JPS6044514B2 - 水力発電所の運転制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は上部発電所と下部発電所の中間に両発電所が共
用する中間貯水池を有する水力発電所の運転制御方法に
関する。

水力発電所では、上部貯水池と下部貯水池との間に発電
所を建設し、両貯水池間における水位差からなる落差ま
たは揚程を利用することによつて、発電または揚水の運
転を行なつている。

しかし地形または地質上の問題から所要の場所に発電所
を建設することが困難であつたり、あるいは落差または
揚程が一発電所のみに適用するものとしては高すぎたり
する場合などには、上部貯水池と下部貯水池との間で落
差または揚程を二分する地点にさらに中間貯水池を設け
、その上側および下側にそれぞれ別々の発電所を配置し
て、各発電所で中間貯水池の水を共用することにより発
電または揚水の運転を行なつている。このように配置さ
れた各発電所ては、中間貯水池の水位などを通じて互い
に他方の発電所における機器運転に影響を・与えること
になる。とくに中間貯水池の貯水容量が小さい場合には
、機器運転により水位が変化しやすくなるので、互いに
影響を受ける度合が強くなる。したがつてこのように相
互に影響を受けやすいフ関係にある各発電所の機器運転
を安全性および経済性の観点より如何に行なうかという
ことが重要な問題となつてくる。

とくに運転モードが複雑な揚水発電所では、極めて重要
な問題となる。一方原子力発電所あるいは火力発電所の
負荷調夕整を目的とする揚水発電所の必要性と立地難な
どを考慮すると、中間貯水池を共有する揚水発電所の建
設が増える傾向もある。一般に水車またはポンプあるい
はポンプ水車などの機器の運転状態の制御は、各機器に
付設されたガイドベーンの開度を制御して流量調整する
ことにより行なわれる。そこて上記の中間貯水池を共用
する水力発電所の水路系の概要を第１図によつて説明す
ると、上部貯水池１と下部貯水池（河川をも含む）２と
の間に、さらに中間貯水池３を設け、その上側および下
側にそれぞれ上部発電所４及び下部発電所５が別々に配
置されている。上部発電所４は入口側水路６および出口
側水路８によつてそれぞれ上部貯水池１および中間貯水
池３へ連絡され、また下部発電所５は入口側水路７およ
び出口側水路９によつてそれぞれ中間貯水池３および下
部貯水池２へ連絡されている。このような水力発電所の
特徴は上部発電所４及び下部発電所５が、それぞれ水路
８および７を通して中間貯水池３へ連絡されているので
、そこの水を共有するとともに、上部貯水池１と下部貯
水池２との間における落差または揚程Ｈを二分したＨ１
およびＨ２からなる落差または揚程のもとにそれぞれ運
転されることにある。すなわち上部発電所４及び下部発
電所５における機器の運転状態は、中間貯水池３の水位
ｘを量じて、互いに他方の発電所における機器の運転状
態の影響を受けることになる。このような中間貯水池を
共用する発電所において、水位によつて機器のガイドベ
ーン開度を制御する場合、従来では、各貯水池における
水位変化を各機器に作用する落差または揚程として把え
、これらによつてそれぞれ各機でガイドベーン開度を制
御する方法である。

すなわち従来の運転制御．方法を第２図を参照して説明
すると以下のようになる。ます中間貯水池３の水位ｘは
水位検出器１１によつて検知され、上部発電所４及び下
部発電所５の夫々の運転制御系を構成する減算器１３，
１５に伝達される。この夫々の減算器１３，１５３では
上部貯水池１の水位検出器１０、下部貯水池２の水位検
出器１２によつて夫々検出された水位ｙおよびｚと中間
貯水池３の水位Ｘとの差を求め、夫々水位差ｙ−Ｘ，ｚ
−ｘを主制御信号として上部発電所のガイドベーン制御
装置１４及び下ダ部発電所５のガイドベーン制御装置１
６に与え、夫々の発電所を互に独立に制御していた。し
たがつて、このような従来の制御方法にもとづいて、各
発電所の機器を運転する場合、中間貯水池の水位がたと
え異常な水位になつても、各機器の落差または揚程が運
転許容範囲にあれば、運転が続行されることになるので
、場合によつては、中間貯水池において水のオーバーフ
ローあるいは欠乏などの異常事態が発生することにもな
り、機器および水路にとつてきわめて危険である。

さらに、中間貯水池の水位如何によつては、機器の運転
が制約されることにもなるので、とくに揚水発電所の場
合には複雑な電力の需要関係に）対応して、速応性およ
び機動性のある機器運転が難しくなる。本発明は、中間
貯水池の水を共用することにより、水車またはポンプあ
るいはポンプ水車などの機器運転状態で互いに他方の影
響を受けやすい関；係にある水力発電所において、中間
貯水池の水位および水位変化速度によつて水車、あるい
はポンプ水車を制御することにより中間貯水池の水位を
安全な領域に維持し、安全にしかも経済的に各発電所の
機器を運転することのできる水力発電所の運転制御方法
を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため本発明は、上部貯水池および
下部貯水池を連絡する水路系の途中に中間貯水池を設け
、かつ上部貯水池と中間貯水池の間に上部水力発電所を
、また中間貯水池と下部貯水池の間に下部水力発電所を
夫々設置した水力発電所において、中間貯水池の水位変
化速度の大きさ及び方向性を検出し、その水位変位速度
の大きさが短時間で中間貯水池を異状事態に陥らせない
ように設定した規定値以下であれば、上部貯水池と中間
貯水池間の水位差に応じた主制御信号により上部発電所
のガイドベーン開度を適正開度に制御するとともに、中
間貯水池と下部発電所の水位差に応じた主制御信号によ
り下部発電所のガイドベーン開度を適正開度に制御し、
一方前記水位変位速度の大きさが短時間で中間貯水池を
異状事態に陥らせないように設定した規定値を超えると
きは、その水位変位速度の大きさに比例しその方向性に
対応した補助制御信号により上部発電所及び下部発電所
のいずれか一方または両方のガイドベーン開度を制御し
て中間貯水池への入出水量を制御するようにしたもので
あり、これにより中間貯水池の水位を規定値以下の安全
な領域に維持できるので、各発電所の機器を安全に運転
することができる。次に各発電所の使用流量と中間池水
位の変位速度との関係から説明する。

まず上部発電所４及び下部発電所５において、同時に発
電運転が行なわれており、上部発電所４では落差Ｈ１の
もとに発電流量ＱＴｌまたは下部発電所５では落差Ｈ２
のもとに発電流量ＱＴ２の状態で、それぞれ発電水車運
転が行なわれている場合を説明する。各発電流量ＱＴｌ
とＱＴ９と中間貯水池３において流入または流出する流
量ΔＱＴとの関係は次のようになる（流れの連続式）。
一方中間貯水池３の水位Ｘの変位速度すなわち水位ｘの
時間ｔに関する第一次微分値相当量をΔｘ／Δｔとし、
水位ｘ相当位置における中間貯水池３の有効水平断面積
をＡとすれば次式が成立する。

また式（１）を式（２）に代人して次式を得る。

ここに各諸量の単位は次の通りとする。ＱＴｌ、ＱＴ２
〜ΔＱＴ： 〔Ｄｌｓｅｃ〕ｘ： 〔ｍ〕Δｘ／Δｔ：
〔Ｍ，ノＳｅｃ〕 Ａ： 〔ｄ〕 これより、中間貯水池３の水位変位速度Δｘ／Δｔを検
知し、その水位変位の方向すなわちΔｘ／Δｔの正負を
検出するだけΔＱＴの正負つまりはＱＴｌとＱＴ２の大
小関係が容易に与えられることになる。

いま各発電流量の関係がＱ，ｌ〉Ｑ，２の状態で運転さ
れているとするとΔｘ／Δｔ〉０となり、中間貯水池３
では、単位時間あたりに、ΔＱＴに相当する水量が増加
していくことになり、水位ｘは時間とともに上昇してい
くことになる。これに対して各発電流量の関係がＱＴｌ
〈ＱＴ２の状態で運転されているとするとΔｘ／Δｔ＜
Ｏとなり、中間貯水池３では、単位時間あたりにΔＱァ
、に相当する水量が失われていくことになり、水位ｘは
時間とともに下降していくことになる。いづれの場合も
中間貯水池３の容量が小さいときは水位Ｘの変化が速く
なる。次に第３図に示す本発明の一実施例の構成図につ
いて説明する。

第３図において中間貯水池３の水位ｘは水位検出器１１
によつて検知され、発電所４，５の夫々の運転制御系を
構成する減算器１３，１５に伝達される。前記減算器１
３，１５のそれぞれでは上部貯水池１の水位検出器１０
、下部貯水池２の水位検出器１２によつてそれぞれ検出
された水位ｙおよびｚと中間貯水池３の水位ｘとの差を
求め、夫々水位差ｙ−Ｘ．．ｚ−ｘを主制御信号として
上部発電所４のガイドベーン制御装置１４および下部発
電所５のガイドベーン制御装置１６に与え、夫々の発電
所４，５を互に独立に制御し得るように構成する。本発
明の制御装置では、前記水位差ｙ−Ｘ．．ｚ一ｘからな
る主制御信号の他に、前記中間池水位ｘの変位速度の方
向性および大きさを検知し、これを補助制御信号として
前記ガイドベーン制御装置１４，１６に与えるように構
成する。

１７がこのために設けた補助制御信号作成部である。

第４図は補助制御信号作成部の詳細構成図である。まず
前記中間池３の水位ｘの信号を微分回路１８に与え、こ
こで水位ｘの変位速度Δｘ／Δｔを検知し、これをさら
に極性判別器１９に導入して増加方向（＋Δｘ／Δｔ）
であるが減少方向（−Δｘ／Δｔ）であるかを判定する
。更にこの極性判別器１９の出力信号レベル検出器２０
に導入し、その大きさが短時間で中間貯水池を異状事態
に陥らせないようにあらかじめ決められた規定値を超え
るときは前記ガイドベーン制御装置１４または１６に対
して、前記信号Δｘ／Δｔの大きさに比例する補助制御
信号Ｘｄｌ又はＸｄ２を与える。２１はノ発電運転と揚
水運転に応じて補助制御信号回路を切替える切替スイッ
チである。

なお２２，２３は補助制御信号Ｘｄｌ，Ｘｄ２が極端に
大きく、このまま運転を継続した場合にプラントの運転
に支障をきたす恐れのあるとき動作し、それぞれ発電所
機器７を緊急停止させたり、警報を出したりする異常検
出器である。次に本発明の動作について説明する。

上部発電所４及び下部発電所５で発電運転が同時に行な
われており、各発電所の流量関係が一時ＱＴｌ〉ＱＴ２
フの状態にある場合を考察する。微分回路１８を通じて
極性判別器１９では、前記式（３）の関係から、正極性
のΔｘ／Δｔが検知され、その大きさが前記レベル検出
器２０で定めた規定値以下であれば、補助制御信号Ｘｄ
ｌは発信されない。結局前記ガイドベーン制御装置１４
，１６の双方は第５図に例示するように、水位差に対し
てあらかじめ設定されている適性ガイドベーン開度Ａ。
の状態で、夫々の水位差ｙ−Ｘ．．ｚ−ｘの制御信号の
もとに独立して制御される。この場合中間貯水池３の水
位変位速度Δｘ／Δｔの大きさが規定値以下なので、前
記式（３）の関係より明らかに中間貯水池３に流入また
は流出する流量ΔＱＴ（＝ＱＴｌ−ＱＴ２）は小さな値
となり、その結果中間貯水池３の水位は短時間でオーバ
ーフローあるいは欠乏などの異状事態に陥らない安全な
領域に維持する。しかし、前記Δｘ／Δｔの大きさが前
記規定値を超えるときは、レベル検出器２０からは、Δ
ｘ／Δｔの大きさに比例した大きさの正極性の補助制御
信号Ｘｄｌをガイドベーン制御装置１４に伝達する。前
記ガイドベーン制御装置１４では、第５図に例示するよ
うに、補助制御信号Ｘｄｌの大きさに応じてΔａだけガ
イドベーン開度Ａ。に対して閉制御し、与えられた水位
差ｙ−ｘに対してはもよりも開度の小さいｊ−△ａから
なるガイドベーン開度の状態で発電所４の機器を運転す
る。このように上部発電所４では、補助制御信号１ｄ１
によつて機器が小開のガイドベーン開度の状態で運転制
御されることになり発電流量ＱＴｌは漸次減少してくる
。したがつて各発電所の流量関係は、当初のＱＴｌ〉Ｑ
Ｔ２からＱＴｌをＱＴ２に近づけることによりＱＴｌ＝
Ｑ，２の状態へ移行していくことになる。

このことは、前記式（３）の関係からΔｘ／Δｔの値を
小さくし、中間貯水池３の水位を安全な領域に移行さ．
せることを意味する。上記の過程で補助制御沌信号Ｘｄ
ｌが極端に大きい場合は、異常検出器２２が制御して上
部発電所４の機器を停止するなどして、急速に発電流量
Ｑ１を減少させる制御を行なう。次に、各発電所の流量
関係がＱ，ｌくＱＴ２の発電運転状態にある場合を考察
する。

この場合は、負極性のΔｘ／Δｔが検知されるのでこの
補助制御信号Ｘｄ２を下部発電所５のオイドベーン制御
装置１６に伝えて、前記した正極性の場合と同様な制（
御を下部発電所５の機器に対して行なう。なお以上の説
明は、補助制御信号Ｘｄｌが出力される場合ガイドベー
ン制御装置１４の働きにより上部発電所４のガイドベー
ンの開度を絞るようにしたが、逆にガイドベーン制御装
置１６を動作させて下部水力発電所５のガイドベーン開
度を開くようにしてもよい。

同様に補助制御信号Ｘｄ２が出力された場合は、下部水
力発電所５のガイドベーン開度を絞る代りに、上部発電
所４のガイドベーン開度を開けるようにしてもよい。ま
た上部発電所４と下部発電所５のガイドベーン開度制御
を同時に行なうようにしてもよい。次に、上部発電所４
及び下部発電所５においノて、同時に揚水運転が行なわ
れており、上部発電所４では揚程Ｈ１のもとに揚水流量
Ｑ，ｌまた下部発電所５では揚程Ｈ２のもとに揚水流量
ＱＰ２の状態で、それぞれ揚水ポンプ運転が行なわれて
いる場合を考察する。

揚水運転の場合は、前述の発電運転の場合と逆になり、
中間貯水池３において、流入する流量は発電所５の揚水
流量ＱＰ２でありまた流出する流量は上部発電所４の揚
水流量ＱＰｌである。

従つて前式（３）において、ＱＴｌをＱＰｌ、ＱＴ２を
ＱＰ２として置”換する場合もＱＰｌ〉ＱＰ２のとき中
間池の水位変化率はＤｘ／Ｄｔ＜Ｏとなつて水位の減少
を意味しＱＰｌくＱ，２のときはＤｘ／Ｄｔ〉０となつ
て水位の上昇を意味する。揚水運転時には切替スイッチ
２１を発電側から揚水側に切替える。

この切替えにより、レベル検出器２０の出力を負のとき
（Ｄｘ２のとき）は出力信号は上部発電所４のガイドベ
ーン制御装置１４に導入され、逆にＤＸｌは下部発電所
５のガイドベーン制御装置１６に導入される。すなわち
、この揚水運転の場合についても、前述の発電運転の場
合と同様に、中間貯水池３の水位Ｘの変位速度Δｘ／Δ
ｔ及び変位方向を上部発電所４及び下部発電所５の機器
への共通な制御信号として微分回路１８を通じて極性判
別器１９て検知し、、前記変位速度Δｘ／Δｔの大きさ
がレベル検出器２０であらかじめ決められた規定値を超
える場合にはレベル検出器２０から前記Δｘ／Δｔの補
助制御信号を前記ガイドベーン制御装置１４，１６の夫
々に極性に応じて伝達し、水位Ｘの変位方向がΔｘ／Δ
ｔ〈０すなわちＱＰｌ〉ＱＰ２のときは上部発電所４の
機器がガイドベーン開度を閉方向に制御して部分開度運
転をするかあるいは警報器２２，２３の動作により機器
を停止するなどの制御を行なうことによりＱＰｌをＱＰ
２に近づけてΔｘ／Δｔの値を減速させ、水位ｘを安全
な領域に維持する。次に、水位Ｘの変位方向Δｘ／Δｔ
〉０すなわちＱ，ＫＱ，２のときは発電所５の機器に対
して前述のΔｘ／Δｔ＜Ｏの場合と同様な水位Ｘの変位
速度に連動した制御を行なつてＱＰ２をＱＰｌに近づけ
て水位Ｘを安全な領域に維持する。この揚水運転の場合
も、補助制御信号Ｘｄｌが出たら、上部水力発電所４の
ガイドベーン開度を絞る代わりに下部水力発電所５のガ
イドベーン開度を開くように制御してもよい。

同様に補助制御信号Ｘｄ２が出たら下部水力発電所５の
ガイドベーン開度を絞る代わりに上部水力発電所４のガ
イドベーン開度を開くように制御してもよい。また上部
発電所４と下部発電所５のガイドベーン開度制御を同時
に行なうようにしてもよい。以上説明したように、本発
明によれば上側発電所及ひ下側発電所の中間にあつて、
互いに共用する中間貯水池の水位は異常な状態に落ち入
ることがなく安全な領域に維持され上部発電所および下
部発電所を安全に連結することができる。

また中間貯水池の水位変位速度が規定値以下の場合は、
上部発電所及び下部発電所を最適に制御てきるので水力
発電所の総合的な運転効率の向上を図ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される中間貯水池を有する水力発
電所を示す概念図、第２図は従来の水力発電所の運転制
御方法を示す概念図、第３図は本発明の一実施例を示す
概要図、第４図は第３図中補助制御信号作成部の一例を
示すブロック図、第５図は水位差とガイドベーン開度の
関係を表わす特性図である。 １・・・・・・上部貯水池、２・・・・・・下部貯水池
、３・・・・・中間貯水池、４・・・・・・上部水力発
電所、５・・・・・・下部水力発電所、１０，１１，１
２・・・・・・水位検出器、１４，１６・・・・・・水
口制御装置、１７・・・・・補助制御信号作成部、２２
，２３・・・・・・異常検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 上部貯水池および下部貯水池を連絡する水路系の途
   中に中間貯水池を設け、かつ上部貯水池と中間貯水池の
   間に上部水力発電所を、また中間貯水池と下部貯水池の
   間に下部水力発電所を夫々設置した水力発電所において
   、中間貯水池の水位変位速度の大きさ及び方向性を検出
   し、その水位変位速度の大きさが短時間で中間貯水池を
   異状事態に陥らせないように設定した規定値以下であれ
   ば、上部貯水池と中間貯水池間の水位差に応じた主制御
   信号により上部発電所のガイドベーン開度を適正開度に
   制御するとともに、中間貯水池と下部貯水池の水位差に
   応じた主制御信号により下部発電所のガイドベーン開度
   を適正開度に制御し、一方前記水位変位速度の大きさが
   短時間で中間貯水池を異状事態に陥らせないように設定
   した規定値を越えるときは、その水位変位速度の大きさ
   に比例しその方向性に対応した補助制御信号により上部
   発電所及び下部発電所のいずれか一方または両方のガイ
   ドベーン開度を制御して中間貯水池への入出水量を制御
   するようにしたことを特徴とする水力発電所の運転制御
   方法。