じないにもかかわらず放流警報装置が起動してしまうという不具合を解消することはできず、河川におけるダムよりも下流側の維持流量の確保と、放流警報装置を実情に即して起動させることによる警報の信頼性の確保とを両立した適切な河川管理をおこなうことが難しいという問題があった。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、適切な河川管理をおこなうことができる水力発電設備制御プログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる水力発電設備制御プログラムは、河川の水を溜める水槽と、前記水槽の水位を計測する水槽水位計測器と、前記水槽水位計測器の計測結果に基づいて、前記水槽の水を用いて運転される発電機と、前記発電機の運転に供された水が放水されるダムと、前記ダムの水位を計測するダム水位計測器と、前記ダム水位計測器の計測結果に基づいて、前記ダムの水位が警報出力水位に達したことに応じて起動して放流警報を発する放流警報装置と、前記ダムの水を取水する取水口の開度を調整する取水口ゲートと、前記水槽の水を前記発電機の運転に供することなく前記ダムに導水する余水路と、を備えた水力発電設備を制御する制御装置に、渇水による前記発電機の運転停止中に、前記水槽よりも前記河川の上流側の水力発電設備が運転を開始してからの経過時間が、当該上流側の水力発電設備の運転に供された水が前記水槽に到達するまでに要する所要到達時間に達したか否かを判断し、前記経過時間が前記所要到達時間に達した場合に、前記ダム水位計測器の計測結果に基づいて、前記ダムの水位が前記警報出力水位以下であるか否かを判断し、前記ダムの水位が前記警報出力水位以下である場合に、前記放流警報装置の起動を遅延させる起動遅延時間を設定し、前記経過時間が前記所要到達時間に達した場合に、前記取水口ゲートの開度が所定開度以上であるか否かを判断し、前記ダムの水位が前記警報出力水位以下であって前記取水口ゲートの開度が所定開度以上である場合に、前記発電機を起動させる、処理を実行させることを特徴とする。

この発明にかかる水力発電設備制御プログラムによれば、適切な河川管理をおこなうことができるという効果を奏する。

この発明にかかる実施の形態の水力発電設備制御プログラムを用いた制御対象の水力発電設備の構成を概略的に示す説明図である。制御装置の処理手順を示すフローチャート（その１）である。制御装置の処理手順を示すフローチャート（その２）である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる水力発電設備制御プログラムの好適な実施の形態を詳細に説明する。

まず、この発明にかかる実施の形態の水力発電設備制御プログラムによる制御を適用する水力発電設備の構成について説明する。図１は、この発明にかかる実施の形態の水力発電設備制御プログラムを用いた制御対象の水力発電設備の構成を概略的に示す説明図である。図１に示すように、この発明にかかる実施の形態の水力発電設備制御プログラムを用いた制御対象の水力発電設備１００は、水槽１０１と、水槽水位計測器１０２と、発電機１０３と、放水路１０４と、河川１１１を堰き止めて作られたダム１０５と、ダム水位計測器１０６と、放流警報装置１０７と、取水口ゲート１０８と、余水路１０９と、制御装置１１０と、を備えている。

水槽１０１は、河川１１１の水を溜める。河川１１１（具体的には、河川１１１のダム１０５よりも上流側）の水は、その一部が導水路１１１ａを介して水槽１０１に溜められる。また、河川１１１の水のうち、導水路１１１ａを介して水槽１０１に溜められなかった水は、ダム１０５へ到達する。河川１１１には、水槽１０１よりも河川１１１の上流側の水力発電設備１１２の運転に供された水が放水される。水槽水位計測器１０２は、水槽１０１の水位を計測する。水槽水位計測器１０２は、計測した水槽１０１の水位に関する情報を制御装置１１０に出力する。発電機１０３は、水槽水位計測器１０２の計測結果に基づいて、所定水位以上である場合に、水槽１０１の水を用いて運転される。所定水位は、水槽１０１の水を用いた発電機１０３による発電が可能な量の水が水槽１０１にある状態の水槽１０１の水位である。発電機１０３の運転に供された水は、放水路１０４を介してダム１０５に放流される。

ダム１０５は、到達した河川１１１の水を含むダム１０５の水を天端から越流させることによって河川１１１（具体的には、河川１１１のダム１０５よりも下流側）へ放流する。ダム水位計測器１０６は、ダム１０５の水位を計測する。ダム水位計測器１０６は、計測したダム１０５の水位に関する情報を制御装置１１０に出力する。放流警報装置１０７は、ダム１０５の水位が警報出力水位に達したことに応じて起動して放流警報を発する。警報出力水位は、ダム１０５の天端の高さと同じ高さ位置に設定される。取水口ゲート１０８は、ダム１０５の水を取水する取水口に設けられており、取水口を全閉する位置と全開する位置との間で取水口の開度を調整する。余水路１０９は、水槽１０１とダム１０５とを接続し、水槽１０１の水を発電機１０３の運転に供することなくダム１０５に導水する。

制御装置１１０は、水槽水位計測器１０２やダム水位計測器１０６から出力される情報に基づいて、発電機１０３、放流警報装置１０７および取水口ゲート１０８を駆動制御する。制御装置１１０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、メモリ、通信インターフェイスを備えている。制御装置１１０が備えるメモリには、この発明にかかる実施の形態の水力発電設備制御プログラムがインストールされている。また、制御装置１１０が備えるメモリには、警報出力水位、所定水位、所要到達時間、所定開度など、水力発電設備制御プログラムの実行にかかる情報が記憶されている。所要到達時間は、上流側の水力発電設備１１２の運転に供された水が水槽１０１に到達するまでに要する時間である。所定開度は、上流側の水力発電設備１１２の運転に供された水がダム１０５に到達した状態において、ダム１０５からの越流を生じさせることなく、取水口からダム１０５の水を取水することができる取水口ゲート１０８の開度である。取水口から取水された水は、たとえば、導水路１１１ｂを通り、最終的には、ダム１０５を越流して放流された河川１１１の水に合流する。取水口から取水された水が河川１１１に合流するまでの過程は、本実施の形態とは直接関係しないので、その詳細な説明および図示は省略する（具体的には、たとえば、単に、取水した水を河川１１１まで導水するようにしてもよく、また、取水した水で発電機を運転するようにしてもよい。このように、取水した水の用途については、本実施の形態においては、何ら限定されるものではない）。

また、制御装置１１０が備えるメモリには、放流警報装置１０７の起動遅延時間を設定するエリアが確保されている。起動遅延時間は、放流警報装置１０７の起動を遅延させる時間である。制御装置１１０は、起動遅延時間が設定されていない状態では、ダム１０５の水位が警報出力水位に達した場合に直ちに放流警報装置１０７を起動させる。これに対し、起動遅延時間が設定されている場合、制御装置１１０は、ダム１０５の水位が警報出力水位に達してから、起動遅延時間分、ダム１０５の水位が警報出力水位に達した状態が連続した場合に放流警報装置１０７を起動させる。

制御装置１１０は、渇水のため発電機１０３の運転を停止している渇水運転時と、渇水運転時以外の通常運転時とで、それぞれ異なる長さの起動遅延時間を設定する。具体的に、制御装置１１０は、たとえば、渇水運転時の起動遅延時間は「５分」、通常運転時の起動遅延時間は「２分」などのように設定する。また、制御装置１１０が備えるメモリには、河川１１１の上流側の水力発電設備１１２が運転を開始してからの経過時間をカウントするカウンタエリアが確保されている。

制御装置１１０は、水槽水位計測器１０２やダム水位計測器１０６から出力された情報を、通信インターフェイスを介して取得する。また、制御装置１１０は、通信インターフェイスを介して上流側の水力発電設備１１２の制御装置１１０と通信をおこなう。制御装置１１０が通信をおこなうことにより、水力発電設備１００の遠隔地においても発電機１０３の運転可否を判断でき、利便性の向上を図ることができる。

（制御装置１１０の処理手順）
つぎに、制御装置１１０の処理手順について説明する。図２および図３は、制御装置１１０の処理手順を示すフローチャートである。図２のフローチャートに示す処理では、まず、上流側の水力発電設備１１２の運転開始から所要到達時間が経過するまで待機する（ステップＳ２０１：Ｎｏ）。上流側の水力発電設備１１２が運転しているか運転を停止しているかは、たとえば、上流側の水力発電設備１１２の制御装置１１０と通信をおこなうことによって判断する。

ステップＳ２０１において、所要到達時間が経過した場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、渇水による発電機１０３の運転停止中であるか否かを判断する（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０２において、渇水による発電機１０３の運転停止中ではない場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、ステップＳ２０５へ移行する。ステップＳ２０２において、渇水による発電機１０３の運転停止中である場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、取水口ゲート１０８の開度が所定開度以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０３）。取水口ゲート１０８の開度が所定開度以上ではない場合（ステップＳ２０３：Ｎｏ）、一連の処理を終了する。

取水口ゲート１０８の開度が所定開度以上である場合（ステップＳ２０３：Ｙｅｓ）、ダム水位計測器１０６が計測したダム１０５の水位が警報出力水位以下であるか否かを判断する（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４において、ダム１０５の水位が警報出力水位以下ではない場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、一連の処理を終了する。ステップＳ２０４において、ダム１０５の水位が警報出力水位以下である場合（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、あるいは、ステップＳ２０２において渇水による発電機１０３の運転停止中ではない場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、放流警報装置１０７の起動遅延時間を設定する（ステップＳ２０５）。

ステップＳ２０５においては、ステップＳ２０２：Ｙｅｓを経由した場合は、渇水運転時の起動時間を設定する。また、ステップＳ２０５においては、ステップＳ２０２：Ｎｏを経由した場合は、通常運転時の起動時間を設定する。これにより、渇水のため発電機１０３の運転を停止している渇水運転時のみならず、通常運転時の放流警報装置１０７の起動を遅延させることができる。そして、水槽１０１の水位が所定水位以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０６）。ステップＳ２０６において、水槽１０１の水位が所定水位以上ではない場合（ステップＳ２０６：Ｎｏ）、一連の処理を終了する。一方、水槽１０１の水位が所定水位以上である場合（ステップＳ２０６：Ｙｅｓ）、発電機１０３を起動して（ステップＳ２０７）、一連の処理を終了する。このように、発電機１０３の起動を自動化することにより、発電機１０３の日中運転に制限されることなく夜間運転にも対応することができ、発電機１０３の運転可否の判断にかかる作業者の負担軽減を図ることができる。

図３のフローチャートに示す処理では、まず、ダム１０５の水位が警報出力水位に達するまで待機する（ステップＳ３０１：Ｎｏ）。ステップＳ３０１において、ダム１０５の水位が警報出力水位に達した場合（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、起動遅延時間が設定されているか否かを判断する（ステップＳ３０２）。ステップＳ３０２において、起動遅延時間が設定されていない場合（ステップＳ３０２：Ｎｏ）、ステップＳ３０６へ移行する。ステップＳ３０２において、起動遅延時間が設定されている場合（ステップＳ３０２：Ｙｅｓ）、経過時間のカウントを開始する（ステップＳ３０３）。

つぎに、ダム１０５の水位が警報出力水位未満であるか否かを判断する（ステップＳ３０４）。ステップＳ３０４において、ダム１０５の水位が警報出力水位未満でない場合（ステップＳ３０４：Ｎｏ）、経過時間が起動遅延時間に達したか否かを判断する（ステップＳ３０５）。ステップＳ３０５において、経過時間が起動遅延時間に達していない場合（ステップＳ３０５：Ｎｏ）、ステップＳ３０４へ戻る。一方、ステップＳ３０５において、経過時間が起動遅延時間に達した場合（ステップＳ３０５：Ｙｅｓ）、放流警報装置１０７を起動させ（ステップＳ３０６）、経過時間のカウントを停止して（ステップＳ３０７）、一連の処理を終了する。ステップＳ３０４において、ダム１０５の水位が警報出力水位未満である場合（ステップＳ３０４：Ｙｅｓ）、経過時間のカウントを停止して（ステップＳ３０７）、一連の処理を終了する。ステップＳ３０２：Ｎｏを経由した場合も、ステップＳ３０６において放流警報装置１０７を起動させ、ステップＳ３０７において経過時間のカウントを停止する処理をおこなう。ステップＳ３０７における経過時間のカウントを停止する処理は、カウンタエリアにおけるカウント値をクリアする処理を含む。

以上説明したように、この発明にかかる実施の形態の水力発電設備制御プログラムは、河川１１１の水を溜める水槽１０１と、水槽１０１の水位を計測する水槽水位計測器１０２と、水槽水位計測器１０２の計測結果に基づいて、水槽１０１の水を用いて運転される発電機１０３と、発電機１０３の運転に供された水が放水されるダム１０５と、ダム１０５の水位を計測するダム水位計測器１０６と、ダム水位計測器１０６の計測結果に基づいて、ダム１０５の水位が警報出力水位に達したことに応じて起動して放流警報を発する放流警報装置１０７と、ダム１０５の水を取水する取水口の開度を調整する取水口ゲート１０８と、水槽１０１の水を発電機１０３の運転に供することなくダム１０５に導水する余水路１０９と、を備えた水力発電設備１００を制御する制御装置１１０に、渇水による発電機１０３の運転停止中に、水槽１０１よりも河川１１１の上流側の水力発電設備１１２が運転を開始してからの経過時間が、当該上流側の水力発電設備１１２の運転に供された水が水槽１０１に到達するまでに要する所要到達時間に達したか否かを判断し、経過時間が所要到達時間に達した場合に、ダム水位計測器１０６の計測結果に基づいて、ダム１０５の水位が警報出力水位以下であるか否かを判断し、ダム１０５の水位が警報出力水位以下である場合に、放流警報装置１０７の起動を遅延させる起動遅延時間を設定し、経過時間が所要到達時間に達した場合に、取水口ゲート１０８の開度が所定開度以上であるか否かを判断し、ダム１０５の水位が警報出力水位以下であって取水口ゲート１０８の開度が所定開度以上である場合に、発電機１０３を起動させる、処理を実行させるので、渇水により発電機１０３の運転を停止し、余水路１０９を介して水槽１０１の水をダム１０５に導水している状態におけるダム１０５の水位に応じて起動遅延時間を設定し、発電機１０３を起動させることにより、発電機１０３の起動によりダム１０５の水位が一時的に上昇した場合にも、越流が生じないにもかかわらず放流警報装置１０７が起動して放流警報が発せられることを回避できる。また、この発明にかかる実施の形態の水力発電設備制御プログラムによれば、ダム１０５の水位が警報出力水位に達した状態が起動遅延時間を経過しても継続する場合には、放流警報装置１０７が起動して放流警報が発せられるため、放流を確実に報知することができ、放流警報の信頼性を確保することができる。また、この発明にかかる実施の形態の水力発電設備制御プログラムによれば、ダム１０５の水位が警報出力水位以下であって取水口ゲート１０８の開度が所定開度以上である場合に発電機１０３を起動させることによって、発電機１０３の起動にともなって余水路１０９および放水路の双方からダム１０５に水が流れ込む場合にも、河川１１１におけるダム１０５よりも下流側の維持流量の確保や放流警報の信頼性の確保を実現し、適切な河川管理をおこなうことができる。

以上のように、この発明にかかる水力発電設備制御プログラムは、水力発電設備を制御する水力発電設備制御プログラムに有用であり、特に、渇水により運転を停止する水力発電設備を制御する水力発電設備制御プログラムに適している。

１００水力発電設備
１０１水槽
１０２水槽水位計測器
１０３発電機
１０４放水路
１０５（河川１１１を堰き止めて作られた）ダム
１０６ダム水位計測器
１０７放流警報装置
１０８取水口ゲート
１０９余水路
１１０制御装置
１１１河川
１１１ａ、１１１ｂ導水路
１１２上流側の水力発電設備

Claims

河川の水を溜める水槽と、
前記水槽の水位を計測する水槽水位計測器と、
前記水槽水位計測器の計測結果に基づいて、前記水槽の水を用いて運転される発電機と、
前記発電機の運転に供された水が放水されるダムと、
前記ダムの水位を計測するダム水位計測器と、
前記ダム水位計測器の計測結果に基づいて、前記ダムの水位が警報出力水位に達したことに応じて起動して放流警報を発する放流警報装置と、
前記ダムの水を取水する取水口の開度を調整する取水口ゲートと、
前記水槽の水を前記発電機の運転に供することなく前記ダムに導水する余水路と、
を備えた水力発電設備を制御する制御装置に、
渇水による前記発電機の運転停止中に、前記水槽よりも前記河川の上流側の水力発電設備が運転を開始してからの経過時間が、当該上流側の水力発電設備の運転に供された水が前記水槽に到達するまでに要する所要到達時間に達したか否かを判断し、
前記経過時間が前記所要到達時間に達した場合に、前記ダム水位計測器の計測結果に基づいて、前記ダムの水位が前記警報出力水位以下であるか否かを判断し、
前記ダムの水位が前記警報出力水位以下である場合に、前記放流警報装置の起動を遅延させる起動遅延時間を設定し、
前記経過時間が前記所要到達時間に達した場合に、前記取水口ゲートの開度が所定開度以上であるか否かを判断し、
前記ダムの水位が前記警報出力水位以下であって前記取水口ゲートの開度が所定開度以上である場合に、前記発電機を起動させる、
処理を実行させることを特徴とする水力発電設備制御プログラム。