(57)【要約】【課題】水力発電プラントモデルを短時間で平衡状態に移行させることが可能な水力発電プラントの模擬装置、模擬方法、および模擬プログラムを提供する。【解決手段】一の実施形態による水力発電プラントの模擬装置は、管路内の圧力変動を模擬する管路系モデルと、水車特性を模擬する水車モデルとを有する水力発電プラントモデルにより、水力発電プラントの動作を模擬する模擬部を備える。さらに、前記装置は、前記模擬部による模擬動作中に、前記圧力変動の減衰特性を、模擬対象の前記水力発電プラントの動作を模擬するための模擬減衰特性から、仮想的な減衰特性である仮想減衰特性に変更する減衰特性変更部を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路内の圧力変動を模擬する管路系モデルと、水車特性を模擬する水車モデルとを有する水力発電プラントモデルにより、水力発電プラントの動作を模擬する模擬部と、
前記模擬部による模擬動作中に、前記圧力変動の減衰特性を、模擬対象の前記水力発電プラントの動作を模擬するための模擬減衰特性から、仮想的な減衰特性である仮想減衰特性に変更する減衰特性変更部と、
を備える水力発電プラントの模擬装置。
【請求項２】
前記水力発電プラントモデルはさらに、サージタンクの水位変動を模擬するサージタンクモデルを有し、
前記減衰特性変更部は、前記模擬動作中に前記サージタンクモデルの基部の内径または断面積の値を変更する、請求項１に記載の水力発電プラントの模擬装置。
【請求項３】
前記水力発電プラントモデルはさらに、模擬対象の前記水力発電プラントに実在しない仮想的なサージタンクの水位変動を模擬する仮想サージタンクモデルを有し、
前記減衰特性変更部は、前記模擬動作中に前記仮想サージタンクモデルの基部の内径または断面積の値を変更する、請求項１に記載の水力発電プラントの模擬装置。
【請求項４】
前記水力発電プラントモデルはさらに、前記水力発電プラントの調速制御系の動作を模擬する調速制御系モデルを有し、
前記減衰特性変更部は、前記模擬動作中に前記調速制御系モデルの不感帯特性を仮想的な不感帯特性に変更する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の水力発電プラントの模擬装置。
【請求項５】
前記水力発電プラントモデルはさらに、前記水力発電プラントのガイドベーンのストローク変化を模擬する調速機モデルを有し、
前記減衰特性変更部は、前記模擬動作中に前記調速機モデルの配圧弁特性を仮想的な配圧弁特性に変更する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の水力発電プラントの模擬装置。
【請求項６】
さらに、模擬対象の前記水力発電プラントの制御装置からの制御信号を取得する制御装置通信部を備え、
前記模擬部は、前記水力発電プラントモデルと前記制御信号とに基づいて、前記水力発電プラントの動作を模擬する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の水力発電プラントの模擬装置。
【請求項７】
管路内の圧力変動を模擬する管路系モデルと、水車特性を模擬する水車モデルとを有する水力発電プラントモデルにより、水力発電プラントの動作を模擬し、
前記水力発電プラントモデルによる模擬動作中に、前記圧力変動の減衰特性を、模擬対象の前記水力発電プラントの動作を模擬するための模擬減衰特性から、仮想的な減衰特性である仮想減衰特性に変更する、
ことを含む水力発電プラントの模擬方法。
【請求項８】
管路内の圧力変動を模擬する管路系モデルと、水車特性を模擬する水車モデルとを有する水力発電プラントモデルにより、水力発電プラントの動作を模擬し、
前記水力発電プラントモデルによる模擬動作中に、前記圧力変動の減衰特性を、模擬対象の前記水力発電プラントの動作を模擬するための模擬減衰特性から、仮想的な減衰特性である仮想減衰特性に変更する、
ことを含む水力発電プラントの模擬方法をコンピュータに実行させる水力発電プラントの模擬プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水力発電プラントの模擬装置、模擬方法、および模擬プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電プラントは、プラントを設置する地点の地形により長大な管路網を有する場合がある。水力発電プラントでは、負荷が急変した際などに水撃波（ウォータハンマー）が発生し、管路内を数秒周期の圧力変動が伝播することがある。この圧力変動は、管路の途中にサージタンクを設けることで低減することが可能である。しかしながら、この場合には、ダムとサージタンクとを繋ぐ水理系で数分周期の圧力振動を伴う水流サージングを生じて、圧力変動が持続することがある。水力発電プラントの制御装置は、これらの圧力変動の存在下においても、十分な安定性と出力追従性を保持することが必要である。
【０００３】
一方、水力発電プラントやその制御装置の動作を事前に評価するために、水力発電プラントの動作を模擬する模擬装置を利用する場合がある。この場合には、水力発電プラントの制御装置と模擬装置を閉ループで接続し、水力発電プラントの動作を模擬装置により実時間で模擬することで、制御装置用のソフトウェアの動作検証を行うことも可能である。この手法を用いれば、水力発電プラントの現地で行われる制御装置の調整試験の主要な項目を、制御装置の工場出荷試験の段階で行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６２９８０２号公報
【特許文献２】特開平９−３１７６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水力発電プラントでは、その管路内で圧力や流速が複雑に分布し、かつ、調速機特性や水車特性に強い非線形性がある。そのため、水力発電プラントの模擬装置では、水力発電プラントモデルの平衡する初期状態値を正確に求めることが一般に困難である。想定する上ダムおよび下ダムの水位条件によっても、平衡する初期条件値は変化する。平衡する状態値から外れた初期状態値から模擬計算を開始すると、そのアンバランスのため、水力発電プラントモデルが模擬する水撃波や水流サージングにより減衰性の低い圧力変動が発生し、平衡状態に到達するまでに長い時間を要してしまう。また、平衡しない初期状態値は、実際の水力発電プラントでは再現しない状態値である可能性もある。
【０００６】
そこで、本発明は、水力発電プラントモデルを短時間で平衡状態に移行させることが可能な水力発電プラントの模擬装置、模擬方法、および模擬プログラムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一の実施形態による水力発電プラントの模擬装置は、管路内の圧力変動を模擬する管路系モデルと、水車特性を模擬する水車モデルとを有する水力発電プラントモデルにより、水力発電プラントの動作を模擬する模擬部を備える。さらに、前記装置は、前記模擬部による模擬動作中に、前記圧力変動の減衰特性を、模擬対象の前記水力発電プラントの動作を模擬するための模擬減衰特性から、仮想的な減衰特性である仮想減衰特性に変更する減衰特性変更部を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態の水力発電プラントの模擬装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１実施形態の水力発電プラントモデルの構成を示す概略図である。
【図３】サージタンクが設置されている水力発電プラントとその水路系モデルの構成例を示す概略図である。
【図４】サージタンクが設置されていない水力発電プラントとその水路系モデルの構成例を示す概略図である。
【図５】第１実施形態における管路特性の模擬方法を説明するための図である。
【図６】第１実施形態における水車特性の模擬方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】第１実施形態のサージタンクモデルの構成を説明するための図である。
【図８】図３の水力発電プラントモデルにおける平衡機能の切替動作について説明するための図である。
【図９】図４の水力発電プラントモデルに対する平衡機能の切替動作について説明するための図である。
【図１０】第１実施形態の調速制御系モデルの不感帯特性の変更方法を説明するための図である。
【図１１】第１実施形態の調速機モデルの配圧弁特性の変更方法を説明するための図である。
【図１２】第２実施形態の水力発電プラントの模擬装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の水力発電プラントの模擬装置１の構成を示す概略図である。
【００１１】
図１の模擬装置１は例えば、水力発電プラントの動作の模擬用のソフトウェア（模擬プログラム）がインストールされたコンピュータである。図１の模擬装置１は、ＣＰＵ等を有する制御部２と、マウス、キーボード、信号入力用の通信インターフェース等を有する入力部３と、ＲＡＭ等を有するメモリ部４と、ＲＯＭやＨＤＤ等を有するストレージ部５と、ディスプレイや信号出力用の通信インターフェース等を有する出力部６とを備えている。入力部３は、マウスやキーボードの代わりに、タッチパネルを有していてもよい。
【００１２】
図１の制御部２は、模擬部７と減衰特性変更部８とを有している。模擬部７と減衰特性変更部８は、ストレージ部５内の模擬プログラムを、制御部２により実行することで実現される。本実施形態では、模擬部７と減衰特性変更部８により、水力発電プラントの動作の模擬を行う。
【００１３】
符号Ｓ１、Ｓ２はそれぞれ、入力部３に入力される入力信号と、出力部６から出力される出力信号を示す。入力信号Ｓ１は、上ダムおよび下ダムの水位条件の指示や、模擬動作の開始や停止の指示、平衡機能のＯＮ、ＯＦＦの指示を保持する。平衡機能は、水力発電プラントモデルを素早く平衡状態に移行させるための機能であり、その詳細は後述する。出力部６は、模擬計算の結果を、出力信号Ｓ２として出力してもよいし、ディスプレイに時系列で表示してもよい。
【００１４】
図２は、第１実施形態の水力発電プラントモデルの構成を示す概略図である。
【００１５】
図２の水力発電プラントモデルは、調速制御系モデル１１と、調速機モデル１２と、水路系モデル１３と、発電機モデル１４とを有している。図１の模擬部７は、このような水力発電プラントモデルにより、水力発電プラントの動作の模擬を行う。
【００１６】
調速制御系モデル１１は、水力発電プラントの調速制御系の動作を模擬するブロックである。調速制御系モデル１１は、水車発電機の回転速度（周波数）偏差とＭＷ出力偏差を小さくするようにＰＩＤ制御で調速制御信号を演算し、調速機モデル１２に調速制御信号を出力する。調速制御系モデル１１は、調速制御系の制御ブロック図に基づき構築することができる。
【００１７】
調速機モデル１２は、水力発電プラントのガイドベーンのストローク変化を模擬するブロックである。調速機モデル１２は、コンバータや配圧弁を備え、調速制御信号に従ってガイドベーンを操作するアクチュエータの動作を模擬する。調速機モデル１２は、水路系モデル１３等にストローク変化の計算結果を出力する。
【００１８】
水路系モデル１３は、水力発電プラントの水路系の動作を模擬するブロックである。水路系モデル１３の例を、図３と図４に示す。
【００１９】
図３は、サージタンク２７が設置されている水力発電プラントとその水路系モデル１３の構成例を示す概略図である。図３(ａ)の水力発電プラントは、上ダム２１と、下ダム２２と、水車２３と、これらを繋ぐ導水路２４、放水路２５、水圧鉄管２６と、導水路２４に連結されたサージタンク２７とを備えている。符号２７ａは、サージタンク２７の基部を示す。また、図３(ｂ)の水路系モデル１３は、図３(ａ)の構成に対応して、上ダムモデル３１と、下ダムモデル３２と、水車モデル３３と、管路モデル３４と、管路結合モデル３５と、管路分岐・合流モデル３６と、サージタンクモデル３７とを有している。符号３７ａは、サージタンクモデル３７の基部を示す。
【００２０】
一方、図４は、サージタンクが設置されていない水力発電プラントとその水路系モデル１３の構成例を示す概略図である。図４(ａ)の水力発電プラントは、上ダム２１と、下ダム２２と、水車２３と、これらを繋ぐ導水路２４、放水路２５、水圧鉄管２６とを備えているが、サージタンクは備えていない。しかしながら、図４(ｂ)の水路系モデル１３は、上ダムモデル３１と、下ダムモデル３２と、水車モデル３３と、管路モデル３４と、管路結合モデル３５と、管路分岐・合流モデル３６の他に、図４(ａ)の水力発電プラントには実在しない仮想的なサージタンクに対応する仮想サージタンクモデル３８を有している。符号３８ａは、仮想サージタンクモデル３８の基部を示す。
【００２１】
本実施形態では、図３と図４のどちらの水路系モデル１３を使用してもよい。これらの水路系モデル１３の詳細については後述する。水路系モデル１３は、発電機モデル１４に水車の機械トルクの計算結果を出力する。
【００２２】
ここで、図３と図４に示す各モデル３１〜３８について説明する。
【００２３】
上ダムモデル３１、下ダムモデル３２、水車モデル３３はそれぞれ、上ダム水位条件に基づく上ダム特性、下ダム水位条件に基づく下ダム特性、水車特性を模擬するブロックである。また、管路モデル３４と、管路結合モデル３５と、管路分岐・合流モデル３６は、管路とその結合部、分岐部、合流部の特性を模擬するブロックであり、これらのモデル３４〜３６により、管路内の圧力変動を模擬する管路系モデルを構成している。
【００２４】
また、サージタンクモデル３７は、図３(ａ)に示す模擬対象の水力発電プラントに実在するサージタンク２７の水位変動を模擬するブロックである。一方、仮想サージタンクモデル３８は、図４(ａ)に示す模擬対象の水力発電プラントには実在しない仮想的なサージタンクの水位変動を模擬するブロックである。
【００２５】
再び図２を参照し、水力発電プラントモデルの説明を続ける。
【００２６】
発電機モデル１４は、水力発電プラントの水車発電機の動作を模擬するブロックである。発電機モデル１４は、水路系モデル１３が計算した水車の機械トルクに基づいて、以下の式（１）により、水車発電機の回転速度（周波数）の変化を模擬する。
【数１】
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ただし、Ｉは水車発電機の慣性モーメントを表し、Ｎは水車発電機の回転速度（周波数）を表す。また、Ｔmは水車の機械トルクを表し、Ｔeは水車の電気トルクを表す。さらに、Ｄmは回転速度（周波数）の減衰係数を表す。なお、電気トルクは、一機対無限大母線モデルにより計算することができる。発電機モデル１４は、調速制御系モデル１１等に水車発電機の回転速度（周波数）とＭＷ出力の計算結果を出力する。
【００２７】
以下、図５〜図７を参照し、管路系モデル、水車モデル３３、サージタンクモデル３７、仮想サージタンクモデル３８について詳細に説明する。
【００２８】
（１）管路系モデル
図５は、第１実施形態における管路特性の模擬方法を説明するための図である。
【００２９】
本実施形態では、特性曲線法により、水撃波の伝播の模擬を含む形で、管路内の圧力変動を模擬する。また、図５に示すように、計算サンプリング時間Δｔと管路の長さ方向の軸ｘとを結び付けることで、管路内に分布する圧力や流速の模擬計算を高速に行う。
【００３０】
本実施形態では、図５に示すように、管路の長さ方向をＮ分割し（Ｎは正の整数）、管路方程式を差分表現した以下の式（２）、式（３）により、水力発電プラントの管路特性を模擬する。
【数２】
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【数３】
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ただし、Ｖ(ｉ，ｔ)は、Ｎ分割したｉ番目の位置の時刻ｔにおける流速を表し、Ｈ(ｉ，ｔ)は、Ｎ分割したｉ番目の位置の時刻ｔにおける圧力を表す。また、ａは圧力伝播速度を表し、ｇは重力加速度を表す。また、ｆは摩擦損失係数を表し、Ｄは管径を表し、αは管路傾斜角を表す。さらに、計算サンプリング時間Δｔは、以下の式（４）で与えられる。
【数４】
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ここで、Ｌは管路長さを表す。なお、管路の端点では、流速Ｖと圧力Ｈに関し、以下の式（５）、式（６）の関係式が得られる。
【数５】
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【数６】
2014009683.tif 000008
【００３１】
そして、管路モデル３４同士の接続には、これらの関係式を連立させた管路境界モデルを適用する。このような管路境界モデルには、管路結合モデル３５や、管路分岐・合流モデル３６がある。
【００３２】
（２）水車モデル３３
図６は、第１実施形態における水車特性の模擬方法を説明するためのフローチャートである。
【００３３】
本実施形態ではまず、水車のガードベーン開度νと水車発電機の回転速度Ｎを用いて、流量Ｑを仮定する（ステップＳ１１、Ｓ１２）。次に、回転速度Ｎと流量Ｑを用いて、図６に示す角度θ1を算出する（ステップＳ１３）。
【００３４】
次に、角度θ1と、図６に示す水車完全特性（流量特性）とを用いて、管路系モデルから決まる水車有効落差Ｈeと流量Ｑとの関係式Ｈe＝ａＱ2＋ｂＱ＋ｃと整合する流量Ｑを、図６に示す収束計算により算出する（ステップＳ１４〜Ｓ１７）。具体的には、関数値ｆ（＝Ｈe−（ａＱ2＋ｂＱ＋ｃ））の絶対値が微小量δ以下となるまで、ステップＳ１２〜Ｓ１７の処理を繰り返す。
【００３５】
次に、上記の関係式と整合する流量Ｑおよび水車有効落差Ｈeと、図６に示す水車完全特性（トルク特性）とを用いて、水車の機械トルクＴmを算出する（ステップＳ１８、Ｓ１９）。
【００３６】
なお、揚水発電プラントに設置されるポンプ水車の場合は、一般に水車完全特性がＳ字型に湾曲する特性を持つ。本実施形態では、図６に示すように、水車完全特性の計算を、極座標変換を利用して実行する。
【００３７】
（３）サージタンクモデル３７、仮想サージタンクモデル３８
図７は、第１実施形態のサージタンクモデル３７の構成を説明するための図である。
【００３８】
本実施形態では、サージタンクモデル３７の内径Ａsよりも基部３７ａの内径Ａtが細い制水口型のサージタンクモデル３７を採用する。そして、以下の方程式（７）、（８）を解くことで、時刻ｔにおけるサージタンク水位Ｈs(ｔ)を算出する。
【数７】
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【数８】
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ただし、Ｑs(ｔ)は、時刻ｔにおけるサージタンク流入量を表す。また、ｂs、Ｂs、Ｃs、ＡC、ＡBはそれぞれ、以下の式（９）〜（１３）で与えられる。
【数９】
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【数１０】
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【数１１】
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【数１２】
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【数１３】
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なお、ｃtは基部３７ａの流量係数を表し、Δｔは計算サンプリング時間を表す。また、図７に示す符号Ｖ1、Ｖ2はそれぞれ、サージタンクモデル３７の上流側の管路３４ａと、下流側の管路３４ｂにおける流速を表す。
【００３９】
また、本実施形態では、仮想サージタンクモデル３８のモデル式として、サージタンクモデル３７と同一のモデル式を採用する。ただし、通常の模擬動作時において、サージタンクモデル３７の基部３７ａの内径Ａtは、実際のサージタンク２７の内径に設定するのに対し、仮想サージタンクモデル３８の基部３８ａの内径Ａtは、ゼロ（または許容される模擬誤差の範囲内で微小な値）に設定する。よって、通常の模擬動作時において、仮想サージタンクモデル３８を有する水力発電プラントモデルの動作は、仮想サージタンクモデル３８のない水力発電プラントの動作と同じものとなる。
【００４０】
本実施形態において、仮想サージタンクモデル３８を設置した効果は、平衡機能をＯＮにした際に発揮される。平衡機能の詳細については後述する。
【００４１】
なお、本実施形態では、制水口型のサージタンクモデル３７、仮想サージタンクモデル３８を採用したが、代わりに制水口型以外のサージタンクモデル３７、仮想サージタンクモデル３８を採用してもよい。
【００４２】
（４）平衡機能
図１の模擬装置１は、水力発電プラントモデルを素早く平衡状態に移行させるための平衡機能を有している。具体的には、模擬部７による模擬動作中に平衡機能をＯＦＦからＯＮに切り替えると、減衰特性変更部８が、管路系モデルにおける圧力変動の減衰特性を、模擬減衰特性から仮想減衰特性に変更する。模擬減衰特性は、模擬対象の水力発電プラントの動作を模擬するための現実に近い減衰特性である。一方、仮想減衰特性は、現実の減衰特性とは異なる仮想的な減衰特性である。本実施形態では、このような減衰特性の変更により、水力発電プラントモデルを素早く平衡状態に移行させることができる。
【００４３】
以下、図８〜図１１を参照し、平衡機能をＯＮにした際の減衰特性の変更方法の具体例について説明する。
【００４４】
図８は、図３の水力発電プラントモデルにおける平衡機能の切替動作について説明するための図である。
【００４５】
図８(ａ)は、平衡機能をＯＦＦからＯＮに切り替える様子を示している。図３のモデルでは、平衡機能がＯＮになると、サージタンクモデル３７の基部３７ａの内径の値を、実際の値から、実際の値よりも小さい値に減少させる（図８(ｂ)）。その結果、サージタンクモデル３７の影響力が弱まるため、水流サージングによるサージタンク水位の変動が抑制され（図８(ｃ)）、水撃波伝播による鉄管水圧の変動も減衰する（図８(ｄ)）。このように、図３のモデルでは、基部３７ａの内径の値を減少させることで、圧力変動を素早く減衰させ、水力発電プラントモデルを素早く平衡状態に移行させることができる。
【００４６】
図３のモデルで平衡機能がＯＮになった際には、平衡状態への移行時間をより短くするために、基部３７ａの内径の値を、実際の値から大幅に減少させることが望ましい。具体的には、実際の値の１／２以下（例えば１／１０）に減少させることが望ましい。本実施形態では、基部３７ａの内径の値を、実際の値からゼロ、またはほぼゼロに減少させる。基部３７ａの内径の値をゼロではなくほぼゼロに減少させることには、各種計算値の連続性を確保できるという利点がある。
【００４７】
図９は、図４の水力発電プラントモデルに対する平衡機能の切替動作について説明するための図である。
【００４８】
図９(ａ)は、平衡機能をＯＦＦからＯＮに切り替える様子を示している。図４のモデルでは、平衡機能がＯＮになると、仮想サージタンクモデル３８の基部３８ａの内径の値を、ゼロ（または許容される模擬誤差の範囲内で微小な値）から、ゼロ以外の値（または上記微小な値よりも大きい値）に増加させる（図９(ｂ)）。その結果、仮想サージタンクモデル３８がない状態からある状態に変化するため、小さなサージタンク水位の変動が生じる一方で（図９(ｃ)）、水撃波伝播による鉄管水圧の変動が減衰する（図９(ｄ)）。平衡機能をＯＮからＯＦＦに戻すことでこのサージタンク水位の変動は減衰する。このように、図４のモデルでは、基部３８ａの内径の値を増加させることで、圧力変動を素早く減衰させ、水力発電プラントモデルを素早く平衡状態に移行させることができる。
【００４９】
図４のモデルで平衡機能がＯＮになった際には、平衡状態への移行時間をより短くするために、基部３８ａの内径の値を、大幅に増加させることが望ましい。本実施形態では、基部３８ａの内径の値を、例えば数メートルへと増加させる。
【００５０】
なお、基部３７ａ、３８ａの内径の変更は、図８や図９に示すように、圧力振動などを生じさせないように連続的で滑らかに行うことが望ましい。これは例えば、基部３７ａ、３８ａの内径の定数値に２次の遅れフィルタを通過させることで実現できる。また、本実施形態では、平衡機能をＯＮにした際に、基部３７ａ、３８ａの内径の値を増加、減少させる代わりに、基部３７ａ、３８ａの断面積の値を増加、減少させてもよい。また、基部３７ａ、３８ａに流量係数を設定している場合には、内径や断面積の値を変更する代わりに、流量係数の値を変更してもよい。
【００５１】
本実施形態では、平衡機能をある期間内（例えば２〜５分間）ＯＮにし、その後ＯＦＦに戻して、通常の模擬動作を行う。本実施形態では、水路系モデル１３の状態が安定化していれば、図８や図９に示すように、平衡機能をＯＦＦに戻しても圧力変動はほとんど再発生しない。
【００５２】
なお、本実施形態では、発電運用時を想定し、導水路２４側のサージタンクモデル３７や仮想サージタンクモデル３８を取り上げたが、本実施形態は、揚水運転時を想定して、放水路２５側のサージタンクモデル３７や仮想サージタンクモデル３８にも同様に適用可能である。
【００５３】
また、本実施形態の平衡機能では、サージタンクモデル３７や仮想サージタンクモデル３８の特性を変更するだけでなく、図１０や図１１に示すように、調速制御系モデル１１や調速機モデル１２の特性を変更してもよい。
【００５４】
図１０は、第１実施形態の調速制御系モデル１１の不感帯特性の変更方法を説明するための図である。
【００５５】
図１０(ａ)は、調速制御系モデル１１に含まれる不感帯特性模擬ブロック１５を示す。実際の調速制御系は、制御偏差（回転速度偏差やＭＷ出力偏差）が微小なときにも調速制御信号が変化することを回避するために、制御偏差信号に不感帯特性を適用する場合がある（図１０(ｂ)参照）。不感帯特性模擬ブロック１５は、この不感帯特性を模擬するブロックである。図１０の入力信号は調速偏差信号に相当し、出力信号はＰＩＤ制御への入力信号に相当する。
【００５６】
本実施形態では、平衡機能がＯＮになると、この不感帯特性の不感帯幅を、実際の不感帯幅から仮想的な不感帯幅へと減少させる（図１０(ｃ)参照）。図１０(ｃ)には、不感帯幅をゼロに減少させた例が示されている。これにより、制御偏差が微小なときにも制御偏差に応じて調速制御信号が変化することとなるため、圧力変動をより素早く減衰させ、水力発電プラントモデルをさらに素早く平衡状態に移行させることができる。
【００５７】
図１１は、第１実施形態の調速機モデル１２の配圧弁特性の変更方法を説明するための図である。
【００５８】
図１１(ａ)は、調速機モデル１２に含まれる配圧弁特性模擬ブロック１６を示す。実際の調速機の配圧弁は一般に、機械摩擦の存在により、調速制御信号の微小な変化に対して応答感度が鈍い動作領域がある（図１１(ｂ)参照）。配圧弁特性模擬ブロック１６は、このような配圧弁特性を模擬するブロックである。図１１の入力信号は調速制御信号に相当し、出力信号はガイドベーン動作の応答感度に相当する。図１１(ｂ)において、入力信号が小さい場合に出力信号の変化率が小さい（応答感度が鈍い）ことに留意されたい。
【００５９】
本実施形態では、平衡機能がＯＮになると、この配圧弁特性の応答感度を、実際の感度から仮想的な感度に変化させ、調速制御信号の微小な変化に対する感度を向上させる（図１１(ｃ)参照）。図１１(ｃ)には、配圧弁特性を非線形特性から理想的な線形特性に切り替えた例が示されている。これにより、調速制御信号の微小な変化に応じてガイドベーンが線形的に動作することとなるため、圧力変動をより素早く減衰させ、水力発電プラントモデルをさらに素早く平衡状態に移行させることができる。
【００６０】
（４）第１実施形態の効果
最後に、第１実施形態の効果について説明する。
【００６１】
本実施形態では、水撃波や水流サージングによる減衰性の低い圧力変動を模擬する一方で、模擬動作中に、サージタンクモデル３７や仮想サージタンクモデル３８などの特性を変更することで、圧力変動の減衰特性を模擬減衰特性から仮想減衰特性に変更する。
【００６２】
よって、本実施形態によれば、サージタンクモデル３７や仮想サージタンクモデル３８などの特性を圧力変動の減衰性を高めるように変更することで、水撃波や水流サージングによる圧力変動を短時間で減衰させ、水力発電プラントモデルを短時間で平衡状態に移行させることが可能となる。
【００６３】
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態の水力発電プラントの模擬装置１の構成を示す概略図である。図１２では、図１と同一または類似の構成に同一の符号を付しており、図１の説明と共通の事項については説明を省略する。
【００６４】
図１２の模擬装置１は、模擬対象の水力発電プラントの制御装置（水力発電制御装置）１０に接続されている。模擬装置１と制御装置１０は、有線で接続されていても無線で接続されていてもよい。符号Ｓ３、Ｓ４はそれぞれ、制御装置１０から入力部３に入力される入力信号と、出力部６から制御装置１０に出力される出力信号を示す。
【００６５】
制御装置１０は、調速制御や励磁制御を行う装置であり、水力発電プラントの調速機に対し調速制御信号を出力する。第１実施形態の調速制御系モデル１１は、この制御装置１０の動作を模擬している。制御装置１０が出力する調速制御信号は、本開示の制御信号の例である。
【００６６】
図１２の制御部２は、模擬部７と減衰特性変更部８の他に、制御装置通信部９を有している。制御装置通信部９は、制御装置１０からの入力信号Ｓ３の受信や、制御装置１０への出力信号Ｓ４の送信を制御するブロックである。模擬部７、減衰特性変更部８、制御装置通信部９は、ストレージ部５内の模擬プログラムを、制御部２により実行することで実現される。本実施形態では、模擬部７、減衰特性変更部８、制御装置通信部９により、水力発電プラントの動作の模擬を行う。
【００６７】
第１実施形態では、調速制御系モデル１１、調速機モデル１２、水路系モデル１３、および発電機モデル１４に基づいて水力発電プラントの動作を模擬したが、第２実施形態では、調速機モデル１２、水路系モデル１３、および発電機モデル１４と、制御装置１０から取得した調速制御信号に基づいて水力発電プラントの動作を模擬する。なお、調速制御信号は、制御装置通信部９が入力信号Ｓ３として制御装置１０から取得する。また、調速機モデル１２や発電機モデル１４が算出したガイドベーンストローク、回転速度、ＭＷ出力は、制御装置通信部９が出力信号Ｓ４として制御装置１０に提供する。
【００６８】
本実施形態では、模擬装置１と制御装置１０を閉ループで接続する。そして、模擬装置１は、制御装置１０からの調速制御信号に基づいて、逐次リアルタイムで水力発電プラントの動作を模擬すると共に、算出したガイドベーンストローク、回転速度、ＭＷ出力を制御装置１０に出力する。
【００６９】
よって、本実施形態によれば、制御装置１０用のソフトウェアの動作検証を行うことが可能となる。また、本実施形態によれば、第１実施形態で説明したように、水力発電プラントモデルを短時間で平衡状態に移行させることができるため、水力発電プラントの現地で行われる制御装置１０の動作検証を、制御装置１０の工場出荷試験の段階で短時間に行うことが可能となる。さらには、この動作検証試験を活用して、制御装置１０に実装された制御定数や、負荷遮断時のガイドベーン閉鎖方式などの調整を行うことが可能となる。
【００７０】
なお、本実施形態の水力発電プラントモデルは、調速制御系モデル１１を有していてもよいし、有していなくてもよい。前者の場合には、模擬装置１に、調速制御系モデル１１からの調速制御信号を使用するか、制御装置１０からの調速制御信号を使用するかの切替機能を設けてもよい。これにより、制御装置１０なしの模擬と、制御装置１０の動作検証のための模擬の両方を行うことが可能となる。
【００７１】
また、本実施形態では、模擬装置１と制御装置１０は別々の装置であるが、本実施形態は、模擬装置１と制御装置１０を一体化した装置にも適用可能である。
【００７２】
また、第１実施形態や第２実施形態の模擬プログラムは、コンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体に記録して利用してもよい。これにより、模擬プログラムを様々なコンピュータにインストールして利用することが可能となる。また、模擬プログラムは、ＬＡＮやインタネットなどのネットワークを介してダウンロードすることで、コンピュータにインストールしてよい。これらのコンピュータも、本開示の模擬装置１の例に相当する。
【００７３】
以上、第１及び第２実施形態について説明したが、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を意図したものではない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施することができる。また、これらの実施形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことにより、様々な変形例を得ることもできる。これらの形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれており、特許請求の範囲及びこれに均等な範囲には、これらの形態や変形例が含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１：水力発電プラントの模擬装置、２：制御部、３：入力部、４：メモリ部、
５：ストレージ部、６：出力部、７：模擬部、８：減衰特性変更部、
９：制御装置通信部、１０：水力発電プラントの制御装置、
１１：調速制御系モデル、１２：調速機モデル、
１３：水路系モデル、１４：発電機モデル、
１５：不感帯特性模擬ブロック、１６：配圧弁特性模擬ブロック、
２１：上ダム、２２：下ダム、２３：水車、２４：導水路、２５：放水路、
２６：水圧鉄管、２７：サージタンク、２７ａ：基部、
３１：上ダムモデル、３２：下ダムモデル、３３：水車モデル、
３４：管路モデル、３５：管路結合モデル、３６：管路分岐・合流モデル、
３７：サージタンクモデル、３７ａ：基部、
３８：仮想サージタンクモデル、３８ａ：基部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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