(57)【要約】【課題】所定時間範囲における取水の平均水位を、理想水位に、より近くすることができる水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法を提供する。【解決手段】所定時間範囲における取水路の平均水位を理想水位に一致させる制御を取水路の水位に基づいて取水ゲートの開度を調整する制御手段を用いて実行する際に、所定時間範囲を前時間帯と後時間帯とに分割する。そして、連続的に取水路の水位を記憶しながら、前時間帯では１回以上の前調整タイミングにて取水路の実際の水位を理想水位に一致させるように調整制御する。後時間帯では前時間帯における実際の平均水位に基づいて所定時間範囲の全体における平均水位を理想水位に一致させるために後時間帯における平均水位として与えられるべき平均水位を目標平均水位として設定し、１回以上の後調整タイミングにて、取水路の実際の水位を目標平均水位に一致させるように調整制御する。【選択図】図４
2014099991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取水ゲートと取水路とを備えて、前記取水ゲートの開度を調整することにより当該取水ゲートから取水路を通して取水を行う、水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法において、
所定時間範囲における累計取水量を目標取水量に一致させるために前記所定時間範囲における前記取水路の平均水位を理想水位に一致させる制御を、前記取水路に設けられた第１水位測定手段によって検出された前記取水路の水位が入力されて、当該水位に基づいて前記取水ゲートの開度を調整する制御手段を用いて実行する際に、
前記所定時間範囲を所定の分割割合で分割された前時間帯と後時間帯とに分割し、
前記前時間帯では、１回以上の前調整タイミングを設定して、連続的に前記取水路の水位を記憶しながら、前記前調整タイミングにおいて、前記取水路の実際の水位を前記理想水位に一致させるように、前記取水ゲートの開度の調整制御を実行する第１水位調整ステップと、
前記後時間帯では、前記前時間帯における実際の前記取水路の平均水位に基づいて、前記所定時間範囲の全体における平均水位を前記理想水位に一致させるために前記後時間帯における平均水位として与えられるべき平均水位を導出して目標平均水位として設定し、１回以上の後調整タイミングを設定して、当該後調整タイミングにおいて、前記取水路の実際の水位を前記目標平均水位に一致させるように、前記取水ゲートの開度の調整制御を実行する第２水位調整ステップと、
を有している、
水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法。
【請求項２】
請求項１に記載された水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、
前記後時間帯において、前記後調整タイミングを２回以上設定して、連続的に前記取水路の水位を記憶しながら、
前記後時間帯において最後に実行される前記後調整タイミングを除く前記各後調整タイミングにおいて、前記後時間帯の開始時点から次の前記後調整タイミングまでの間の時間範囲における前記取水路の平均水位を予測平均水位として予測し、
予測した次の前記後調整タイミングにおいて、前記後時間帯の開始時点からこの前記後調整タイミングまでの間の時間範囲における実際の前記取水路の平均水位を前記予測平均水位と比較し、当該予測平均水位と実際の前記取水路の平均水位とが一致しない場合に、前記目標平均水位を、前記所定時間範囲の全体における平均水位を前記理想水位に一致させるために現時点から次に到来する前記後調整タイミングまたは前記後時間帯の終了時点のうち早く到来する方のタイミングまでの時間範囲における平均水位として与えられるべき平均水位に変更する、
水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、
前記第１水位測定手段は、前記取水ゲートから前記取水路の下流側に向かって所定距離だけ離れた位置における前記取水路の水位を検出するものであり、
前記第２水位調整ステップにおいて、
前記取水ゲートの開度の調整制御を実行したことによって変化した水位が、前記第１水位測定手段の実際の検出結果に基づいて導出される前記取水路の水位の変化として前記制御手段に認識されるまでにかかる時間である水位変化認識遅延時間と、
前記取水ゲートの開度の調整制御を実行した際に、前記水位変化認識遅延時間を経過した後で、前記取水路の水位の変化が開始されてから当該水位が前記取水ゲートの開度の調整制御後の水位として安定するまでにかかる時間である水位変化安定時間と、
前記後調整タイミングにおいて、当該後調整タイミングから前記後時間帯の終了時点までの残り時間と、から、当該残り時間から前記水位変化認識遅延時間と前記水位変化安定時間とを差し引いた調整可能時間と、に対して、
前記水位変化認識遅延時間と、前記調整可能時間と、に基づいて、所定の導出手段により前記目標平均水位として設定されるべき平均水位を導出する、
水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、
前記第１水位調整ステップまたは前記第２水位調整ステップにおいて実行される前記取水ゲートの開度の調整制御は、
前記取水路を流下する水の水位を第１実測水位として前記第１水位測定手段を用いて実測する第１実測水位測定ステップと、
前記第１実測水位測定ステップにより実測された前記第１実測水位と、前記理想水位と、の水位差を第１水位差として導出する第１水位差導出ステップと、
少なくとも前記取水ゲートの前記開度および前記第１実測水位をパラメータとして含む式である取水量導出式に対して、取水量の変動量である全微分量を導出するための全微分式が、少なくとも前記第１実測水位の変動に対応する第１微小変化量の項と、前記取水ゲートの前記開度の変動に対応する第２微小変化量の項と、を含む形で定義されており、前記全微分式における前記第１微小変化量に前記第１水位差導出ステップにより導出された前記第１水位差を代入し、前記全微分式に代入された値に対して前記全微分量を０とするために与えられるべき前記第２微小変化量の大きさに対応させて、前記取水ゲートの前記開度を調整する開度調整ステップと、
を有している、
水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法。
【請求項５】
請求項４に記載された水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、
前記開度調整ステップにおいて、
前記取水量導出式は、前記パラメータの１つとして水の粘性による水流量の補正係数である流量係数を含み、
前記全微分式は、前記流量係数の変動に対応する第３微小変化量の項を含む形で定義され、
前記全微分式の前記第１微小変化量に前記第１水位差を代入する際に、あわせて前記全微分式の前記第３微小変化量に前記流量係数の変動量を代入する、
水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載された水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、
前記水力発電設備は、当該水力発電設備に設けられた貯水設備に貯水された水を前記取水ゲートから取り込むことで前記取水を行うものであり、
前記第１水位調整ステップまたは前記第２水位調整ステップにおいて実行される前記取水ゲートの開度の調整制御は、
前記貯水設備に貯水された水の水位を検出することができる第２水位測定手段を用いて、前記貯水設備に貯水された水の水位を第２実測水位として実測する第２実測水位測定ステップと、
前記第２実測水位測定ステップにより直近に実測された前記第２実測水位と、１回前の前記第２実測水位測定ステップによって実測された前記第２実測水位と、の水位差を、第２水位差として導出する第２水位差導出ステップと、
を有し、
前記開度調整ステップにおいて、
前記取水量導出式は、前記パラメータの１つとして前記貯水設備に貯水された水の水位を含み、
前記全微分式は、前記貯水設備に貯水された水の水位の変動に対応する第４微小変化量の項を含む形で定義され、
前記全微分式の前記第１微小変化量に前記第１水位差を代入する際に、あわせて前記全微分式の前記第４微小変化量に直近の前記第２水位差導出ステップにより導出された前記第２水位差を代入する、
水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法に関する。詳しくは、取水ゲートと取水路とを備えて、取水ゲートの開度を調整することによりこの取水ゲートから取水路を通して取水を行う、水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電設備は、一般に、その取水量に依存して発電出力が変動するため、この発電出力を大きくするために、取水量を多くすることが望まれる。一方、水力発電における取水には、その取水量に最大値が設定されて、その最大値を常に超過しないように取水を行うことが従来求められてきた。
しかしながら、流水の特性から、取水量が瞬間たりとも上記最大値を超えない状態でこの最大値の取水を行うことは難しい。このため、従来は最大値を下回る運用値を上限とした取水制限を行っていたが、最近は、逼迫する電力需給に対応するために、水力発電における取水制限を緩和する動きが存在する。すなわち、上記取水において、その取水量が一時的に上記最大値を超過する場合でも、所定の時間範囲における累計取水量が目標取水量を超えないように取水を行えばよいとする動きがある。
【０００３】
ところで、水力発電設備においては、河川や湧泉などの水源に取水堰堤やダム湖などの貯水設備を設け、この貯水設備に貯水された水を取水設備から取水路を通して流下させることで取水する。上記取水設備は、開度を調整することができる取水ゲートから取水を行うことで、この取水の取水量を上記取水ゲートの開度により調整することができるようになっている。
ここで、上記調整の方法としては、取水される水の水位に基準となる基準水位およびハンチングを防止するための不感帯を設定し、上記基準水位に対して上記不感帯を越えて上記水位が変動した際にこの水位の調整を行う方法が知られている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５４４７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載された技術では、不感帯を越えて水位が変動することをトリガーとして水位の調整を行う。すなわち、上記技術では、水位が基準水位よりも高い状態であっても、水位の基準水位に対する偏差が不感帯の範囲内に収まっている場合には、水位の調整が行われないため、実際の取水量が目標取水量よりも多くなることがある。このため、上記技術では、所定の時間範囲における取水の累計取水量が目標取水量を超えないようにするためには、所定の時間範囲における目標取水量の水を取水する際の水位である理想水位よりも上記基準水位を低く設定し、水位が基準水位に対して不感帯の範囲内で上回っている状態であっても、上記水位が理想水位を越えないようにして、常時取水量を減らした状態とすることが必要となる。その結果、上記技術では、水力発電設備の発電出力が低くなるという問題があった。
本発明は、上記した問題を解決するものとして創案されたものである。すなわち、本発明が解決しようとする課題は、所定の時間範囲における取水の平均水位を、理想水位に対して、より近くすることができる、水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法は次の手段をとる。
まず、第１の発明は、取水ゲートと取水路とを備えて、取水ゲートの開度を調整することによりこの取水ゲートから取水路を通して取水を行う、水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法である。この水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法では、所定時間範囲における累計取水量を目標取水量に一致させるために上記所定時間範囲における取水路の平均水位を理想水位に一致させる制御を、取水路に設けられた第１水位測定手段によって検出された取水路の水位が入力されて、この水位に基づいて取水ゲートの開度を調整する制御手段を用いて実行する。この際に、上記水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法では、上記所定時間範囲を所定の分割割合で分割された前時間帯と後時間帯とに分割する。また、上記水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法は、前時間帯では、１回以上の前調整タイミングを設定して、連続的に取水路の水位を記憶しながら、前調整タイミングにおいて、取水路の実際の水位を理想水位に一致させるように、取水ゲートの開度の調整制御を実行する第１水位調整ステップと、後時間帯では、前時間帯における実際の取水路の平均水位に基づいて、上記所定時間範囲の全体における平均水位を理想水位に一致させるために後時間帯における平均水位として与えられるべき平均水位を導出して目標平均水位として設定し、１回以上の後調整タイミングを設定して、この後調整タイミングにおいて、取水路の実際の水位を目標平均水位に一致させるように、取水ゲートの開度の調整制御を実行する第２水位調整ステップと、を有している。
この第１の発明によれば、前時間帯において第１水位調整ステップによって理想水位に対する実際の水位のずれが発生した場合であっても、後時間帯における第２水位調整ステップにより所定時間範囲の全体における取水の平均水位を理想水位に一致させるように補正する。このため、所定時間範囲の全体における取水の平均水位を、理想水位に対して、より近くすることができる、水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法を提供することができる。
【０００７】
ついで、第２の発明は、上述した第１の発明にかかる水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、後時間帯において、後調整タイミングを２回以上設定して、連続的に取水路の水位を記憶しながら、後時間帯において最後に実行される後調整タイミングを除く各後調整タイミングにおいて、後時間帯の開始時点から次の後調整タイミングまでの間の時間範囲における取水路の平均水位を予測平均水位として予測し、予測した次の後調整タイミングにおいて、後時間帯の開始時点からこの後調整タイミングまでの間の時間範囲における実際の取水路の平均水位を予測平均水位と比較し、この予測平均水位と実際の取水路の平均水位とが一致しない場合に、上記目標平均水位を、上記所定時間範囲の全体における平均水位を理想水位に一致させるために現時点から次に到来する後調整タイミングまたは後時間帯の終了時点のうち早く到来する方のタイミングまでの時間範囲における平均水位として与えられるべき平均水位に変更するものである。
この第２の発明によれば、２回目以降の後調整タイミングにおいて水位の補正が予定通りに進んでいるか否かを前もって予測した予測平均水位を用いて判定し、上記補正が予定通りに進んでいない場合に目標平均水位を変更する。これにより、後時間帯において水位変動が発生した場合であっても、この水位変動が所定時間範囲の全体における取水の平均水位に及ぼす影響を抑えることができる。
【０００８】
さらに、第３の発明は、上述した第１または第２の発明にかかる水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、上記第１水位測定手段は、取水ゲートから取水路の下流側に向かって所定距離だけ離れた位置における取水路の水位を測定するものである。また、第３の発明は、上記第２水位調整ステップにおいて、取水ゲートの開度の調整制御を実行したことによって変化した水位が、上記第１水位測定手段の実際の検出結果に基づいて導出される取水路の水位の変化として制御手段に認識されるまでにかかる時間である水位変化認識遅延時間と、取水ゲートの開度の調整制御を実行した際に、水位変化認識遅延時間を経過した後で、取水路の水位の変化が開始されてからこの水位が取水ゲートの開度の調整制御後の水位として安定するまでにかかる時間である水位変化安定時間と、後調整タイミングにおいて、この後調整タイミングから後時間帯の終了時点までの残り時間とから、この残り時間から上記水位変化認識遅延時間と上記水位変化安定時間とを差し引いた調整可能時間と、に対して、上記水位変化認識遅延時間と、上記調整可能時間と、に基づいて、所定の導出手段により目標平均水位として設定されるべき平均水位を導出する。
この第３の発明によれば、第１水位測定手段は、取水ゲートから取水路の下流側に向かって離れた位置における取水路の水位を測定する。これにより、第１水位測定手段は、跳水などの取水ゲートにおいて発生する水位の擾乱の影響を抑えて、取水路の水位をより精度よく測定することができる。ところで、取水路の水位を測定する位置を取水ゲートから取水路の下流側に向かって離れた位置とすると、取水ゲートの開度の調整制御を実行した際に、この取水ゲートの開度の調整制御による水位の変化の認識が遅れ、その後さらに時間が経過してから水位が調整制御後の水位として安定するため、取水ゲートの開度の調整制御後の水位を調整することができる調整可能時間が短くなる。ここで、上記第３の発明によれば、水位変化認識遅延時間と、この水位変化認識遅延時間および水位変化安定時間を用いて導出される調整可能時間と、に基づいて目標平均水位として設定されるべき平均水位を導出する。これにより、上述した調整可能時間が短くなることによる目標平均水位のずれを抑えることができる。
【０００９】
さらに、第４の発明は、上述した第１から第３のいずれか１つの発明にかかる水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、上記第１水位調整ステップまたは上記第２水位調整ステップにおいて実行される取水ゲートの開度の調整制御は、取水路を流下する水の水位を第１実測水位として上記第１水位測定手段を用いて実測する第１実測水位測定ステップと、この第１実測水位測定ステップにより実測された第１実測水位と、上記理想水位と、の水位差を第１水位差として導出する第１水位差導出ステップと、少なくとも取水ゲートの開度および第１実測水位をパラメータとして含む式である取水量導出式に対して、取水量の変動量である全微分量を導出するための全微分式が、少なくとも第１実測水位の変動に対応する第１微小変化量の項と、取水ゲートの開度の変動に対応する第２微小変化量の項と、を含む形で定義されており、上記全微分式における第１微小変化量に第１水位差導出ステップにより導出された第１水位差を代入し、上記全微分式に代入された値に対して上記全微分量を０とするために与えられるべき第２微小変化量の大きさに対応させて、取水ゲートの開度を調整する開度調整ステップと、を有しているものである。
複数のパラメータを含む所定量の導出式に対して、上記所定量の全微分量が０であることは、各パラメータの微小変化量の上記所定量への影響が互いに相殺して０になることを意味する。ここで、上記第４の発明によれば、取水量導出式の全微分式に第２微小変化量（すなわち、取水ゲートの開度の調整量）を除く微小変化量を代入し、代入された値に対して取水量の変動量である全微分量を０とするために与えられるべき第２微小変化量に基づいて取水ゲートの開度を調整する。このため、定常的な取水（すなわち、取水量および平均水位が変動しない取水）を得るために必要とされる取水ゲートの開度の調整量を、微小変化量の代入値から理論的に求めることができる。また、第１微小変化量として代入される第１水位差を、取水路において実測された第１実測水位と、理想水位と、の水位差として求めることで、平均水位の基準に理想水位を設定することができる。これにより、監視作業員の監視および判断を必要とすることなく、取水の平均水位を理想水位に一致させるように取水量を調整することができる。
【００１０】
さらに、第５の発明は、上述した第４の発明にかかる水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、上記開度調整ステップにおいて、取水量導出式は、パラメータの１つとして水の粘性による水流量の補正係数である流量係数を含み、上記全微分式は、流量係数の変動に対応する第３微小変化量の項を含む形で定義され、上記全微分式の第１微小変化量に第１水位差を代入する際に、あわせて上記全微分式の第３微小変化量に流量係数の変動量を代入するものである。
水路を流下する水の水流量を理論的に求める際には、水を粘性のない完全流体であるとみなした場合における水の水流量を理論的に求めてから、この水流量を流量係数により補正する。この流量係数は、少なくとも水路を流下する水と上記水路とが接触する潤辺に依存する値であり、この潤辺が取水路の水位変動によって延長または短縮されると、この変化に伴って変動するものである。ここで、上記第５の発明によれば、上述した取水路の水位変動に伴う上記流量係数の変動を、上述した取水量導出式の全微分式における第３微小変化量とすることで、上述した取水ゲートの開度の調整量をより高い精度で求めることができる。
【００１１】
さらに、第６の発明は、上述した第４または第５の発明にかかる水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法であって、上記水力発電設備は、この水力発電設備に設けられた貯水設備に貯水された水を取水ゲートから取り込むことで取水を行うものである。また、第６の発明において、上記第１水位調整ステップまたは上記第２水位調整ステップにおいて実行される取水ゲートの開度の調整制御は、貯水設備に貯水された水の水位を検出することができる第２水位測定手段を用いて、貯水設備に貯水された水の水位を第２実測水位として実測する第２実測水位測定ステップと、この第２実測水位測定ステップにより直近に実測された第２実測水位と、１回前の第２実測水位測定ステップによって実測された第２実測水位と、の水位差を、第２水位差として導出する第２水位差導出ステップと、を有している。また、第６の発明の開度調整ステップにおいて、上記取水量導出式は、パラメータの１つとして上記貯水設備に貯水された水の水位を含み、上記全微分式は、上記貯水設備に貯水された水の水位の変動に対応する第４微小変化量の項を含む形で定義され、上記全微分式の第１微小変化量に第１水位差を代入する際に、あわせて上記全微分式の第４微小変化量に直近の第２水位差導出ステップにより導出された第２水位差を代入する。
貯水設備に貯水された水を取水ゲートから取水路に取り込む場合、上記貯水設備の水位が高いほど、上記取水ゲートにおける射流の流速が速くなって取水量が増大し、取水路の水位が上昇する。ここで、上記第６の発明によれば、貯水設備に貯水された水の水位の時間変化を、上述した取水量導出式の全微分式における第４微小変化量とすることで、上述した取水ゲートの開度の調整量をより高い精度で求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態にかかる水力発電設備における取水ゲートによる取水量を調整する方法が適用される水力発電設備の概略構成を表した説明図である。
【図２】図１の取水ゲートおよび取水路における主要部分の構成を表した平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる水力発電設備における取水ゲートによる取水量を調整する方法を表したフローチャートである。
【図５】図４および図６におけるサブルーチン１を表したフローチャートである。
【図６】図４におけるサブルーチン２を表したフローチャートである。
【図７】図６におけるサブルーチン３を表したフローチャートである。
【図８】本発明において設定される各時間範囲および各タイミングを説明する説明図である。
【図９】本発明において設定される目標平均水位を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を用いて説明する。本発明の一実施形態にかかる水力発電設備における取水ゲートによる取水量を調整する方法は、取水量調整プログラムが、水力発電設備１０の制御コンピュータ１０Ａ（図１参照）を本発明の各ステップを実行するための制御手段として機能させることで、上記水力発電設備１０における取水ゲート１１Ａ（図１参照）によって取水量を調整する方法である。ここで、制御コンピュータ１０Ａは、水力発電設備１０の取水設備１１に設けられた取水設備建屋１１Ｆ（図１参照）の中に設置されている。
上記取水量調整プログラムは、前もって上記制御コンピュータ１０Ａの記憶装置にコンピュータ読み取り可能に記憶されて、上記水力発電設備１０の毎正時から次の正時までの所定時間範囲における累計取水量を、監視作業員による操作がなくても自動的に所定の目標取水量に一致させるように調整するようになっている。
なお、本明細書においては、不感帯を越えて水位が変動することをトリガーとして水位の調整を行う臨時水位調整ステップ（図４に示すステップＳ８０）などの付随的であり、かつ、従来から用いられているステップについては、その詳細な説明を省略する。また、上記水力発電設備１０の各構成のうち、発電機およびこの発電機にかかる負荷の微小変動を調整するためのヘッドタンクならびに取水した水に含まれる砂などの異物を沈殿させて除去する異物沈殿池などの付随的な構成については、その図示および詳細な説明を省略する。
【００１４】
上記水力発電設備１０は、図１に示すように、水源となる河川２０に取水堰堤１２Ａを有する貯水設備１２を設け、この貯水設備１２に貯水された水２０Ａを取水設備１１から取水路１１Ｂを通して流下させることで取水する水路式の水力発電所である。ここで、取水された水２０Ａは、取水路１１Ｂから水圧管路１１Ｃを介して発電機（図示省略）に導かれてこの発電機による発電に使用された後に、放水路１０Ｂを通して河川２０に戻されるようになっている。
上記取水設備１１は、図３に示すように、上述した制御コンピュータ１０Ａが出力する制御信号１０Ｃにより開度ａを調整することができるスライドゲートである取水ゲート１１Ａから取水を行うことで、この取水の取水量を上記取水ゲート１１Ａの開度ａにより上記制御コンピュータ１０Ａが調整することができるようになっている。また、上記取水路１１Ｂは、図２および図３に示すように、水路幅Ｂ（図２参照、本実施形態ではＢ＝５［ｍ］）が一定となるように形成された長方形断面開水路であり、一定の水路床勾配でほぼ直線状に延びることにより、水２０Ａを等流状態で流下させることができるように構成されている。
【００１５】
上記取水路１１Ｂには、図２および図３に示すように、上述した取水ゲート１１Ａからの距離Ｌが十分に長く水２０Ａが等流状態で流下しているとみなせる位置（本実施形態ではＬ＝３０×Ｂ＝１５０［ｍ］となる位置）に、水圧式の水位計である水位測定装置１１Ｄが設けられている。この水位測定装置１１Ｄは、取水路１１Ｂを流下する水２０Ａの水位ｈ（図３参照）を測定するための水位計であり、本発明における「第１水位測定手段」に相当する。
ここで、上記水位測定装置１１Ｄにおいては、取水ゲート１１Ａからの距離Ｌが十分に長く設定されていることにより、跳水などの取水ゲート１１Ａにおいて発生する水位の擾乱の影響が抑えられるようになっている。これにより、水位測定装置１１Ｄは、取水路１１Ｂの水位ｈをより精度よく測定することができる。
【００１６】
また、上述した貯水設備１２には、図２および図３に示すように、水位測定装置１１Ｄと同様の水圧式の水位計である水位測定装置１２Ｂが設置されている。この水位測定装置１２Ｂは、貯水設備１２に貯水された水２０Ａの水位Ｈを測定するものであるが、この測定の際に取水される水２０Ａに影響を及ぼすことがないように、取水ゲート１１Ａから離間された位置に設置されている。この水位測定装置１２Ｂは、本発明における「第２水位測定手段」に相当する。
なお、上記水位測定装置１１Ｄおよび上記水位測定装置１２Ｂは、それぞれ常時連続的に水位を測定して、それぞれの測定結果を常時連続的に検出信号１１Ｅ、１２Ｃ（図３参照）として上述した制御コンピュータ１０Ａに出力するようになっている。この各出力に対して、制御コンピュータ１０Ａは、上記各検出信号１１Ｅ、１２Ｃに基づいて検出される水位ｈ、Ｈのサンプリング処理を、例えば１［Ｈｚ］のサンプリング周波数（１［秒］のサンプリング周期）で同期させて行う。
そして、制御コンピュータ１０Ａは、現時点に対して３０秒前の水位ｈ、Ｈを、その前後３０［秒］の間に測定された各水位ｈ、Ｈを用いて単純移動平均して水位ｈ、Ｈの実測値とするようになっている。これにより、制御コンピュータ１０Ａは、上記水位測定装置１１Ｄおよび上記水位測定装置１２Ｂにおける測定では１［ｃｍ］の桁までとなる水位ｈ、Ｈの測定精度を、１［ｍｍ］の桁までの測定精度に向上させた状態で利用することができる。
【００１７】
●［制御コンピュータ１０Ａの処理手順（図４）］
ここで、上述した取水量調整プログラムにより上述した制御コンピュータ１０Ａが水力発電設備１０の取水量を調整するための制御手段として機能した場合に実行される一連の各ステップについて、図４に示すフローチャートを用いて説明する。この一連の各ステップは、上記制御コンピュータ１０Ａが上述したサンプリング処理によって上述した水位ｈ、Ｈの実測値を導出すると、この導出に応じて実行される。ただし、上述した水位測定装置１２Ｂの検出信号１２Ｃに基づいて検出される水位Ｈが低く、所定時間範囲（１時間）において取水の累計取水量が目標取水量を上回る可能性がないと上記制御コンピュータ１０Ａが判定している場合には、一連の各ステップは実行されない。
なお、一連の各ステップを実行するために上記制御コンピュータ１０Ａが必要とする時間は、上記サンプリング周期（１［秒］）よりも短い。このため、上記制御コンピュータ１０Ａは、上記サンプリング処理により上記水位ｈ、Ｈの実測値を導出するたびに、一連の各ステップを遅滞なく実行することができる。
【００１８】
上述した制御コンピュータ１０Ａが上述した制御手段として機能した場合、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、まず、ステップＳ１０に進む。このステップＳ１０において、制御コンピュータ１０Ａは、この制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に前もって設定された理想水位ｆと、上記制御コンピュータ１０Ａが直近のサンプリング処理により導出した水位ｈと、制御コンピュータ１０Ａが備える計時装置（図示省略）が出力する現在時刻と、をそれぞれ取得する。そして、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ２０に進む。
ここで、上記理想水位ｆは、上述した水力発電設備１０を設計した技術者（以下、単に「技術者」とも称する。）が、上述した取水ゲート１１Ａからの取水の１時間当たりの累計取水量が所定の目標取水量に一致した状態が定常的に続くとした場合に上述した取水路１１Ｂに流下されるべき水の水位として導出し、上記制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に記憶させて設定したものである。また、上記水位ｈは、水位測定装置１１Ｄが実測した取水路１１Ｂの水位として、この水位が測定された時間と対応付けられて上記記憶装置に記憶されるものである。
【００１９】
ステップＳ２０において、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ１０において取得された現在時刻と所定時間範囲の開始時刻とが秒の単位で一致しているか否かを判定する。一致している場合（はい）は、ステップＳ３０に進み、一致していない場合（いいえ）は、ステップＳ４０に進む。
ここで、上記所定時間範囲は、水力発電設備１０における取水の累計取水量が目標取水量に一致させられるべき時間範囲である。本実施形態においては、上記所定時間範囲は上述した技術者により毎正時から次の正時までの間の１時間の時間範囲として設定されて、上記制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に記憶されている。
【００２０】
また、上記技術者は、図８に示すように、上記所定時間範囲を１対１の分割割合（本発明における「所定の分割割合」に相当する。）で分割して、上記記憶装置に設定して記憶させている。すなわち、上記技術者は、上記所定時間範囲の開始時刻（以下、「基準時刻」とも称する。）を０分として、０分から３０分までの間の時間範囲である前時間帯と、３０分から６０分（すなわち、次の基準時刻）までの間の時間範囲である後時間帯と、に分割して、上記記憶装置に設定して記憶させている。
さらに、上記技術者は、上記前時間帯に、上記基準時刻からの経過時間が０分（Ｅ１）、１０分（Ｅ２）、２０分（Ｅ３）となる各タイミングを前調整タイミング、３０分（ｉ１）、４０分（ｉ２）、５０分（ｉ３）となる各タイミングを後調整タイミングとして、上記記憶装置に設定して記憶させている。ここで、上述した各時間範囲および各タイミングは、上述した基準時刻に対する相対的な時間範囲または時刻により設定されている。これにより、上述した基準時刻がステップ３０により変更された際に、上述した各時間範囲および各タイミングを自動的に変更された状態とすることができる。
【００２１】
ステップＳ３０において、制御コンピュータ１０Ａは、基準時刻として設定された時刻をステップＳ１０で取得された現在時刻に変更する。そして、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ４０に進む。
ここで、制御コンピュータ１０Ａは、その起動時であって基準時刻が設定されていない場合に、上記基準時刻の初期値としてダミーデータを設定する。これにより、制御コンピュータ１０Ａは、その起動後に初めて上述した制御手段として機能される場合でも、基準時刻の変更を行うステップＳ３０においてエラーが発生しないようになっている。
【００２２】
ステップＳ４０において、制御コンピュータ１０Ａは、上述した各前調整タイミング（図８に示すＥ１、Ｅ２、Ｅ３）とステップＳ１０で取得された現在時刻とを比較して、この現在時刻が上記各前調整タイミングのいずれかに秒の単位で一致しているか否かを判定する。一致している場合（はい）は、ステップＳ７０に進み、一致していない場合（いいえ）は、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０において、制御コンピュータ１０Ａは、上述した各後調整タイミング（図８に示すｉ１、ｉ２、ｉ３）とステップＳ１０で取得された現在時刻とを比較して、この現在時刻が上記各後調整タイミングのいずれかに秒の単位で一致しているか否かを判定する。一致している場合（はい）は、ステップＳ９０に進み、一致していない場合（いいえ）は、ステップＳ６０に進む。
【００２３】
ステップＳ７０において、制御コンピュータ１０Ａは、基準水位ｋにステップＳ１０で取得された理想水位ｆを代入する。そして、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ１００に進む。このステップＳ１００において、制御コンピュータ１０Ａは、取水路１１Ｂの水位ｈを基準水位ｋに一致させるための、取水ゲート１１Ａの開度ａ（図３参照）の調整制御を実行する。そして、制御コンピュータ１０Ａは、その一連の処理を終了させる。
ここで、ステップＳ７０とステップＳ１００とを組み合わせたステップは、本発明における「第１水位調整ステップ」に相当する。なお、上記調整制御（ステップＳ１００）の詳細については後述する。
【００２４】
ステップＳ６０において、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ１０で取得された水位ｈが前もって制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に記憶されて設定された不感帯の範囲内であるか否かを判定する。上記水位ｈが上記不感帯の範囲内である場合（はい）は、制御コンピュータ１０Ａは、そのままその一連の処理を終了させる。上記水位ｈが上記不感帯の範囲内にない場合（いいえ）は、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ８０（臨時水位調整ステップ）に進む。
ステップＳ８０において、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ１０で取得された水位ｈが上記不感帯に対して上方に外れているか下方に外れているかを判定し、上記水位ｈが上記不感帯に対して上方に外れている場合は取水ゲート１１Ａの開度ａを小さくし、下方に外れている場合は上記開度ａを大きくすることで、上記水位ｈを上記不感帯内に収めるように調整する制御を行う。そして、制御コンピュータ１０Ａは、その一連の処理を終了させる。
なお、ステップＳ８０は、豪雨などの要因による貯水設備１２の水位Ｈの急激な上昇、または、取水ゲート１１Ａの貯水設備１２側の部分に設けられた取水口スクリーン（図示省略）の目詰まりを解消する除塵作業によって、取水路１１Ｂの水位ｈが急激に上昇する事態に対処するために設定されるステップである。
【００２５】
●［第２水位調整ステップの詳細（図６、図７）］
ステップＳ９０は、本発明における「第２水位調整ステップ」に相当するステップであり、本実施形態の取水量調整プログラムにおいてはサブルーチンとして設定されている。また、ステップＳ９０は、そのサブルーチンの実行後に制御コンピュータ１０Ａの一連の処理を終了させるように設定されている。
以下、ステップＳ９０のサブルーチンおよびこのサブルーチンによって呼び出されるサブルーチン（図６のステップＳ１６０およびステップＳ１７０を参照）の詳細について、図６および図７のフローチャートを用いて説明する。
【００２６】
ステップＳ９０のサブルーチンにおいて、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、図６に示すように、まず、ステップＳ１１０に進む。
ステップＳ１１０において、制御コンピュータ１０Ａは、上述した各後調整タイミングにおける最初の後調整タイミングとステップＳ１０で取得された現在時刻とを比較して、この現在時刻が上記最初の後調整タイミングに秒の単位で一致しているか否かを判定する。一致している場合（はい）は、ステップＳ１２０に進み、一致していない場合（いいえ）は、ステップＳ１５０に進む。
【００２７】
ステップＳ１２０において、制御コンピュータ１０Ａは、その記憶装置に水位測定装置１１Ｄの毎秒の実測値として記憶された水位ｈの時間変化に基づいて、上述した前時間帯における実際の取水路１１Ｂの平均水位ｈａを導出する。そして、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ１３０に進む。
ステップＳ１３０において、制御コンピュータ１０Ａは、所定時間範囲の全体における平均水位を理想水位ｆに一致させるために後時間帯における平均水位として与えられるべき平均水位を導出して目標平均水位ｍとして設定する。本実施形態では、制御コンピュータ１０Ａは、その記憶装置に前もって記憶された第１のテーブル（本発明における「導出手段」に相当する。）を検索することで、以下の（式１）と同等のデータ処理を行って上述した目標平均水位ｍを導出して設定する。そして、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ１４０に進む。
【００２８】
【数１】
2014099991.tif 000003
ここで、ｆはステップＳ１０で取得された理想水位である。また、ｈａはステップＳ１２０で導出された平均水位である。Ｐ１は上述した前時間帯の長さである。本実施形態では、Ｐ１には３０［分］という値が上述した制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に前もって記憶されている。また、Ｐ２は上述した後時間帯の長さである。本実施形態では、Ｐ２には３０［分］という値が上記記憶装置に前もって記憶されている。また、ｔは取水ゲート１１Ａの開度ａ（図３参照）の調整制御を実行したことによって変化した水位が、上述した水位測定装置１１Ｄの実際の検出結果に基づいて導出される水位ｈの変化として制御コンピュータ１０Ａに認識されるまでにかかる時間（図９参照）である。ｔは、本発明における「水位変化認識遅延時間」に相当する。ｔは、前もって取水路１１Ｂの通水試験を実施することで観測された、取水ゲート１１Ａからの取水量の時間変化に対応する水位ｈの時間変化の遅れ時間と、制御コンピュータ１０Ａにおける移動平均処理などのデータ処理による遅れ時間と、の和として導出される。本実施形態では、ｔには１．０［分］という値が技術者により前もって導出されて上記記憶装置に記憶されている。また、Ｔは制御コンピュータ１０Ａが取水ゲート１１Ａの開度ａ（図３参照）の調整制御を実行した際に、上記水位変化認識遅延時間ｔを経過した後で、水位の変化が開始されてからこの水位が取水ゲート１１Ａの開度ａの調整制御後の水位として安定するまでにかかる時間（図９参照）である。Ｔは、本発明における「水位変化安定時間」に相当する。Ｔは前もって実施された実験の結果を技術者が解析することによって導出され、上記記憶装置に前もって記憶される。本実施形態では、Ｔには１．０［分］という値が与えられている。また、Ｘは取水路１１Ｂの平均水位と、現時点における取水路１１Ｂの水位ｈと、の差を０にするためのオフセット成分の補正量である。
【００２９】
ここで、上記（式１）の意味について、図９を用いて説明する。なお、以下においては、後時間帯における水位の擾乱は無視できるほど小さいものとして説明を行う。
平均水位のオフセット成分が無視できるほど小さい場合であって、上述したｈａが理想水位ｆよりもずれ（ｈａ−ｆ）だけ大きい場合を考える。このずれ（ｈａ−ｆ）を所定の調整可能時間において補正するためには、この調整可能時間における平均水位を、理想水位ｆよりも（平均水位がｈａである時間範囲の長さ）÷（調整可能時間の長さ）×（ｈａ−ｆ）だけ小さい目標平均水位ｍとすればよい。
【００３０】
ここで、平均水位がｈａである時間範囲は、前時間帯と水位変化認識遅延時間ｔとの和であり、その長さは（Ｐ１＋ｔ）と表される。また、上記調整可能時間は、後時間帯の終了時点までの残り時間から水位変化認識遅延時間ｔと水位変化安定時間Ｔとを差し引いた時間であり、その長さは（Ｐ２−ｔ−Ｔ）と表される。
なお、上記水位変化安定時間Ｔにおいて、水位ｈは理想水位ｆを挟んで上下動するため、水位ｈが理想水位ｆよりも高いときの影響と水位ｈが理想水位ｆよりも低いときの影響とは互いに相殺する。このため、上記水位変化安定時間Ｔにおける水位ｈの上下動が平均水位に及ぼす影響は無視できるほど小さくなるとみなす。
【００３１】
ところで、実際の目標平均水位ｍには、平均水位のオフセット成分の補正が必要となるため、その補正量Ｘの項が追加される。これにより、上述した目標平均水位ｍを定めるための式が、上述した（式１）の形として導かれる。
上述した（式１）によれば、水位変化認識遅延時間ｔと、この水位変化認識遅延時間ｔおよび水位変化安定時間Ｔを用いて導出される調整可能時間（Ｐ２−ｔ−Ｔ）と、に基づいて目標平均水位ｍとして設定されるべき平均水位を導出する。これにより、上述した調整可能時間（Ｐ２−ｔ−Ｔ）が短くなることによる目標平均水位ｍのずれを抑えることができる。
【００３２】
ステップＳ１４０において、制御コンピュータ１０Ａは、その記憶装置に水位測定装置１１Ｄの毎秒の実測値として記憶された水位ｈの時間変化、および、ステップＳ１３０で設定された目標平均水位ｍに基づいて、後時間帯の開始時刻（図８に示すｉ１）から次回以降の各後調整タイミング（図８に示すｉ２およびｉ３）までの水位ｈの累積移動平均の予測値を、それぞれ予測平均水位ｙとして予測して設定する。そして、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ２３０に進む。
ここで、上記各予測平均水位ｙは、所定の理論に基づいて技術者により導かれて、上記制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に前もって記憶された導出式に基づいて、上記記憶装置に水位測定装置１１Ｄの毎秒の実測値として記憶された水位ｈの時間変化、および、ステップＳ１３０で設定された目標平均水位ｍから導出されることでそれぞれ予測される。このため、上記各予測平均水位ｙは、取水路１１Ｂの平均水位のオフセット成分が補正された値として導出される。
【００３３】
ステップＳ１５０において、制御コンピュータ１０Ａは、上述した各後調整タイミングにおける最後の後調整タイミングとステップＳ１０で取得された現在時刻とを比較して、この現在時刻が上記最後の後調整タイミングに秒の単位で一致しているか否かを判定する。一致している場合（はい）は、ステップＳ１６０に進み、一致していない場合（いいえ）は、ステップＳ１７０に進む。
ここで、ステップＳ１６０とステップＳ１７０とは、ともに目標平均水位ｍの評価を行うステップであり、ステップＳ１６０においては処理の実行後にステップＳ１９０に進み、ステップＳ１７０においては処理の実行後にステップＳ２３０に進む点を除いて、全く同じ処理を実行する。また、本実施形態の取水量調整プログラムでは、ステップＳ１６０とステップＳ１７０とは同一のサブルーチン（図７のサブルーチン３を参照）を使用する。このため、本明細書においては、ステップＳ１６０およびステップＳ１７０について、その詳細な説明およびフローチャートの図示をステップＳ１６０の説明およびフローチャートの図示により代表させて行う。そして、ステップＳ１７０の詳細な説明およびフローチャートの図示は省略する。
【００３４】
ステップＳ１６０のサブルーチンにおいて、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、図７に示すように、まず、ステップＳ２００に進む。このステップＳ２００において、制御コンピュータ１０Ａは、その記憶装置に水位測定装置１１Ｄの毎秒の実測値として記憶された水位ｈの時間変化に基づいて、後時間帯の開始時刻（図８に示すｉ１）から現時点までの間における、実際の水位ｈの累積移動平均Ｚを導出する。そして、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ２１０に進む。
ステップＳ２１０において、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ２００で導出された実際の水位ｈの累積移動平均Ｚと、現時点における予測平均水位ｙと、を比較評価し、このｙと上記実際の水位ｈの累積移動平均Ｚとが一致しているか否かを判定する。一致している場合（はい）は、ステップＳ１６０のサブルーチンの処理を終了させ、一致していない場合（いいえ）は、ステップＳ２２０に進む。
【００３５】
ステップＳ２２０において、制御コンピュータ１０Ａは、その記憶装置に前もって記憶された第２のテーブルを検索することで、以下の（式２）と同等のデータ処理を行って目標平均水位ｍの変更を行う。そして、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ１６０のサブルーチンの処理を終了させる。
ここで、以下の（式２）は、上記目標平均水位ｍを、上述した所定時間範囲の全体における平均水位（すなわち、基準時刻以降での水位ｈの累積移動平均における次の基準時刻の時点での値）を理想水位ｆに一致させるために現時点から次に到来する後調整タイミングまたは後時間帯の終了時点（すなわち、次の基準時刻の時点）のうち早く到来する方のタイミングまでの時間範囲における平均水位として与えられるべき平均水位に変更して再設定する式である。
【００３６】
【数２】
2014099991.tif 000004
ここで、ｙは現時点における予測平均水位である。また、Ｐ３は後時間帯の開始時刻（図８に示すｉ１）から現在時刻までの経過時間の長さである。また、Ｐ４は現在時刻から次に到来する後調整タイミングまたは後時間帯の終了時点（すなわち、基準時刻からの経過時間が６０分となる時点）のうち早く到来する方のタイミングまでの残り時間である。Ｐ３およびＰ４は、ステップＳ１０で取得された現在時刻に基づいて導出される。また、ｔは上述した水位変化認識遅延時間であり、上述した（式１）で使用される値と同一の値を使用する。また、Ｔは上述した水位変化安定時間であり、上述した（式１）で使用される値と同一の値を使用する。また、Ｚは上述したステップＳ２００において導出された、後時間帯の開始時刻から現時点までの間の水位ｈの累積移動平均である。
【００３７】
上記（式２）の意味について説明する。平均水位のオフセット成分が補正されて無視できるほど小さい予測平均水位の現時点における値ｙに対して、後時間帯の開始時刻から現時点までの間の水位ｈの累積移動平均Ｚがずれ（Ｚ−ｙ）だけ大きい場合を考える。このずれ（Ｚ−ｙ）を調整可能時間（すなわち、現時点から次に到来する後調整タイミングまたは後時間帯の終了時点のうち早く到来する方のタイミングまでの時間）において補正するためには、この調整可能時間における平均水位を、予測平均水位の現時点における値ｙよりも（平均水位がＺである時間範囲の長さ）÷（調整可能時間の長さ）×（Ｚ−ｙ）だけ小さい目標平均水位ｍに変更すればよい。
ここで、平均水位がＺである時間範囲は、後時間帯の開始時刻から現在時刻までの経過時間と水位変化認識遅延時間ｔとの和であり、その長さは（Ｐ３＋ｔ）と表される。また、上記調整可能時間は、現時点から次に到来する後調整タイミングまたは後時間帯の終了時点のうち早く到来する方のタイミングまでの残り時間Ｐ４から水位変化認識遅延時間ｔと水位変化安定時間Ｔとを差し引いた時間であり、その長さは（Ｐ４−ｔ−Ｔ）と表される。
【００３８】
なお、上記水位変化安定時間Ｔにおいて、水位ｈは予測平均水位の現時点における値ｙを挟んで上下動するため、水位ｈが予測平均水位の現時点における値ｙよりも高いときの影響と水位ｈが予測平均水位の現時点における値ｙよりも低いときの影響とは互いに相殺する。このため、上記水位変化安定時間Ｔにおける水位ｈの上下動が平均水位に及ぼす影響は無視できるほど小さくなるとみなす。
これにより、上述したずれ（Ｚ−ｙ）を上述した調整可能時間において補正して上述した所定時間範囲の全体における平均水位を理想水位ｆに一致させる目標平均水位ｍを導出するための導出式が、上述した（式２）の形で定められる。
【００３９】
上述した各予測平均水位ｙおよび目標平均水位ｍの変更の意味について説明する。なお、以下の説明において、「●●分時点」の形で指定してある時刻は、基準時刻を０分として、この基準時刻からの経過時間により時刻を指定したものである。
前時間帯において発生した理想水位ｆに対する水位のずれ（ｈａ−ｆ）を後時間帯において補正する場合であって、この後時間帯における水位の擾乱が無視できるほど小さいとみなせる場合を考える。この場合、後時間帯の開始時刻以降での水位ｈの累積移動平均の時間変化は、水位変化認識遅延時間ｔおよび水位変化安定時間Ｔの長さと、水位変化安定時間Ｔにおける水位の時間変化と、から理論的にｆ−ＤＪ×（ｈａ−ｆ）の形で求めることができる。ここで、Ｊは対象の時刻が何分時点であるかを示すための引数であり、ＤＪは引数Ｊに依存して変化する係数である。
【００４０】
例えば、本実施形態では、ｔ＝１．０［分］、Ｔ＝１．０［分］であり、水位変化安定時間Ｔにおいて水位が一定の速度で変化するとみなしている。この場合、後時間帯の開始時刻以降での水位ｈの累積移動平均は、４０分時点でｆ−Ｄ４０×（ｈａ−ｆ）＝ｆ−０．７８６×（ｈａ−ｆ）、５０分時点でｆ−Ｄ５０×（ｈａ−ｆ）＝ｆ−０．９４６×（ｈａ−ｆ）と求められる。ただし、計算の有効数字はいずれも３桁である。
このため、後時間帯の開始時刻以降での水位ｈの累積移動平均における２回目以降の後調整タイミングにおける値は、前もって所定の理論に基づいて導出してそれぞれ予測することができる。この各予測値が上述した各予測平均水位ｙである。
【００４１】
ところで、後時間帯の所定のタイミングにおける後時間帯の開始時刻以降での水位ｈの累積移動平均において、理論的に導出された値と水位ｈの実測に基づいて導出された値との間にずれがある場合、後時間帯の開始時点から上記所定のタイミングまでの間に無視できない大きさの水位の擾乱が存在する。言い換えると、２回目以降の後調整タイミングにおける予測平均水位ｙと同タイミングにおける実際の取水路における後時間帯の開始時刻以降での水位ｈの累積移動平均の値Ｚとが一致しない場合、水位の補正が予定通りに進むことを妨げている水位変動が存在する。
このため、前もって所定の理論に基づいて各予測平均水位ｙを予測し、上記所定のタイミングにおける予測平均水位ｙと実際の取水路における後時間帯の開始時刻以降での水位ｈの累積移動平均の値Ｚとを比較することで、水位の補正が予定通りに進んでいるか否かを判定することができる。また、補正が予測通りに進んでいない場合に目標平均水位ｍを変更することで、水位の補正が予定通りに進むことを妨げている水位変動が所定時間範囲の全体における取水の平均水位に及ぼす影響を抑えることができる。
【００４２】
ステップＳ１９０において、制御コンピュータ１０Ａは、この制御コンピュータ１０ＡがステップＳ１４０においてそれぞれ予測した各予測平均水位ｙを、それぞれ技術者が前もって設定して上記制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に記憶させた所定値に置き換えて、各予測平均水位ｙを初期化された状態とする。そして、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ２３０に進む。
ステップＳ２３０において、制御コンピュータ１０Ａは、基準水位ｋに現時点で設定されている目標平均水位ｍを代入する。そして、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、ステップＳ２４０に進む。
【００４３】
ステップＳ２４０において、制御コンピュータ１０Ａは、取水路１１Ｂの水位ｈを基準水位ｋに一致させるための、取水ゲート１１Ａの開度ａ（図３参照）の調整制御（後述）を実行する。そして、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ９０のサブルーチンの処理を終了させる。
ここで、ステップＳ２４０は、ステップＳ１００と全く同じ処理であり、本実施形態の取水量調整プログラムでは同一のサブルーチン（図５のサブルーチン１を参照）を使用する。このため、本明細書においては、ステップＳ１００およびステップＳ２４０について、その詳細な説明およびフローチャートの図示をステップＳ１００の説明およびフローチャートの図示により代表させて行う。そして、ステップＳ２４０の詳細な説明およびフローチャートの図示は省略する。
【００４４】
上述した各ステップによれば、前時間帯において第１水位調整ステップによって理想水位ｆに対する実際の水位ｈのずれが発生した場合であっても、後時間帯における第２水位調整ステップにより所定時間範囲（毎正時から次の正時までの間の１時間の時間範囲）の全体における取水の平均水位を理想水位ｆに一致させるように補正する。このため、所定時間範囲の全体における取水の平均水位を、理想水位ｆに対して、より近くすることができる、水力発電設備１０における取水ゲート１１Ａによる取水量の調整方法を提供することができる。
また、２回目以降の後調整タイミングにおいて水位の補正が予定通りに進んでいるか否かを前もって予測した予測平均水位ｙを用いて判定し、上記補正が予定通りに進んでいない場合に目標平均水位ｍを変更する。これにより、後時間帯において水位変動が発生した場合であっても、この水位変動が所定時間範囲の全体における取水の平均水位に及ぼす影響を抑えることができる。
【００４５】
●［取水ゲートの開度の調整制御の詳細（図５）］
続いて、水位の調整制御を行うステップＳ１００の詳細について、図５のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ１００は、本実施形態の取水量調整プログラムにおいてはサブルーチンとして設定されている。このサブルーチンにおいて、制御コンピュータ１０Ａによる処理は、まず、ステップＳ２５０に進む。
ステップＳ２５０において、制御コンピュータ１０Ａは、現時点において与えられている基準水位ｋを取得し、ステップＳ２６０に進む。
【００４６】
ステップＳ２６０において、制御コンピュータ１０Ａは、上述した水位測定装置１２Ｂから直近に制御コンピュータ１０Ａに出力された検出信号１２Ｃを取得することで貯水設備１２の水位Ｈ（図３参照）を測定して制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に記憶して、ステップＳ２７０に進む。
ここで、ステップＳ２６０は、本発明における「第２実測水位測定ステップ」に相当する。また、ステップＳ２６０によって測定される水位Ｈは、本発明における「第２実測水位」に相当する。
【００４７】
ステップＳ２７０において、制御コンピュータ１０Ａは、直近のステップＳ２６０により測定された水位Ｈからその１回前に実行されたステップＳ２６０により測定された水位Ｈを差し引いた水位差ΔＨを算定し、ステップＳ２８０に進む。
ここで、ステップＳ２７０は、本発明における「第２水位差導出ステップ」に相当する。また、上記水位差ΔＨは、本発明における「第２水位差」に相当する。なお、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ２７０において１回前に実行されたステップＳ２６０により測定された水位Ｈが存在しない場合に、上記水位差ΔＨの値の算定結果として０を出力する。これにより、制御コンピュータ１０Ａは、その起動後に初めて上述した制御手段として機能される場合でも、ステップＳ２７０においてエラーが発生しないようになっている。
ところで、ステップＳ２７０は、現時点から次に水位ｈの調整制御が実行されるまでの貯水設備１２の水位Ｈの変化が、過去から現時点までの間に発生した貯水設備１２の水位Ｈの変化とほぼ同様の変化であるとみなすことを前提としたステップである。このため、制御コンピュータ１０Ａは、貯水設備１２の水位Ｈが上昇および下降を繰り返していると判定している場合において、ステップＳ２７０における水位差ΔＨの値の算定結果をその値によらず０に変更することで、この算定結果を後述するステップＳ３００において反映させないようになっている。
【００４８】
ステップＳ２８０において、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ１０で取得された水位ｈを取得し、ステップＳ２９０に進む。
ここで、ステップＳ１０により取得される水位ｈは、直近に入力された検出信号１１Ｅに基づいて上記記憶装置に実測値として記憶される水位ｈである。このため、ステップＳ２８０は、本発明における「第１実測水位測定ステップ」として機能する。また、ステップＳ２８０によって取得される水位ｈは、本発明における「第１実測水位」として機能する。
【００４９】
ステップＳ２９０において、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ２８０で取得された水位ｈからステップＳ２５０で取得された基準水位ｋを差し引いた水位差Δｈを算定し、ステップＳ３００に進む。
ここで、ステップＳ２９０は、本発明における「第１水位差導出ステップ」に相当する。また、上記水位差Δｈは、本発明における「第１水位差」に相当する。
【００５０】
ステップＳ３００において、制御コンピュータ１０Ａは、その記憶装置にそれぞれ前もって記憶された第１水位差Δｈに対する調整量テーブルおよび第２水位差ΔＨに対する調整量テーブルをそれぞれ検索する。ついで、制御コンピュータ１０Ａは、上記第１水位差Δｈに対する調整量テーブルおよび上記第２水位差ΔＨに対する調整量テーブルの各検索結果を合算する。これにより、制御コンピュータ１０Ａは、以下の（式３）により導出される取水ゲート１１Ａの開度ａの調整量Δａに対応する量である、取水ゲート１１Ａの動作方向（すなわち、取水ゲート１１Ａを開ける方向に動かすか閉める方向に動かすか）および動作時間（すなわち、取水ゲート１１Ａを上記動作方向に何秒動かすか）を取得し、ステップＳ３１０に進む。
ここで、上記調整量Δａは、本発明における「第２微小変化量」に相当する。
【００５１】
【数３】
2014099991.tif 000005
上記（式３）において、ｈはステップＳ２８０で取得された取水路１１Ｂの水位である。また、Ｈは直近に実行されたステップＳ２６０において測定された貯水設備１２の水位である。また、Ｃは水の粘性による水流量の補正係数である流量係数であり、取水路１１Ｂを流下する水２０Ａと取水路１１Ｂとが接触する潤辺に依存して変動する。本実施形態においては、Ｃは上述した取水ゲート１１Ａの開度ａの変動による上記潤辺への影響が無視できるほど小さいものとして、この開度ａを定数とみなした上記水位ｈおよび上記水位Ｈの関数として定められる。また、Δｈは直近に実行されたステップＳ２９０において導出された水位差Δｈであり、本発明における「第１微小変化量」に相当する。また、ΔＨは直近に実行されたステップＳ２７０において導出された水位差ΔＨであり、本発明における「第４微小変化量」に相当する。また、ΔＣは上記ΔｈおよびΔＨに対応する上記Ｃの微小変化量であり、本発明における「第３微小変化量」に相当する。
【００５２】
なお、制御コンピュータ１０Ａは、上記（式３）に含まれる各パラメータの値のうち、上記ＣおよびΔＣを除いた全てのパラメータの値を制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に記憶させた状態で、ステップＳ３００を実行するようになっている。ここで、上記ＣおよびΔＣは、それぞれの計算が複雑であるため、ステップＳ３００において直接計算されることはない。
すなわち、本実施形態では、全てのパラメータが反映された上記（式３）を、想定される任意の水位Ｈにおける第２微小変化量Δａに対応する取水ゲート１１Ａの制御量を上記ＣおよびΔＣの計算を行うことなく第１水位差Δｈから容易に導出することができるように、上述した技術者によりあらかじめ簡略化させることで、上記第１水位差Δｈに対する調整量テーブルとしている。
【００５３】
また、本実施形態において、上記第１水位差Δｈに対する調整量テーブルは、水位の調整制御（ステップＳ１００またはステップＳ２４０）が行われた後に発生した水位Ｈの変化が十分に小さいとみなせる時点（例えば前調整タイミングまたは後調整タイミングから上述した水位変化認識遅延時間ｔおよび水位変化安定時間Ｔが経過した時点）において、水位ｈと基準水位ｋとの差を０とするために必要な取水ゲート１１Ａの制御量を与えるものである。
このため、本実施形態では、上記水位の調整制御が行われた後に予測される水位Ｈの変化（本実施形態ではステップＳ２７０において導出された水位差ΔＨによって代用している。）に対応するための取水ゲート１１Ａの制御量（すなわち、上記（式３）の右辺第２項に対応するための取水ゲート１１Ａの制御量）として、上記第２水位差ΔＨに対する調整量テーブルとして設定している。
【００５４】
ステップＳ３１０において、制御コンピュータ１０Ａは、ステップＳ３００により取得された取水ゲート１１Ａの動作方向および動作時間に基づいて、この取水ゲート１１Ａの開度ａを調整量Δａだけ調整する開度調整を実行し、ステップＳ１００のサブルーチンの処理を終了させる。
ここで、ステップＳ３１０は、本発明における「開度調整ステップ」に相当する。
【００５５】
ここで、上述した（式３）の意味について説明する。なお、以下においては、重力加速度ｇおよび取水路の幅Ｂは変化しないものとして説明を行う。また、本実施形態の取水量調整プログラムは、所定時間範囲において取水の累計取水量が目標取水量を上回る可能性がある豊水時にのみ、制御コンピュータ１０Ａに取水量を制御する機能を実現させるものである。このため、以下においては、貯水設備の水位は常に取水路の水位よりも高い状態にあることを前提として説明を行う。
図２および図３に示すように、水位Ｈの貯水設備１２から、開度ａの取水ゲート１１Ａを介して、幅Ｂが一定の長方形断面開水路である取水路１１Ｂに、水２０Ａを等流状態に流下させて取水を行うことを考える。この際の取水路の水位をｈ（ただしＨ＞ｈ＞０）とすると、この取水路における単位時間当たりの取水量Ｑは、以下の（式４）（本発明における「取水量導出式」に相当する。）により与えられることが知られている。ここで、Ｃは水の粘性による水流量の補正係数（すなわち流量係数）である。また、ｇは重力加速度である。
【００５６】
【数４】
2014099991.tif 000006
上記取水量導出式（式４）は、水位ｈと、取水ゲートの開度ａと、流量係数Ｃと、水位Ｈと、を取水量Ｑを変動させうるパラメータとして含んでいる。このため、上記取水量Ｑの変動量である全微分量ΔＱを導出するための全微分式は、以下の（式５）により定義される。
【００５７】
【数５】
2014099991.tif 000007
この（式５）において、取水量Ｑの全微分量ΔＱは、水位ｈの変動に対応する第１微小変化量Δｈの項と、取水ゲートの開度ａの変動に対応する第２微小変化量Δａの項と、流量係数Ｃの変動に対応する第３微小変化量ΔＣの項と、水位Ｈの変動に対応する第４微小変化量ΔＨの項と、を含む形で与えられる。
【００５８】
ところで、上記全微分量ΔＱが０であることは、上述した各パラメータｈ、ａ、Ｃ、Ｈの各微小変化量Δｈ、Δａ、ΔＣ、ΔＨの影響が互いに相殺して０になることを意味し、上述した取水量Ｑが各パラメータｈ、ａ、Ｃ、Ｈの変動に対して変化しないことを意味する。このため、上記（式５）のΔＱに０を代入した式をΔａの方程式とみなしてこの方程式を解くことで、各パラメータｈ、Ｃ、Ｈの微小変化量Δｈ、ΔＣ、ΔＨに対して、取水量Ｑの変動量である全微分量ΔＱを０として取水量Ｑを一定に保つために与えられるべきΔａを求めることができる。
ここで、上記Δａの方程式は、上記各微小変化量Δｈ、ΔＣ、ΔＨのうち、いずれか２つが０である解を特解として含むことが明らかである。この特解を用いて上記Δａの方程式を解くと、その一般解が上述した（式３）の形で与えられる。
【００５９】
すなわち、上述した方法によれば、定常的な取水（すなわち、取水量および平均水位が変動しない取水）を得るために必要とされる取水ゲートの開度の調整量を、微小変化量の代入値から理論的に求めることができる。また、第１微小変化量として代入される第１水位差Δｈを、上述したステップＳ２８０で実測値として取得された第１実測水位ｈと、理想水位ｆと、の水位差として求めることで、平均水位の基準に理想水位ｆを設定することができる。これにより、監視作業員の監視および判断を必要とすることなく、取水の平均水位を理想水位ｆに一致させるように取水量を調整することができる。
また、上述した流量係数Ｃの変動を、上述した取水量Ｑの全微分式（式５）における第３微小変化量ΔＣとすることで、上述した取水ゲートの開度の調整量をより高い精度で求めることができる。
【００６０】
さらに、上述した第４微小変化量ΔＨを、直近のステップＳ２６０により測定された水位Ｈからその１回前に実行されたステップＳ２６０により測定された水位Ｈを差し引いた第２水位差ΔＨとして求めることで、第４微小変化量ΔＨを水位Ｈの時間変化に対応させることができる。
すなわち、上述した方法によれば、水位Ｈの時間変化を上述した取水量Ｑの全微分式（式５）における第４微小変化量ΔＨとすることで、上述した取水ゲートの開度の調整量をより高い精度で求めることができる。
【００６１】
なお、本発明者は、上述した本発明の水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法（以下、「方法Ｗ」とも称する。）と、不感帯を越えて水位が変動することをトリガーとして水位の調整を行う臨時水位調整ステップ（図４に示すステップＳ８０）のみを用いた水力発電設備における取水ゲートによる取水量の従来の調整方法（以下、「方法Ｖ」とも称する。）と、を比較するシミュレーション実験を行った。このシミュレーション実験は、貯水設備１２の水位Ｈを２０［ｃｍ／時間］の速度で上昇させる豪雨または貯水設備１２の水位Ｈを５［ｃｍ／時間］の速度で下降させるフラッシュ放流など、水力発電設備１０の取水ゲート１１Ａによる取水量に影響を及ぼす種々の条件の有無を変更しながら繰り返し行われた。
上記シミュレーション実験によれば、上記方法Ｖにおいては、１時間の時間範囲における取水路１１Ｂの平均水位が理想水位に対して最大±１２［ｍｍ］程度ずれた。一方、上記方法Ｗにおいては、上記方法Ｖに適用したのと全く同じ条件下において、１時間の時間範囲における取水路１１Ｂの平均水位の理想水位に対するずれが、最大±１［ｍｍ］程度に抑えられた。
【００６２】
ところで、本発明にかかる水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法においては、最後の後調整タイミング（図８に示すｉ３）の後に最終確認タイミング（図８に示すＵ）を追加で設定して、この最終確認タイミングにおいて、水位ｈの急な増加に対応してこの水位ｈを調整するための最終確認ステップ（図示省略）を追加で実行する実施形態を用いることもできる。
ここで、上記最終確認タイミングは、上述した技術者によって、例えば基準時刻から５５分後となるタイミング（図８参照）として設定して、制御コンピュータ１０Ａの記憶装置に前もって記憶させておくことができる。
【００６３】
また、上記最終確認ステップにおいては、制御コンピュータ１０Ａは、上記最終確認タイミングにおける実測値としての取水路１１Ｂの水位ｈが理想水位ｆを上回っているか否かを判定する。そして、制御コンピュータ１０Ａは、上記判定の結果が（はい）である場合（すなわち、上記最終確認タイミングにおける実測値としての取水路１１Ｂの水位ｈが理想水位ｆを上回っている場合）に、上述したステップＳ１００（図５参照）と同様の水位ｈの調整制御を実行する。
上記最終確認ステップによれば、制御コンピュータ１０Ａは、最後の後調整タイミング（図８に示すｉ３）の後で発生した水位ｈの急な増加に対応してこの水位ｈを調整することができる。これにより、上述した所定時間範囲の全体における平均水位が理想水位ｆを上回るおそれをさらに少なくすることができる。
【００６４】
なお、上記最終確認ステップにおいて、上記最終確認タイミングにおける実測値としての取水路１１Ｂの水位ｈが理想水位ｆ以下である場合には、制御コンピュータ１０Ａは、水位ｈの調整制御を実行しない。これは、上記最終確認タイミングにおいて取水路１１Ｂの水位ｈが理想水位ｆ以下である場合には、追加で水位ｈの調整制御を実行しなくても、上述した所定時間範囲の全体における平均水位が理想水位ｆを上回ることがないとみなせるためである。
【００６５】
本発明は、上述した各実施形態の説明において、フローチャートなどを用いて表した処理手順に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
例えば、本発明における水位の測定方法は上述したものに限定されない。すなわち、例えば水圧式の水位計である水位測定装置を超音波式の水位計またはフロート式の水位計に変更したり、水位測定装置の検出信号のサンプリング処理におけるサンプリング周波数を変更したり、水位測定装置の測定結果にかけられる移動平均処理における具体的な計算または移動平均処理の有無を変更したりするなど、水位の測定方法の変更を適宜行うことができる。
【００６６】
また、本発明において設定される各時間範囲および各タイミングは、図８に示される各時間範囲および各タイミングに限定されない。すなわち、例えば所定時間範囲の長さの変更、前時間帯および後時間帯の分割比率の変更、および、各前調整タイミングおよび各後調整タイミングにおける設定回数および設定時刻の変更など、設定される各時間範囲および各タイミングの変更を適宜行うことができる。
また、取水量Ｑの全微分量ΔＱを導出するための全微分式は、上述した（式５）の形で定義されるものに限定されない。すなわち、例えば貯水設備の水位Ｈの変動を無視しても取水量Ｑの調整には大きな影響がないとみなせる場合に、上記全微分式から第４微小変化量ΔＨの項を省略するなど、第１微小変化量Δｈの項および第２微小変化量Δａの項を除く各項を適宜省略することができる。また、水温による水の膨張の影響など、取水路における水流量に影響する別のパラメータを取水量導出式に追加することで、上記全微分式に別の微小変化量の項を追加することができる。
【００６７】
また、本発明の水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法は、水路式の水力発電設備でなくても適用することができる。すなわち、本発明の水力発電設備における取水ゲートによる取水量の調整方法は、ダム水路式の水力発電設備など、取水ゲートと取水路とを備えて、取水ゲートの開度を調整することによりこの取水ゲートから取水路を通して取水を行う任意の水力発電設備に適用することができる。さらに、上記取水ゲートをスライドゲートからテンターゲートまたはオリフィスゲートに変更する、または、上記取水路を幅が一定の長方形断面開水路から任意の形状の開水路に変更するなど、水力発電設備の具体的な設備を適宜変更することができる。
また、上述した本発明の一実施形態の説明において使用された具体的な数値および水位変化の推移は本発明の一例に過ぎず、本発明の実施形態が上記数値および水位変化の推移に限定されるものではない。また、上述した本発明の一実施形態における臨時水位調整ステップ（図４に示すステップＳ８０）および上述した最終確認ステップ（図示省略）などの不等号を使用した判定を行うステップにおいて、上記不等号を等号が含まれたもの（≧または≦）とするか等号が含まれないもの（＞または＜）とするかは、適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１０    水力発電設備
１０Ａ  制御コンピュータ（制御手段）
１０Ｂ  放水路
１０Ｃ  制御信号
１１    取水設備
１１Ａ  取水ゲート
１１Ｂ  取水路
１１Ｃ  水圧管路
１１Ｄ  水位測定装置（第１水位測定手段）
１１Ｅ  検出信号
１１Ｆ  取水設備建屋
１２    貯水設備
１２Ａ  取水堰堤
１２Ｂ  水位測定装置（第２水位測定手段）
１２Ｃ  検出信号
２０    河川
２０Ａ  水
【図１】
2014099991.tif 000008
【図２】
2014099991.tif 000009
【図３】
2014099991.tif 000010
【図４】
2014099991.tif 000011
【図５】
2014099991.tif 000012
【図６】
2014099991.tif 000013
【図７】
2014099991.tif 000014
【図８】
2014099991.tif 000015
【図９】
2014099991.tif 000016