JPH05281000A

JPH05281000A - 水力発電所監視制御装置

Info

Publication number: JPH05281000A
Application number: JP4082552A
Authority: JP
Inventors: Fumio Ohashi; 文雄大橋
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1992-04-06
Filing date: 1992-04-06
Publication date: 1993-10-29

Abstract

(57)【要約】【目的】複数の水力発電所を対象として集中監視制御
を行う装置において、水力発電所機器の運転状態、特に
振動異常や水車効率低下等を把握し、異常の早期検出・
対策といった異常予防保全を行えるものを提供する。【構成】子局に人工知能を導入し、プロセスデータの
集積や発電所機器の異常監視あるいは異常発生予測を行
う。親局には基本的にデータの集積結果ないし監視結果
等のみを伝送する。振動等の監視機能では、軸・固定部
の振動振幅、振動周波数分布、軸受温度を監視項目に含
み、これらの項目の監視レベルは発電機の出力帯や運転
時間等を考慮して設定する。効率監視機能では、検出水
車効率の変動要因（誤差要因）に基づいて検出水車効率
から真値を推論する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複数の水力発電所を
対象として状態監視や運用管理を行う装置に係わり、特
に各水力発電所側に端末装置を設け、各端末装置をホス
ト装置で集中監視制御を行う装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、中小水力発電所は無人化・省力
化が進み、５〜１０箇所の水力発電所（子局）を制御所
（親局）で集中制御する集中監視制御技術が導入されて
いる。

【０００３】従来のこの種のシステムでは、軸受温度、
固定子コイル温度、サーボストローク、振動・音、制御
時間などを子局で計測し、これらの項目のデータを親局
に伝送する。親局では、これらの伝送項目を監視し、何
らかの項目が非常値になれば警報または非常停止を実行
する。この後、停止状態の水力発電所に作業員が出向い
て点検作業を行い、不良箇所を修理していた。

【０００４】また特に小水力発電所の場合、水車効率向
上の見地からガイドベーン・ステーベーンの枚数を増加
させる手法がとられる。この場合、水中の異物がベーン
に付着すると、水車ケーシング内で設計通りの流速が得
られずに、水車効率が低下する。この現象を防止するた
めに通常、ガイドベーン等を揺さぶる機構を設け、水車
を停止してベーンの付着物を除去する手法がとられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで過去の設備事故
例をみると発見動機別の順位は、１）配電盤監視、２）
継電器動作、３）巡視となっており、これらで約６０％
を占める。このように巡視は、事故発見に極めて有効な
手段であるが問題も多い。たとえば手間がかかりすぎる
うえ、事故を発見しても即時に対応が不可能である問題
があった。また短時間の異常兆候の発見が難しい問題も
あり、省力化の見地から巡視点検のインターバルが長期
化する現状では、この傾向は増大すると考えられる。さ
らに特に水車発電機の場合、運転音により機械の状態を
判断する等、振動・音・臭いなど人間の五感に頼った検
査方法をとるため、巡視員による個人差が大きくならざ
るを得ず、しかも専門的知識や経験が必要であるので人
的資源確保が困難である。

【０００６】また水車効率の低下は、関係する測定項目
が多いため、通常の運転では発見することが困難であ
る。水車分解時まで、ランナーの摩擦に気付かない場合
も多い。水車効率の低下を検出できないため、たとえば
上記した水車メンテナンス用の異物除去装置の作動時期
を適切に特定することが困難となる等の問題があった。
このため異物除去装置の制御は、運転員の判断（勘）に
より作動タイミングを決定するか、あるいは一定時間間
隔で定期的に作動させるタイマ方式をとらざるを得なか
った。

【０００７】このような事情から、機器運転状態を確実
に把握し、異常の早期検出・対策が可能な監視制御シス
テムの構築が望まれていた。しかしながら従来のシステ
ムでは、機器の予防保全を行うことは極めて困難であっ
た。つまり機器の予防保全を行うにあたっては、各水力
発電所ごとに各種のデータ集積を行うことが必要となる
が、各水力発電所から制御所に送られてくるデータ量が
膨大なため、伝送データの集積処理を実行するのは事実
上不可能であった。

【０００８】この発明は、このような問題点に鑑み、複
数の水力発電所を対象として集中監視制御を行う装置に
おいて、水力発電所機器の運転状態、特に振動異常や水
車効率低下等を把握し、異常の早期検出・対策といった
異常予防保全を行えるものを提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、複数の水力発電所を対象として状態
監視を行う装置であって、発電所機器の制御を行う子局
を各水力発電所に設置すると共に、各子局の集中監視を
親局で行う装置において、子局に次の手段を備えたもの
である。

【００１０】１．各種のデータを集積するデータ集積手
段。

【００１１】２．発電所機器を監視対象とする機器監視
手段および効率監視手段。

【００１２】３．親局に集積データおよび運転状態監視
結果を伝送する通信手段。

【００１３】ここで機器監視手段は、軸・固定部の振動
振幅、振動周波数分布、軸受温度を監視項目に含み、次
の手段を備えている。

【００１４】１）軸・固定部の振動振幅の警報レベルを
発電機出力に応じて設定する振動警報レベル設定部。

【００１５】２）振動周波数分布について周波数に応じ
て警報レベルを設定する周波数警報レベル設定部。

【００１６】３）軸受温度の警報レベルを発電機運転時
間に応じて設定する温度警報レベル設定部。

【００１７】一方、効率監視手段は、水位変動、系統電
力揺動、周波数変動、超音波流量計の誤差を含む検出水
車効率の変動要因から検出水車効率の基準点を推論し、
この基準点に基づいて検出水車効率から実際の水車効率
変動を推論するものである。

【００１８】

【作用】この発明は、子局にいわゆる人工知能を導入
し、プロセスデータを集積して発電所機器の異常監視あ
るいは異常発生予測を行い、親局には基本的にデータの
集積結果ないし監視結果等のみを伝送する構成とする。

【００１９】中小水力発電所の機器保全では、電気的事
故関連を除けば、監視項目として振動が重要である。子
局に設けた発電所機器の監視機能は、大別すると、機器
の振動等の状態監視機能および水車効率監視機能であ
る。

【００２０】振動等の監視機能では、軸・固定部の振動
振幅、振動周波数分布、軸受温度を監視項目に含んでい
る。軸・固定部の振動振幅については、正常時であって
も発電機出力に従って振動振幅が大きくなることに鑑
み、発電機出力に応じて警報レベルを設定して監視を行
うこととし、異常検出の精度を向上させている。同様
に、軸受温度についても、発電機の運転時間、たとえば
運転始動時の温度上昇期間や運転終了時の温度下降期間
を考慮して警報レベルを設定する。さらに、振動につい
て振動周波数分布を分析して異常検出を行うこととして
いる。この異常検出にあっても、周波数に応じた警報レ
ベルを設定することとしている。

【００２１】一方、効率監視機能では、検出水車効率が
水位変動、系統電力揺動、周波数変動、超音波流量計の
誤差などの要因により変動することを考慮し、これらの
要因から基準点（たとえば効率の実質同一レベル）を求
め、この基準点に基づいて検出水車効率から実際の水車
効率変動を検出する手法をとる。

【００２２】

【実施例】以下、図面を用いてこの発明の実施例を説明
する。

【００２３】図２は、この実施例に係る水力発電所監視
制御システムの概要を示す。１は各水力発電所に設置さ
れる子局である。この子局１は、水力発電所のプラント
データを収集してプラントの監視制御を行うものであ
る。２は制御所に設置された親局であり、担当する水力
発電所の子局１を集中制御するものである。各子局１
は、公衆電話回線３を介して親局２に接続されている。

【００２４】子局１において、温度入力部４は軸受温度
等が入力されるものである。アナログ入出力部５は、各
種アナログ信号の入出力を行うものである。接点入力部
６または接点出力部７は、各種開閉器の接点開閉状態ま
たは接点開閉指示の入出力を行うものである。通信イン
タフェース８は、親局２に対する通信制御を行うもので
ある。時計９は、各種計測動作を行うものである。メモ
リ１０は、この装置のメインメモリである。中央処理装
置（ＣＰＵ）１１は、データ集積処理その他、この装置
の主制御を行うものである。この実施例では、以上に加
えて、主に異常監視（異常判定）等を行う人工知能（Ａ
Ｉ）部１２を設けている。このＡＩ部は、たとえば知識
ベースや推論エンジン等を備えたエキパート・システム
を導入すればよい。

【００２５】子局１は、取り込んだプラントデータを集
積し、集積後のデータを定期的に親局２に伝送する。伝
送すべきデータとしては、定常時は、運転実績（出力、
電圧、ダム水位、故障項目等）関連のデータのみでよ
い。親局２では、運転実績に日／週／月ごとにデータ処
理を施し、運転実績を計画と比較する等の処理を行う。
上記以外の発電所機器の各種温度・振動等の膨大なデー
タを基本的には伝送しないこととしたので、親局２では
運転計画に関係する帳簿類の管理等のみ行うだけで済
み、親局２の処理項目が簡素化される。事故発生時に
は、親局２が必要な運転データを子局１に要求し、その
データを使用して原因究明を行えば良い。このとき、子
局１で集積されたデータ、あるいは後述するように従来
は把握できなかった水車効率η_AGの変動などを考慮して
推論することができるので、容易かつ正確な原因分析が
可能となる。

【００２６】次に子局１に設けられた機器監視機能を説
明する。この機器監視機能は、発電所機器の運転状態を
振動等に基づいて監視する状態監視機能を含む。振動等
の監視機能を図１にブロック化して示す。一般に軸受に
はガイドとスラストの機能が求められる。ガイド軸受は
事故に至る場合が少ないが、スラスト軸受は起動・停止
時の詳細なアルゴリズムを必要とする。具体的に説明す
ると、振動の測定点は上部軸１３、下部軸１４、水車軸
１５、下ブラケット１６および上カバー１７である。発
電機１８の回転軸の発電機１８より上部を上部軸１３と
いい、発電機１８より下部を下部軸１４ということにす
る。水車軸１５は、水車１９の回転を下部軸１４に伝達
する軸である。温度の測定点は上部軸受２０、下部軸受
２１、推力軸受２２、水車軸受２３である。これらの測
定データは状態監視部２４に入力される。状態監視部２
４において、軸振動監視部２５、固定部監視部２６およ
び軸受温度監視部２７がそれぞれ各種測定データを監視
する。警報レベル設定部２８〜３０は、各種の監視項目
について警報レベルを設定するものである。３１はタイ
マである。

【００２７】ところで水車の回転状態の診断システム
は、従来から提供されているものがある。この診断シス
テムでは、各部の振動・温度を測定して警報レベルを越
えると、異常と判定する手法をとっており、警報レベル
は一定値に設定されている。この実施例における機器監
視機能の相違点を簡単に説明すると、振動・温度の監視
では時系列的なパラメータにより警報レベルを変化させ
る点、軸芯位置の変動を考慮する点、振動周波数を分析
して周波数分布の変動を監視項目とする点が異なる。

【００２８】図３〜６は、各種の警報レベルを示す。軸
振動振幅・固定部の警報レベルは、図３，４に示すよう
に、出力帯に対応して適当な値を設定する。図中、破線
は従来の警報レベルを示す。また振動周波数分布につい
ても、図５に示すように、周波数に対応して適当な警報
レベルを設定する。温度については、図６に示すよう
に、始動の際の期間Ａ、定常運転中の期間Ｂ、停止の際
の期間Ｃに分け、期間Ａ，Ｃについては適当な温度変化
率Δθ／Δｔをもって警報レベルが変化する。

【００２９】各軸受における振動の異常を正確に判定す
るためには、各軸受における振動の関係を把握する必要
がある。上部軸受、下部軸受および水車軸受における振
動の関係を図７，８に示す。図７に示すように上部軸
受、下部軸受および水車軸受の軸芯偏差をａ，ｂ，ｃと
すると、これらの関係は図８に示す軸系振動モードで把
握できる。この軸系振動モードから判る通り、上部軸受
の負荷により水車軸の振動が増大する。この実施例で
は、この軸系振動モードを模擬して各軸受における軸芯
位置を得ると共に、模擬結果をＣＲＴ画面に表示する。
水車軸芯位置の移動軌跡の実例を図９に示す。各軸受に
おける軸芯位置は、この図に示すように、特に始動時あ
るいは停止時に変動する。そこで図１０に示すように、
この変動に追従して判定アルゴリズムにおける監視レベ
ル（領域）も移動させていく。

【００３０】ここで、水車軸受ギャップ増大に伴う軸振
動増大の実例を示す。一般に水力発電所の負荷および出
力は季節により変動し、雨季は高出力、乾季は低出力と
なり、軸系振動モードが変化する。各軸受における軸振
動の長期的な変動の事例を図１１に示す。図に示すよう
に、この事例では水車軸受における軸振動の増大が認め
られ、振動波形をオシロスコープで検査したところ、振
動波形（周波数成分）には大きな変化がないことが確認
された。さらに、水車軸受を点検した結果、設計ギャッ
プが３５／１００ｍｍであるのに対し、図１２に示すよ
うに、軸受ギャップが１０／１００〜４０／１００ｍｍ
増大していることが確認された。このような事例を踏ま
えてこの実施例では、振動周波数分布を監視項目に導入
し、その挙動を考慮して振動異常検出・原因分析に使用
する。これにより、たとえば振動周波数分布の変化を伴
わずに振動振幅が増大した場合、軸受ギャップの増大が
原因であるといった判定基準によって異常原因の究明を
行うことが可能となる。

【００３１】またこの装置は、水車効率の監視機能も有
している。図１３に水車効率測定機器の配置を示す。上
水槽３２、放水路３３には水位計３４，３５が設置され
ている。上水槽３２から水車１９に水を導入する鉄管３
６には、超音波流量計３７が取り付けられている。発電
機１８には、出力を計測する電力計３８が取り付けられ
ている。

【００３２】一般に、発電機出力Ｐは（１）式で表され
る。ただし、η_AGは発電機効率、Ｈ_EFFは有効落差（＝
Ｈ_D−Ｈ_R；Ｈ_Dは上水槽水位、Ｈ_Rは下水槽水位）、Ｑは
流量である。

【００３３】Ｐ＝Ｋ・Ｑ・Ｈ_EFF・η_WT …（１）ここでＫは発電機効率η_AGで決まる値であり、発電機効
率η_AGとしては通常、工場試験値が利用される。

【００３４】（１）式を使用すれば、発電機出力Ｐや流
量Ｑ、上水槽水位Ｈ_D、下水槽水位Ｈ_R、発電機出力Ｐの
実測値から水車効率η_WTを計算することができる。ただ
し、水位変動や系統電力揺動、周波数変動、さらには超
音波流量計の誤差などの要因により水車効率η_WT（算出
値）が変動することを考慮すると、数点のサンプリング
値により水車効率η_WTを求めることは困難であり、通常
は年間の運転実績に基づいて求めていた。この実施例で
は、ＡＩを導入することにより、水車効率η_WTの水車効
率η_WTの変動を求めることを可能とする。すなわち、上
記の水車効率η_WTの変動要因のサンプリング値から水車
効率η_WTの実質同一点を示す基準点を推論し、この基準
点との比較により水車効率η_WTの変動を推論することと
している。

【００３５】このようにして求めた水車効率η_WTの変動
は、原動機の予寿命診断に使用できるだけなく、種々の
保守点検に利用できる。たとえば前述のガイドベーン・
ステーベーンの付着物除去装置の動作タイミングを検出
する際に有効である。さらにランナーに生じるキャビテ
ーションの発生状況の把握や、弁開度が適切か否かの判
定にも利用できる。また振動監視と効率演算を同一のＣ
ＰＵで処理することにより、保守管理処理が簡素化され
る利点もある。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
子局側でプロセスデータの集積や発電所機器の異常監視
あるいは異常発生予測を行い、親局には基本的にデータ
の集積結果ないし監視結果等のみを伝送することとして
いる。それゆえ子局から親局に伝送するデータ量が抑え
られ、分散処理の監視制御が比較的容易に構築できる。
また振動等の監視において、軸・固定部の振動振幅や軸
受温度の監視レベルを発電機の出力帯や運転時間を考慮
して設定するので、異常検出の精度が向上する。さらに
検出水車効率の変動要因を考慮した推論を行うこととに
より、水車効率変動を検出することを可能とする。これ
によりベーンの異物除去装置の制御その他の保守管理等
を適切に行うことができる。さらに異常検出・保守管理
の信頼性が向上するので、巡視点検のインターバルの長
期化に対応できる等、省力化に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係る水力発電所監視制御システムに
おける機器監視機能を示すブロック図。

【図２】一実施例に係る水力発電所監視制御システムの
概要を示すブロック図。

【図３】軸振動振幅の警報レベルを示すグラフ。

【図４】固定部振動振幅の警報レベルを示すグラフ。

【図５】振動周波数の警報レベルを示すグラフ。

【図６】温度の警報レベルを示すグラフ。

【図７】水車発電機軸受応答を示す線図。

【図８】軸系振動モードを示す線図。

【図９】水車軸軸芯の移動の実例を示す線図。

【図１０】軸芯位置と監視レベルの関係を示す線図。

【図１１】軸振動の長期的変動の実例を示すグラフ。

【図１２】軸受ギャップの増大を示す線図。

【図１３】水車効率測定機器の配置を示す概略図。

【符号の説明】

１３…上部軸１４…下部軸１５…水車軸１６…下ブラケット１７…上カバー１８…発電機１９…水車２０…上部軸受２１…下部軸受２２…推力軸受２３…水車軸受２４…状態監視部２５…軸振動監視部２６…固定部監視部２７…軸受温度監視部２８〜３０…各種の警報レベル設定部３１…タイマ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の水力発電所を対象として状態監視
を行う装置であって、発電所機器の制御を行う子局を各
水力発電所に設置すると共に、各子局の集中監視を親局
で行う装置において、子局には、各種のデータを集積するデータ集積手段と、
発電所機器を監視対象とする機器監視手段および効率監
視手段と、親局に集積データおよび運転状態監視結果を
伝送する通信手段とを備え、前記機器監視手段は、軸・固定部の振動振幅、振動周波
数分布、軸受温度を監視項目として監視を行うものであ
って、軸・固定部の振動振幅の警報レベルを発電機出力
に応じて設定する振動警報レベル設定部と、振動周波数
分布について周波数に応じて警報レベルを設定する周波
数警報レベル設定部と、軸受温度の警報レベルを発電機
運転時間に応じて設定する温度警報レベル設定部とを備
え、前記効率監視手段は、水位変動、系統電力揺動、周波数
変動、超音波流量計の誤差を含む検出水車効率の変動要
因から検出水車効率の基準点を推論し、この基準点に基
づいて検出水車効率から実際の水車効率変動を推論する
ものとしたことを特徴とする水力発電所監視制御装置。