JPS6126681B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は中間池を有する揚水発電プラントにお
ける揚水運転制御装置の改良に係り、特に中間池
の制約水位条件にかからない様にして長時間運転
を可能とした揚水運転制御装置に関する。

中間池を有する揚水発電プラントでは夜間等の
余剰電力を用いて下池から中間池へ、更に中間池
から上池へ揚水しておき、昼間等の電力需要のピ
ーク時に揚水した水により発電する揚水・発電の
サイクル運転が行なわれる。このような揚水発電
プラントでは、水車・発電機は揚水時にはポン
プ・モータとして運転され、水位差応動装置の指
令によりガイドベーンの開度を決定される。この
ガイドベーンの開度は、ポンプ・モータや水路等
の特性、諸制約条件および効率の点から、下池、
中間池および上池間の落差によつて一義的に決定
される。

第１図は上側発電所を下側発電所における揚水
量と有効落差の関係を示している。この図から明
らかなように上側発電所と下側発電所の揚水量は
有効落差によつて大きく変化するが、その変化の
度合（揚水特性）は曲線１１，１２で示すように
上下発電所で多少異なつているのが通例である。
また、上池、中間池および下池の形状は夫々異な
つており、揚水量に対する水位変化は同じではな
いので、上側発電所と下側発電所を同時に揚水運
転に投入したとしても揚水量の差が発生し、それ
が中間池の水位変化となつて表われる。第２図は
中間池水位Z₂の変化例を示しており、２１と２２
は下側発電所の揚水量が上側発電所のそれよりも
多い場合を示し、逆の場合は曲線３の軌跡を描
く。曲線２４は中間池水位が一旦低下した後、上
昇に転ずるもので、上側発電所と下側発電所の揚
水特性が第１図のように交叉している場合に生ず
る。第２図中、２５と２６は中間池の渇水や溢水
を防ぐための制限水位で、これを逸脱したときは
プランドを停止することとなる。従つて、曲線２
４の場合が最も長く揚水運転を持続することがで
きる。

揚水運転は余剰電力を有効に活用する上で、与
えられた時間帯の間中、フルに運転することが望
ましいが、前述の中間池は土木上の制約から必要
最小限の大きさに設計されているため、中間池水
位が制限水位に達することがしばしばある。しか
しなら、制限水位条件にかかる度毎に上側または
下側発電所のポンプを停止させたり起動させたり
することは、機器の寿命を著しく縮める上、系統
にも不要な外乱要因を与えることとなるので、で
きるだけ避けなけれならない。このような理由か
ら、上池、中間池および下池の水位条件をシミユ
レーシヨンにより求め、上側発電所と下側発電所
の起動タイミングを最適値に設定するようにした
方法も案出されているが、これには非常に複雑な
計算を繰返し行うことが必要で時間もかかるとい
う欠点があつた。

この様に比較的小さい中間池を有する２段揚水
発電所における運転方法として、中間池の水位変
化速度を抑えるため通常運転時は一般に、上側発
電所と下側発電所の運転台数を同じくする群運転
を基調とする。但し中間池水位を追込む為に不等
台数運転を許容する。この時の台差は１台差とす
る。ここで運転群数No.は上側発電所がNo.台下
側発電所がNo.台運転することを意味する。一
方、上側発電所と下側発電所とを同時に起動する
運転方式は系統的に一時に大きな負荷となり外乱
要因となるので余り好ましいことではない。

本発明はかかる点に着目してなされたもので、
各池の水位条件や揚水特性その他の条件を考慮し
て要求運転群数（No.）に対して上・下側発電所
のトータル運転台数が（2No.―１）台になる迄
は中間池水位、及び上池・下池水位に基づいて上
側下側の両発電所のいずれの号機を起動するかを
決定し以後所定の間隔で両発電所の各号機を順次
起動するようにし、最終機の起動に際しては、そ
れ以後の水位変化を考慮して最適な中間池の起動
水位条件を予測計算により求め、その水位到達で
起動することにより、制約水位条件にかかること
なく、要求された時間運転出来る様にした揚水発
電所の揚水運転制御方法を提供するものである。

以下、図面に示す実施例にき、本発明の詳細を
説明すると、第３図において、上池３１_Uと中間
池３１_Mの間には上側発電所２３_Uが設けられ、ま
た中間池３１_Mと下池３１_Lの間には下側発電所３
２_Lが設けられている。上下両発電所３２_U，３２
_Lは、この実施例では夫々３台のポンプ・モータ
（水車・発電機）３３_UA，３３_UB，３３_UC，３３_L
Ａ，３３_LB，３３_LCとそれらの流量を制御するた
めのガイドベーン３４_UA，３４_UB，３４_UC，３４
_LA，３４_LB，３４_LCを備えてる。これらのガイド
ベーン３４_UA〜３４_UCは水位差応動装置３５_UMに
よつて上池３１_Uと中間池３１_Mの間の落差に応じ
た開度になるよう一義的に制御される。同様にガ
イドベーン３４_LA〜３４_LCは水位差応動装置３５
_ALによつて中間池３１_Mと下池３１_Lの間の落差に
応じた開度になるよう一義的に制御される。ま
た、両発電所３２_U，３２_Lにおける各ポンプ・モ
ータ３３_UA〜３３_UCと３３_LA〜３３_LCは夫々起
動・停止装置３６_U，３６_Lによつて１台ずつ起動
され、あるいは停止される。起動判断装置７は運
転指令Ｄを受けると各池の水位Ｚ_U，Ｚ_M，Ｚ_Lを
読込み、後述の判定ロジツクに従つて起動・停止
装置３６_U，３６_Lに起動指令を与えるように構成
されている。

次に本発明装置の原理と動作の詳細な説明をす
る。第４図は中間池水位がある水位の時で下池水
位Ｚ_Lと上池水位Ｚ_Uをパラメータとして、上下両
発電所で同時に揚水を開始した場合の中間池の水
位変化の様子を、横軸を時間軸、縦軸を基準値か
らの水位変化分とするマトリツクスグラフで示し
たものである。例えば下池水位Ｚ_L1、上池水位が
Ｎ_U3の場合には中間池水位Ｚ_M13で示すよに変化
する。同図中、Ｚ_LPとＺ_LOは下池の運用水位条件
であり、Ｚ_UPとＺ_UOは上池の運用水位条件であ
る。

第４図でも解る様に上池水位と下池水位の関係
によつて中間池水位変化が第２図における２１
（水位上昇）と２３（水位下降）の傾向を示す。
一方第２図における２５，２６の中間池制限水位
にかからない様に運転するためには、常に中間池
水位の中間水位に持つてくる様に途中の起動過程
（最終機を起動完了する迄）で順次起動する必要
がある。この制限水位は上側発電所と下側発電所
が等しい運転台数の時の制約条件であり、この制
限水位内に入る様な不等台数運転によつて水位追
込みを行う。例えば中間池水位が25の上限水位よ
り上に第１図に示す揚水特性の如く上側発電所と
下側発電所の特性の違い及び各発電所の落差の変
化に伴い、それぞれの揚水量が変化し中間池の水
位変化が第２図の如く変化をする。

第４図は前述の如く、上池・下池の初期水位を
パラメータにし、中間池の初期水位を一定した時
で上・下発電所を等台数運転（群運転）をした場
合の中間池水位変化を示したものであるが、本図
でも得る様に中間池水位変化が上昇傾向にあるも
のと、下降傾向にあるものの区分が第５図に示す
上池・下池関係図に示す様に区分出来る。

このことは逆に例えば３群運転をする場合１
群、２群の途中経過を経るときに水位上昇傾向を
示す時は、先行機を選択する時にあらかじめ中間
池水位を下げる様に上側発電所を選択すれば、中
間池水位を拡散方向へ行くことを防ぐことが出来
る。ここで言う先行機とは等台数から不等台数に
する時の投入機を言う。

第５図は前述の上池・下池の水位関係から先行
機を決定する為の水位区分を表したものである。
領域Ａは中間池水位が上昇傾向を示し領域Ｂは下
降傾向を示すので、領域Ａにある時は上側発電所
を先行起動し、領域Ｂにある時は下側発電所を先
行起動をすることになる。

但しこのルールを使用するのは中間池水位があ
るバンド内に入つている時に用いる。中間池水位
がバンド外にある時は第５図のルールによらずバ
ンド外からバンド内に追込む様に先行機を決定す
る。例えば中間池水位がバンドの上側にある時は
下に追込む必要があるので、上側発電所を先行さ
せる。

この様にして最終号機前迄、順次所定インター
バルで起動をすることにより最終号機を起動する
時には、中間池水位は常にバンド内に入つて以下
説明をする最終号機の起動タイミングの決定が容
易になる。又この間の起動に対して水位拡散方向
に行くこと防ぎながら先行機の決定を起動時点で
の各池水位のみによつて決定出来るメリツトがあ
る。

次に最終号機の起動タイミングを決定する方法
を説明する。第６図は中間池水位がＺ_MIである時
t₁の時点で３群でTo時間揚水運転をする場合の
例を表わす。今説明を簡単にする為揚水起動指令
即揚水開始とする。ここでt₁，t₃，t₅の時点つま
り等台数から不等台数にする起動の発電所の選択
は前述の上池・下池の水位関係及び中間池の水位
から決定されるが、ここでは上池・下池の関係が
水位下降の例つまり第５図における領域Ｂにある
場合の例である。よつて、t₁，t₃，t₅のタイミン
グでは、下側発電所を先行起動している。一方
t₂，t₄のタイミングでは一台差以上の不等台数運
転は許さないので上側発電所を起動し等台数にし
ている。t₁，t₂，t₃，t₄，t₅の間隔はそれぞれ所定
の機間、所間インターバルであり、機間、所間イ
ンバールは等しくしている。ここで、機間インタ
ーバルとは同じ発電所における各号機の起動（停
止）間隔をいい、所間インターバルとは上側下側
発電所のように一方の発電所における号機と他方
の発電所における号機との機動（停止）間隔とい
う。

ところでこの様に順次起動した後、′_６のタイ
ミング（所定インターバル後）で最終号機を起動
すると、中間池水位が″_２（ｔ）で表わす様に変
化しt₇の時点でＺ_MLの制限水位にかかり１台上側
発電所を停止することになり、目的のTo時間運
転出来ないことになるので、最終号機の起動タイ
ミングを予測計算により決定し、そのタイミング
で起動するものである。F₁（ｔ）は上側発電所
が２台、下側発電所が３台の不等台数で上限水位
Ｚ_MU迄運転した場合の水位変化であり、更にF₂
（ｔ）はt₈のタイミングで最終号機を起動して等
台数にした時の水位変化である。これらF₁
（ｔ）及びF₂（t₂）の関数をシミユレーシヨンで求
める。F₂（ｔ）のmin点Ａを通るF₁（ｔ）を平行
移動させた関数′_１（ｔ）を求める。

一方要求運転時間をToとし、所定インターバ
ルで順次停止するのに要する停止所要時間をT₃
とし、又起動段階で最終号機の前の機を起動する
に要する時間をT₁とし、所定インターバルを△
Ｔとし、要求運転群数をNo.とすると、 T₃＝（2No.―１）・△Ｔ T₀＝T₁＋T₂＋T₃ ここでT₂は運転方法によつて左右される目的
の群数運転時間である（但し最適水位になる迄の
不等台数の追込み時間を含む）、T₃は要求運転群
数によつて一義的に決まる。T₂は１台で水位追
込みをする場合があるので一義的には決まらない
がt₅時点での予測計算をする時点では経過時間と
して解る。

よつて T₂＝T₀―T₁―T₃ となる。T₂と下限の制限水位との交点をＢとす
ると、F₂（ｔ）のmin点をF′₁（ｔ）の関数上に
沿つて移動させ、この移動させたF₂（ｔ）がＢ
点を通る関数をF′₂（ｔ）とする。なお、Ｂは関
数F′₂（ｔ）のmin点である。

このF₂′（ｔ）とF₁（ｔ）との交点T₆が最終号
機を起動するタイミングとなる。

この様にして最終号機の起動タイミングを求め
起動することにより要求運転群数で、要求時間内
で最大に運転することが出来る。

第７図は今迄説明して来た運転制御方法をフロ
ーチヤートとして表わしたものである。以下概略
説明をする。まずステツプＳ１では要求運転群数
No.、要求時間Toを受付、運転を開始する。Ｓ２
ではその時の各池水位（Ｚ_O，Ｚ_M，Ｚ_L）及び運
転状況（n₁p：上側発電所の運転台数、n₂p；下
側発電所の運転台数）を読込む。Ｓ３は現在等台
数運転がチエツクし、不等台数の時はＳ５で等台
数になる様に起動する発電所を選択する。等台数
の時はＳ４で前述の中間池水位及び上池・下池の
関係領域によつて先行発電所を決定する。Ｓ６，
Ｓ７，Ｓ８により決定された発電所を起動する。
Ｓ９では最終号機の起動かの判定をし最終号機の
前迄はＳ１０の起動インターバル時間遅延し順次
処理する。最終号機の起動に対してはまずＳ１１
で、要求時間に対する等台数運転可能時間T₂を
求める。Ｓ１２では現状状態で、中間池水位の上
限制御水位又は下限制限水位迄運転するとしてシ
ミユレーシヨンを行い、その水位変化をF₁
（ｔ）として近似する。

次に同様に上限又は下限の制限水位時点で最終
号機を起動したとしてシミレーシヨンを行い、そ
の中間池水位変化をF₂（ｔ）として近似する。
Ｓ１３でF₂（ｔ）のmin点を通る様にF₁（ｔ）を
平行移動した関数F′₁（ｔ）及び、Ｓ１１で求め
たT₂と上限又は下限の制限水位の交点を通り、
尚かつF₂（ｔ）の関数のmin点がF′₁（ｔ）上を
平行移動した関数F′₂（ｔ）を求める。Ｓ１４で
はF₁（ｔ）とF′₂（ｔ）の交点を求め、その交点
の水位Ｚ_MOとする。Ｓ１５では中間池水位がＺ_MO
になつた時を捕えＳ１６で最終号機を起動する。

以上の説明は上側発電所の号機と下側発電所の
号機とを等台数で運転した場合に、中間池の水位
が一旦下降しその後に上昇する特性のものについ
て説明したが、逆に中間池の水位が一旦上昇して
下降する特性の場合であつても同様に適用でき
る。すなわち、第６図で示した関数F₁（ｔ）が
単調減少関数で関数F₂（ｔ）が上に凸となる関
数である場合には、変曲点Ａがmax点となり、制
限値Ｚ_MU，Ｚ_MLとの関係が逆になるだけであるか
ら、同様に適用できることは明らかである。

また、要求運転時間Toが長く、群運転時間T₂
が長い場合は、F′₂（ｔ）と制限値Ｚ_MLとの交点
Ｂが定まらない場合があるが、通常Toは７〜８
時間であり、交点Ｂが定まらないことはほとんど
あり得ないので特に問題はない。もし交点Ｂが定
まらない場合はA′点が、制限値Ｚ_MLと交わるま
でF₂（ｔ）を移動させF′₂（ｔ）とすればよい。

このように本発明では、運用上許される最少限
のインターバルで上側発電所と下側発電所の起動
順位を常に最適な中間池水位になる様に選択をし
順次投入して行き、最終機の投入に際して、残る
要求運転時間を満足するタイミングを決定し起動
するので、運転制約条件の中で与えられた運転時
間内で最大の揚水量を確保出来、また水位条件に
よる停止と言うことがなく主機運転上非常に有用
である。又シミユレーシヨン計算を繰返し行い最
適なタイミングを求めるよりははるかに計算時間
は短くてすむ。

【図面の簡単な説明】

第１図は揚水運転時における有効落差と揚水量
の関係を例示するグラフ、第２図は上下両発電所
を同時起動した場合における中間池の水位変化を
例示するグラフ、第３図は本発明装置の概念図、
第４図は上池と下池の水位条件をパラメータとし
て中間池水位の変化の様子を示すグラフ、第５図
は上池水位と下池水位の関係による上側発電所と
下側発電所の先行関係図、第６図は本発明による
起動過程の特性図、第７―１図、第７―２図は本
発明装置における起動判断装置の判断ロジツクを
例示するフローチヤートである。 ３１_U……上池、３１_M……中間池、３１_L……
下池、３２_U……上側発電所、３２_L……下側発電
所、３３_UA，３３_UB，３３_UC……揚水発電機（上
側発電所）、３３_LA，３３_LB，３３_LC……揚水発
電機（下側発電所）、３４_UA，３４_UB，３４_UC…
…ガイドベーン（上側発電所）、３４_LA，３４_L
Ｂ，３４_LC……ガイドベーン（下側発電所）、Ｚ
_U，Ｚ_M，Ｚ_L……上池、中間池、下池の水位。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上池と中間池と下池との間に夫々上側発電所
   と下側発電所を設置し、夫々の発電所に複数台づ
   つのポンプ又はポンプ水車を備えた揚水発電所の
   揚水運転制御方法において、前記中間池水位及び
   前記ポンプ又はポンプ水車を全台数起動した場合
   の中間池水位の上昇／下降傾向関係に基づいて前
   記ポンプ又はポンプ水車の起動順序を決定し、こ
   こで決定された順序所定の間隔にて前記ポンプ又
   はポンプ水車を最終号機の一台前まで起動し、前
   記最終号機は下記予測計算で求めた時点t₆となつ
   たときに起動するようにしたことを特徴とする揚
   水発電所の揚水運転制御方法。 (イ) 前記最終号機の一台前までの起動で運転を経
   続した場合の中間池の水位変化特性F₁（ｔ）
   を求め、 (ロ) この水位変化特性F₁（ｔ）により定まる中
   間池水位がその制限値になる時点t₈で前記最終
   号機を起動したとした場合の中間池の水位変化
   特性F₂（ｔ）を求め、 (ハ) この水位変化特性F₂（ｔ）の変曲点Ａが前
   記水位変化特性F₁（ｔ）に沿うように前記水
   位変化特性F₂（ｔ）を平行移動させ、 (ニ) この平行移動により前記水位変化特性F₂
   （ｔ）が前記ポンプ又はポンプ水車の全台数運
   転時間の終了時点Ｂと交わる場合の水位変化特
   性F₂′（ｔ）を求め、 (ホ) この水位変化特性F₂′（ｔ）が前記水位変化
   特性F₁（ｔ）と交わる点を前記時点t₆として求
   める。