(57)【要約】  水力発電制御システムは、水力発電機の負荷遮断が行われる場合、ガイドベーンの開度を負荷遮断前の開度よりも小さくする第１工程と、第１工程よりも所定時間あたりのガイドベーンの開度の変化量を小さくしてガイドベーンの開度を第１工程の完了時よりも小さくする第２工程と、を実施してガイドベーンの開度を小さくし、第１工程で、水車の回転速度が負荷遮断開始後の最大回転速度以下であり、かつ、水圧変化条件が満たされた場合、第２工程に移行し、水圧変化条件は、１秒以下の時間内に、管及びケーシングの少なくとも一方の内側の水圧の変化率が所定の閾値以上になることである。
2019150517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と連結された水車と、
前記水車が収められて内部に水が流されるケーシングと、
前記ケーシング内に供給する水を流す管と、
前記ケーシング内に設けられて前記管と前記水車との間で水路を開閉するガイドベーンと、
前記水車の回転速度を検知する第１検知部と、
前記管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧を検知する第２検知部と、
前記ガイドベーンの開度を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、発電機の負荷遮断が行われる場合、前記ガイドベーンの開度を負荷遮断前の開度よりも小さくする第１工程と、前記第１工程よりも所定時間あたりの前記ガイドベーンの開度の変化量を小さくして前記ガイドベーンの開度を前記第１工程の完了時よりも小さくする第２工程と、を実施して前記ガイドベーンの開度を小さくし、前記第１工程で、前記水車の回転速度が負荷遮断開始後の最大回転速度以下であり、かつ、水圧変化条件が満たされた場合、前記第２工程に移行し、
前記第２検知部は、１秒以下の周期で水圧の検知を繰り返し、
前記水圧変化条件は、１秒以下の時間内に、前記管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧の上昇の変化率が所定の閾値以上になることである
水力発電制御システム。
【請求項２】
前記制御装置と、前記第１検知部及び前記第２検知部のうち少なくとも一方との間の信号伝送経路は、無線による信号伝送経路を含む
請求項１に記載の水力発電制御システム。
【請求項３】
水力で発電する発電機の負荷遮断が行われる場合、前記発電機と連結された水車の回転速度と、前記水車が収められているケーシング内に供給される水を流す管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧と、に基づいて、前記ケーシング内に設けられて前記管と前記水車との間で水路を開閉するガイドベーンの開度を制御する制御方法であって、
前記ガイドベーンの開度を負荷遮断前の開度よりも小さくする第１工程と、
前記第１工程よりも所定時間あたりの前記ガイドベーンの開度の変化量を小さくして前記ガイドベーンの開度を前記第１工程の完了時よりも小さくする第２工程と、を含み、
前記第１工程で、前記水車の回転速度が負荷遮断開始後の最大回転速度以下であり、かつ、水圧変化条件が満たされた場合、前記第２工程に移行し、
前記水圧変化条件は、１秒以下の時間内に、前記管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧の上昇の変化率が所定の閾値以上になることである
制御方法。
【請求項４】
前記ガイドベーンの開度を制御する制御装置と、前記水車の回転速度を検知する第１検知部及び前記管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧を検知する第２検知部のうち少なくとも一方との間の信号伝送経路は、無線による信号伝送経路を含む
請求項３に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電制御システム及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電において、稼働していた発電機を電力系統から遮断する所謂負荷遮断を行うことが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２８７１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
負荷遮断では、負荷遮断後の水車の回転速度及び水車に供給される水の管路における水圧を制御するため、ガイドベーンの開度制御が行われる。従来の負荷遮断では、事前の実験棟による計測、シミュレーション等に基づいて負荷遮断開始後のガイドベーンの開度制御パターンが予め定められていた。しかしながら、従来のように予め定められたガイドベーンの開度制御パターンでは、負荷遮断後に、水車に供給される水の管路において意図しない水圧の急変等が生じた場合に当該急変を抑制するためのガイドベーンの開度制御を行うことが困難であった。【０００５】
本発明では、水車に供給される水の管路における水圧の急変に対応することができる水力発電制御システム及び制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の水力発電制御システムは、発電機と連結された水車と、前記水車が収められて内部に水が流されるケーシングと、前記ケーシング内に供給する水を流す管と、前記ケーシング内に設けられて前記管と前記水車との間で水路を開閉するガイドベーンと、前記水車の回転速度を検知する第１検知部と、前記管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧を検知する第２検知部と、前記ガイドベーンの開度を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、発電機の負荷遮断が行われる場合、前記ガイドベーンの開度を負荷遮断前の開度よりも小さくする第１工程と、前記第１工程よりも所定時間あたりの前記ガイドベーンの開度の変化量を小さくして前記ガイドベーンの開度を前記第１工程の完了時よりも小さくする第２工程と、を実施して前記ガイドベーンの開度を小さくし、前記第１工程で、前記水車の回転速度が負荷遮断開始後の最大回転速度以下であり、かつ、水圧変化条件が満たされた場合、前記第２工程に移行し、前記第２検知部は、１秒以下の周期で水圧の検知を繰り返し、前記水圧変化条件は、１秒以下の時間内に、前記管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧の上昇の変化率が所定の閾値以上になることである。【０００７】
本発明の望ましい態様として、前記制御装置と、前記第１検知部及び前記第２検知部のうち少なくとも一方との間の信号伝送経路は、無線による信号伝送経路を含む。【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の制御方法は、水力で発電する発電機の負荷遮断が行われる場合、前記発電機と連結された水車の回転速度と、前記水車が収められているケーシング内に供給される水を流す管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧と、に基づいて、前記ケーシング内に設けられて前記管と前記水車との間で水路を開閉するガイドベーンの開度を制御する制御方法であって、前記ガイドベーンの開度を負荷遮断前の開度よりも小さくする第１工程と、前記第１工程よりも所定時間あたりの前記ガイドベーンの開度の変化量を小さくして前記ガイドベーンの開度を前記第１工程の完了時よりも小さくする第２工程と、を含み、前記第１工程で、前記水車の回転速度が負荷遮断開始後の最大回転速度以下であり、かつ、水圧変化条件が満たされた場合、前記第２工程に移行し、前記水圧変化条件は、１秒以下の時間内に、前記管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧の上昇の変化率が所定の閾値以上になることである。【０００９】
本発明の望ましい態様として、前記ガイドベーンの開度を制御する制御装置と、前記水車の回転速度を検知する第１検知部及び前記管及び前記ケーシングの少なくとも一方の内側の水圧を検知する第２検知部のうち少なくとも一方との間の信号伝送経路は、無線による信号伝送経路を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水車に供給される水の管路における水圧の急変に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施形態が適用される水力発電施設の主要構成例を示す図である。
【図２】図２は、ガイドベーンの模式図である。
【図３】図３は、ガイドベーンの模式図である。
【図４】図４は、制御装置の主要構成を示す図である。
【図５】図５は、負荷遮断が実施された後におけるサーボモータのストロークの変化例を示すグラフである。
【図６】図６は、負荷遮断が実施された場合におけるサーボモータのストロークと、発電機の電圧と、第２検知部が検知する水圧と、水車の回転速度との関係の一例を示すグラフである。
【図７】図７は、設計上想定された保証値を逸脱した水圧の上昇が生じた場合の一例を示すグラフである。
【図８】図８は、所定単位時間における水圧の上昇の変化率が閾値以上になる場合の例を示すグラフである。
【図９】図９は、第二閉鎖から緩衝閉鎖への移行に関する条件判定処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、第１条件判定処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、第２条件判定処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、実施形態が適用される水力発電施設１の主要構成例を示す図である。水力発電施設１は、水車１０、ケーシング２０、管３０、ガイドベーン６０、第１検知部４０、第２検知部５０、制御装置７０等を備える。
【００１３】
水車１０は、例えばフランシス水車、カプラン水車等、水力発電で採用されうる形態の水車である。水車１０は、発電機１１と連結されている。水車１０が回転することで、発電機１１による発電が行われる。発電機１１は、電力系統１２と接続されることで、発電により生じた電力を供給する対象（負荷）と電気的に接続されている。発電機１１と電力系統１２との電気的接続は、遮断可能に設けられている。具体的には、例えば発電機１１と電力系統１２とは、同期遮断器１３を介して電気的に接続されている。同期遮断器１３は、発電機１１と電力系統１２との間の電気的な接続と非接続とを切替可能に設けられている。
【００１４】
ケーシング２０は、その内側に水車１０及びガイドベーン６０を収めている。ケーシング２０は、内側に水Ｗを流すことができるよう設けられている。ケーシング２０は、水車１０を回転させるための水Ｗの流れを水車１０に導くよう形成されている。以下、ケーシング２０内の水Ｗの位置を基準として、ケーシング２０内に供給される水Ｗが流れている位置を上流側の位置と記載することがある。
【００１５】
管３０は、ケーシング２０内に供給する水Ｗを流す。具体的には、管３０は、ケーシング２０に対して上流側に設けられ、ケーシング２０と連続する水路を形成する。水Ｗは、例えば河川等の水源から貯留部３１に貯留される。貯留部３１に貯留された水Ｗは、管３０を経由してケーシング２０内に供給され、水車１０を回転させる。
【００１６】
ケーシング２０、管３０及びドラフト２１等、水Ｗが流れる流路を形成する構成は、水圧に耐えるための剛性が得られる材料（例えば、鋼鉄等）を用いてつくられている。ドラフト２１は、ガイドベーン６０を通過してハウジングから水車１０に供給された水Ｗが放流される流路を形成する管である。
【００１７】
図２、図３は、ガイドベーン６０の模式図である。ガイドベーン６０は、管３０と水車１０との間で水路を開閉する。具体的には、例えば図２、図３に示すように、ガイドベーン６０は、水車１０を取り巻くよう配置された複数の羽根状部材６１を有する。複数の羽根状部材６１の各々は、回動可能に設けられる。ガイドベーン６０は、複数の羽根状部材６１の回動によって隣接する羽根状部材６１同士の間の隙間の開閉及び開き具合を調節可能に設けられている。図２に示すようにガイドベーン６０が開いている場合、羽根状部材６１同士の間の隙間に、水車１０に供給される水Ｗが流れる。図２では、水車１０に供給される水Ｗを矢印で模式的に図示している。また、図３に示すようにガイドベーン６０が閉じている場合、羽根状部材６１同士の間は閉じられて隙間がなく、水Ｗが流れない。
【００１８】
第１検知部４０は、水車１０の回転速度を検知する。具体的には、第１検知部４０は、例えばＳＳＧ（Signal  Speed  Generator）である。ＳＳＧは、例えば、水車１０の回転と連動して回転する歯車、当該歯車の近傍に設けられるピックアップセンサ等を有する。ＳＳＧは、回転する歯車の歯とピックアップセンサとの距離の変化に応じてピックアップセンサから出力される電気的パルスの周波数に基づいて水車１０の回転速度を検知する。第１検知部４０は、ＳＳＧに限られるものでない。例えば、発電機１１に設けられたタコジェネレータ（ＴＧ：Tacho  Generator）によって水車１０の回転速度を検知するようにしてもよいし、永久磁石発電機（ＰＭＧ：Permanent  Magnet  Generator）を利用してもよいし、他の方式によってもよい。
【００１９】
第２検知部５０は、管３０及びケーシング２０の少なくとも一方の内側の水圧を検知する。第２検知部５０は、例えばブルドン式圧力計、ダイアフラム式圧力計等の圧力計を有していてもよいし、超音波流速分布計測法等の方法によって管３０、ケーシング２０等の内部における水Ｗの流速を測定するための超音波振動子等を有していてもよい。内部における水Ｗの流速の分布を測定することができれば、その流速で流れている水Ｗからもたらされる水圧を測定することができる。
【００２０】
本実施形態では、例えば図１に示すように、第２検知部５０が管３０に設けられているが、これは一例であってこれに限られるものでない。第２検知部５０は、ケーシング２０に設けられていてもよい。また、第２検知部５０は、管３０及びケーシング２０の両方に設けられていてもよい。また、第２検知部５０と同様に水圧を検知する検知部を、ドラフト２１に設けてもよい。
【００２１】
本実施形態では、制御装置７０と、第１検知部４０及び第２検知部５０のうち少なくとも一方との間の信号伝送経路は、無線による信号伝送経路を含む。具体的には、本実施形態の第１検知部４０は、第１無線通信部４０ａと接続されている。第１無線通信部４０ａは、第１検知部４０が検知した水車１０の回転速度を示す情報を含むデータを制御装置７０に送信する。また、本実施形態の第２検知部５０は、第２無線通信部５０ａと接続されている。第２無線通信部５０ａは、第２検知部５０が検知した水圧を示す情報を含むデータを制御装置７０に送信する。より具体的には、第１無線通信部４０ａ及び第２無線通信部５０ａは、例えばＬＴＥ（Long  Term  Evolution）等の移動通信システムによる無線通信を行うためのモジュールを有しており、当該モジュールを動作させることで無線通信を行う。
【００２２】
図４は、制御装置７０の主要構成を示す図である。制御装置７０は、ガイドベーン６０の開度を制御する。具体的には、制御装置７０は、例えば、サーボモータ７１、サーボモータ制御部７２、情報処理装置８０等を備える。
【００２３】
サーボモータ７１は、動作によりガイドベーン６０が有する複数の羽根状部材６１を回動させる。すなわち、サーボモータ７１の出力軸の回動角度の変化に応じて、複数の羽根状部材６１の回動角度が変化する。サーボモータ制御部７２は、情報処理装置８０の制御下でサーボモータ７１の動作を制御する。すなわち、サーボモータ制御部７２は、サーボモータ７１の出力軸の回動角度を制御する。
【００２４】
情報処理装置８０は、例えば、演算部８１、記憶部８２、通信部８３等を有するコンピュータである。演算部８１は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）等の演算装置を有する。演算部８１は、記憶部８２からソフトウェア・プログラムを読み出して実行することで、当該ソフトウェア・プログラムに応じた処理を行う。演算部８１は、当該処理に際して、記憶部８２に記憶されているデータ、通信部８３を介して伝送されたデータ等を取得して参照することがある。
【００２５】
記憶部８２は、例えば、ＲＡＭ（Random  access  memory）等の一次記憶装置と、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ等の二次記憶装置とを有する。演算部８１が行う処理に際して一時的に生じるパラメータ等は、一次記憶装置によって保持される。ソフトウェア・プログラムは、二次記憶装置に記憶されて保持されている。ソフトウェア・プログラムは、ＲＯＭ（Read  Only  memory）のように、書き換え不能な記憶装置又は媒体に記録されていてもよい。
【００２６】
通信部８３は、例えば所定規格での通信を行うネットワークインタフェースコントローラ（ＮＩＣ:Network  Interface  Controller）を有している。所定規格として、例えばＴＣＰ／ＩＰ（Transmission  Control  Protocol／Internet  Protocol）プロトコル・スイートを含む所謂インターネット・プロトコル・スイートが挙げられるが、これはあくまで制御装置７０が利用する通信回線Ｎに合わせて採用される規格の一例であってこれに限られるものでない。所定規格の具体的内容は、適宜変更可能である。通信部８３と、第１無線通信部４０ａ及び第２無線通信部５０ａとは、例えば公共の通信回線Ｎを介して通信可能に接続される。
【００２７】
本実施形態の記憶部８２は、例えば水力発電制御プログラム８２ａを記憶している。水力発電制御プログラム８２ａは、同期遮断器１３による発電機１１と電力系統１２との電気的な接続の有無の切替、ガイドベーン６０の開度の制御に基づいた水車１０の回転制御等、水力発電施設１を制御するための各種の処理に関するソフトウェア・プログラムである。水力発電制御プログラム８２ａは、負荷遮断制御プログラム８２ｂを含む。負荷遮断制御プログラム８２ｂは、発電機１１と電力系統１２との電気的な接続を遮断する負荷遮断が実施された場合におけるガイドベーン６０の開度制御を行うためのソフトウェア・プログラムである。
【００２８】
情報処理装置８０は、演算部８１が水力発電制御プログラム８２ａを読み出して実行することで、水力発電施設１を制御するための各種の処理を行う。また、情報処理装置８０は、負荷遮断に対応するために負荷遮断制御プログラム８２ｂを読み出して実行し、ガイドベーン６０の開度制御を行う。具体的には、負荷遮断が実施された場合、情報処理装置８０は、第一閉鎖、第二閉鎖及び緩衝閉鎖を順次実施してガイドベーン６０の開度を小さくする。第一閉鎖は、ガイドベーン６０の開度を負荷遮断前の開度よりも小さくする工程である。第二閉鎖は、第一閉鎖よりも所定時間あたりのガイドベーン６０の開度の変化量を小さくしてガイドベーン６０の開度を第一閉鎖の完了時よりも小さくする工程である。緩衝閉鎖は、第二閉鎖よりも所定時間あたりのガイドベーン６０の開度の変化量を小さくしてガイドベーン６０の開度を第二閉鎖の完了時よりも小さくする工程である。なお、所定時間とは、各工程（例えば、第一閉鎖、第二閉鎖、緩衝閉鎖）の同一時間内におけるガイドベーン６０の開度の変化量を比較するための時間である。所定時間は、例えば１［秒］であってもよいし、１［秒］を超える時間であってもよいし、０［秒］を超える時間であって１［秒］未満である時間であってもよい。
【００２９】
図５は、負荷遮断が実施された後におけるサーボモータ７１のストロークの変化例を示すグラフである。図５では、負荷遮断の実施タイミングＴ０の後に実施される第一閉鎖の実施時間（第一閉鎖時間Ｔ１）、第二閉鎖の実施時間（第二閉鎖時間Ｔ２）、緩衝閉鎖の実施時間（緩衝閉鎖時間Ｔ３）を例示している。情報処理装置８０は、負荷遮断後、ガイドベーン６０の開度を小さくするために第一閉鎖、第二閉鎖、緩衝閉鎖を実施し、各工程に応じてサーボモータ７１の動作を制御する。負荷遮断が実施された後、サーボモータ７１は、負荷遮断前のガイドベーン６０の開度に対応するストロークＢから負荷遮断完了後のガイドベーン６０の開度に対応するストロークＡに移行するよう制御される。サーボモータ７１のストロークがストロークＡである場合のガイドベーン６０の開度は、サーボモータ７１のストロークがストロークＢである場合のガイドベーン６０の開度よりも小さい。
【００３０】
図６は、負荷遮断が実施された場合におけるサーボモータ７１のストロークと、発電機１１の電圧と、第２検知部５０が検知する水圧と、水車１０の回転速度との関係の一例を示すグラフである。図６で例示するように、負荷遮断が実施された後、水車１０の回転速度はいったん速くなる。これは、負荷遮断前に発電機１１から水車１０に働いていた負荷（回転を抑制するよう働く力）が、発電機１１と負荷との電気的な接続が無くなることに伴って働かなくなることによる。また、サーボモータ７１のストロークがストロークＢからストロークＡに向かうよう制御されることでガイドベーン６０の開度が小さくなると、第２検知部５０が検知する水圧がいったん高まる。これは、ガイドベーン６０の開度が小さくなることでガイドベーン６０を通過することができる水Ｗの流量が減少することによる。これに伴い、負荷遮断前に比して管３０及びケーシング２０内に水Ｗを留め置く力がより強く働くようになり、管３０及びケーシング２０内の水圧が高まる。
【００３１】
第一閉鎖のガイドベーン６０の所定時間あたりの開度の変化量を決める等価閉鎖時間Ｔｅは、機械的な強度等、水力発電施設１の設計に基づく。例えば、等価閉鎖時間Ｔｅが長すぎると、負荷遮断後の水車１０の回転速度が上昇しすぎてしまうことがある。等価閉鎖時間Ｔｅが短すぎると、負荷遮断後の管３０及びケーシング２０内の水圧が高くなりすぎてしまうことがある。従って、等価閉鎖時間Ｔｅは、水車１０の回転速度と管３０及びケーシング２０内の水圧とのバランスに基づいて決定される。当該バランスが取れる範囲内で等価閉鎖時間Ｔｅをより短くすることで、負荷遮断後のガイドベーン６０の閉鎖速度をより速めることができ、負荷遮断後に発電に用いられず放出される水量を低減することができる。また、第二閉鎖時間Ｔ２を設定することで、等価閉鎖時間Ｔｅ（第一閉鎖時間Ｔ１）中よりも所定時間あたりのガイドベーン６０の開度の変化量を小さくすることで、所定時間あたりの管３０及びケーシング２０内の水圧の変動を和らげることができる。
【００３２】
負荷遮断後の水車１０の回転速度は、第二閉鎖時間Ｔ２中に最高速Ｎに達し、通常、その後に遅くなる。また、第２検知部５０が検知する水圧は、水車１０の回転速度が最高速Ｎに達した後に最高圧Ｐに達し、通常、その後に低下する。
【００３３】
なお、負荷遮断後の水車１０の回転速度は、最終的には負荷遮断前の回転速度（定格値）とほぼ同じ回転速度に収束する。また、負荷遮断後のガイドベーン６０の開度は、完全に閉鎖されるのではなく、負荷遮断後の水車１０の回転速度を維持可能な水流が得られる程度の開度で維持される。
【００３４】
水車１０の回転速度の最高速Ｎ及び水圧の最高圧Ｐは、機械的な強度等、水力発電施設１の設計に基づく。第二閉鎖時間Ｔ２は、負荷遮断後に上昇する水車１０の回転速度が飽和して最高の回転速度になり、その後、設計上想定された回転速度の保証値に基づいた値の範囲内で当該最高の回転速度よりも低い値で水車１０の回転速度が推移する時間となるよう想定されている。最高速Ｎは、当該最高の回転速度以下の回転速度である。また、第二閉鎖時間Ｔ２は、負荷遮断後に高まる水圧が飽和して設計上想定された最高の水圧になり、その後、設計上想定された水圧の保証値に基づいた値の範囲内で当該最高の水圧よりも低い値で水圧が推移する時間となるよう想定されている。最高圧Ｐは、当該最高の水圧以下の水圧である。
【００３５】
図６に示すように、第二閉鎖時間Ｔ２に第２検知部５０が検知する水圧は、最高圧Ｐに達した後に低下と低下後の再上昇とを含む変動を生じる。また、水車１０の回転速度についても、最高速Ｎから単純に低下するのみではなく、再上昇を伴うことがある。緩衝閉鎖時間Ｔ３は、このような水圧の変動及び水車１０の回転速度の再上昇を設計上想定された水圧の保証値及び回転速度に基づいた値の範囲内でより確実に収束させるよう設定される。言い換えれば、第二閉鎖から緩衝閉鎖への遷移は、第二閉鎖の開始後、最高圧Ｐを経た後の水圧の変動及び最高速Ｎを経た水車１０の回転速度の再上昇をより確実に収束させられるタイミングでの実施が望ましい。以下、水圧の保証値に基づいた値の範囲を範囲ＰＡと記載することがある。
【００３６】
従来、第一閉鎖、第二閉鎖、緩衝閉鎖を経る負荷遮断後の各工程の遷移タイミングは、負荷遮断が実施されたタイミングを起点として予め定められたタイミングであった。しかしながら、従来の仕組みでは、第二閉鎖から緩衝閉鎖への遷移タイミングＴＡを望ましいタイミングとすることができないことがあった。
【００３７】
図７は、設計上想定された保証値を逸脱した水圧の上昇が生じた場合の一例を示すグラフである。図７の変動パターンＰＲで例示するように、第二閉鎖時間Ｔ２中に、水圧の変動計画値ＰＩが有する水圧の変動の高低差よりも大きい高低差で水圧が変動することがある。水圧の変動計画値とは、範囲ＰＡ内で想定された水圧の推移を示す値である。
【００３８】
変動パターンＰＲが生じる場合の事象の一例として、第二閉鎖時間Ｔ２中に生じることがある「水流の分断」がある。例えば、水圧が最高圧Ｐに達した後に低下する過程で、ガイドベーン６０を通過して水車１０に供給される水Ｗの量が減少する。このため、回転速度を低下させながらも回転し続ける水車１０が水Ｗを流しきってしまって水Ｗが無い状態（水Ｗを吐かなくなる状態）になり、水流に連続性がなくなることで「水流の分断」が生じることがある。「水流の分断」を含む水Ｗの流れは、連続性がある水Ｗの流れに比して水圧の変動幅が大きくなる。また、水圧が最高圧Ｐに達した後に低下することによる圧力差で水車１０からドラフト２１に流れた水Ｗが逆流する現象（逆サージ）によって水圧の変動幅が大きくなることもある。
【００３９】
図８は、所定単位時間における水圧の上昇の変化率Ｐ／Δｔが閾値Ｔｈ以上になる場合の例を示すグラフである。以下、単に変化率Ｐ／Δｔと記載した場合、所定単位時間における管３０及びケーシング２０の少なくとも一方の内側の変化率Ｐ／Δｔをさす。図８に示す例では、第二閉鎖中の経過時間ｔにおけるタイミングｔｐ以後、変化率Ｐ／Δｔが閾値Ｔｈ以上になっている例を示している。このような変化率Ｐ／Δｔが閾値Ｔｈ以上になる現象が生じる場合、変動パターンＰＲのような範囲ＰＡを逸脱する水圧の変動が起こり得る。
【００４０】
第二閉鎖時間Ｔ２中、すなわち、第二閉鎖中に変化率Ｐ／Δｔが閾値Ｔｈ以上になった場合、迅速に緩衝閉鎖を開始することで水圧の変動の高低差をより小さく収めることができる。しかしながら、従来のように予め定められたタイミングで第二閉鎖から緩衝閉鎖への遷移タイミングＴＡを決定する仕組みでは、このような変動パターンＰＲが生じた場合の水圧の変動に対応することができなかった。
【００４１】
そこで、本実施形態では、第２検知部５０が検知する水圧に基づいて情報処理装置８０が変動パターンＰＲの発生を検知し、第二閉鎖から緩衝閉鎖への遷移タイミングＴＡを制御する。具体的には、第１条件が満たされ、かつ、第２条件が満たされた場合、緩衝閉鎖に移行する。第１条件は、第二閉鎖で、水車１０の回転速度が負荷遮断開始後の最高速Ｎ以下であることである。第２条件は、第二閉鎖で、変化率Ｐ／Δｔが所定の閾値（例えば、閾値Ｔｈ）以上になることである。すなわち、本実施形態では、第二閉鎖が「第１工程」に相当し、緩衝閉鎖が「第２工程」に相当する。
【００４２】
すなわち、本実施形態では、第二閉鎖で水車１０の回転速度が負荷遮断開始後の最高速Ｎ以下であるという第１条件が満たされているならば、水圧の変動及び水車１０の回転速度の再上昇を設計上想定された水圧の保証値及び回転速度に基づいた値の範囲内で収束させる時間帯になっているものと扱う。また、第１条件が満たされているにも関わらず、変化率Ｐ／Δｔが所定の閾値（例えば、閾値Ｔｈ）以上になるということは、設計上想定された水圧の保証値を逸脱する可能性のある水圧の急変が生じているものとして扱う。第１条件及び第２条件が満たされた場合、第二閉鎖から緩衝閉鎖に移行することで、水圧の変動の高低差をより小さく収めることができる。
【００４３】
所定単位時間は、例えば０．５［秒］である。すなわち、本実施形態の第１検知部４０及び第２検知部５０は、１秒以下の所定単位時間周期で検知を繰り返す。所定単位時間は、０．５秒に限られるものでなく、適宜変更可能である。
【００４４】
図９は、第二閉鎖から緩衝閉鎖への移行に関する条件判定処理の流れの一例を示すフローチャートである。第二閉鎖が開始されると（ステップＳ１）、演算部８１は、第１条件判定処理（ステップＳ２）及び第２条件判定処理（ステップＳ３）を行う。図９では、ステップＳ２の処理の後にステップＳ３の処理が記載されているが、ステップＳ２の処理とステップＳ３の処理は並行で行われる。第１条件が成立しており（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、かつ、第２条件が成立している場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、演算部８１は、負荷遮断におけるガイドベーン６０の開度制御の工程を第二閉鎖から緩衝閉鎖に移行させ、緩衝閉鎖を開始させる（ステップＳ６）。具体的には、演算部８１は、サーボモータ７１のストロークの所定時間あたりの変化量を第二閉鎖時の変化量から緩衝閉鎖時の変化量に変更するようサーボモータ制御部７２に命令を出力する。サーボモータ制御部７２は、情報処理装置８０の制御下でサーボモータ７１のストロークを制御する。
【００４５】
一方、第１条件が成立していない場合（ステップＳ４；Ｎｏ）又は第１条件が成立していても第２条件が成立していない場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、演算部８１は、現状維持又は待機し（ステップＳ７）、所定単位時間を経てステップＳ２の処理に移行する。現状維持とは、例えばサーボモータ７１のストロークの所定時間あたりの変化量を第二閉鎖時の変化量で維持することをさす。また、待機とは、サーボモータ７１のストロークの変更を停止して、緩衝閉鎖への遷移タイミングが訪れるまでガイドベーン６０の開度を変更しないことをさす。待機は、例えば第二閉鎖が行われることで、ガイドベーン６０の開度が予め定められた「第二閉鎖時の最小の開度」になった場合に適用される。それ以外の場合には、現状維持が適用される。
【００４６】
図１０は、第１条件判定処理の流れの一例を示すフローチャートである。演算部８１は、第１検知部４０が検知した水車１０の回転速度を示す情報を含むデータを取得する（ステップＳ１１）。演算部８１は、ステップＳ１１の処理で取得されたデータに含まれる情報が示す水車１０の回転速度が、負荷遮断後の最高回転速度（例えば、最高速Ｎ）以下であるか判定する（ステップＳ１２）。具体的には、情報処理装置８０は、負荷遮断開始後に行われる１回以上のステップＳ１１の処理で取得されたデータに含まれる情報が示す水車１０の回転速度のうち最も高速な回転速度について、当該負荷遮断が完了するまで最高速Ｎとして記憶部８２に情報を保持する。演算部８１は、ステップＳ１２において、最近のステップＳ１１の処理で取得された水車１０の回転速度と最高速Ｎとを比較し、負荷遮断後の最高速Ｎ以下であるか判定する。負荷遮断後の最高速Ｎ以下であると判定された場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、演算部８１は、第１条件が成立したと判定する（ステップＳ１３）。一方、ステップＳ１２の処理で負荷遮断後の最高速Ｎ以下でないと判定された場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、すなわち、負荷遮断開始後の最高回転速度が取得された場合、演算部８１は、第１条件が成立していないと判定する（ステップＳ１４）。
【００４７】
図１１は、第２条件判定処理の流れの一例を示すフローチャートである。演算部８１は、第２検知部５０が検知した水圧を示す情報を含むデータを取得する（ステップＳ２１）。演算部８１は、ステップＳ２１の処理で取得されたデータに含まれる情報が示す水圧が、急変の発生を示しているか判定する（ステップＳ２２）。
【００４８】
水圧の急変が発生したと判定される水圧変化条件は、例えば、１秒以下の時間（例えば、所定単位時間）内に、水圧の変化率（例えば、変化率Ｐ／Δｔ）が所定の閾値（例えば、閾値Ｔｈ）以上になることである。具体的には、情報処理装置８０は、負荷遮断開始後に行われる複数回のステップＳ２１の処理で取得されたデータに含まれる情報が示す水圧のうち、少なくとも最近の２回分の処理で取得された水圧について、当該負荷遮断が完了するまで記憶部８２に情報を保持する。すなわち、情報処理装置８０は、少なくとも、最近のステップＳ２１の処理で取得された水圧と、その直前のステップＳ２１の処理で取得された水圧とを取り扱うことが可能となるよう設けられている。
【００４９】
所定の閾値（例えば、閾値Ｔｈ）は、過去の負荷遮断時における水圧の測定結果、負荷遮断時の水圧のシミュレーション等に基づいて導出される。すなわち、第二閉鎖開始後に水車１０の回転速度が負荷遮断後の最高回転速度（例えば、最高速Ｎ）を経た後に生じる変化率Ｐ／Δｔのうち、設計上想定された水圧の保証値を逸脱する可能性を生じさせる変化率Ｐ／Δｔが予め導出されている。記憶部８２は、負荷遮断制御プログラム８２ｂの実行時に参照されるデータとして、この導出された設計上想定された水圧の保証値を逸脱する可能性を生じさせる変化率Ｐ／Δｔを示すデータを記憶している。演算部８１は、最近のステップＳ２１の処理で取得された水圧と、その直前のステップＳ２１の処理で取得された水圧との差を、変化率Ｐ／Δｔとして扱う。演算部８１は、変化率Ｐ／Δｔが、記憶部８２に記憶されている設計上想定された水圧の保証値を逸脱する可能性を生じさせる変化率Ｐ／Δｔ以上であるか判定することで、ステップＳ２２の処理における「急変が発生したかの判定」を行う。
【００５０】
急変が発生したと判定された場合（ステップＳ２２；Ｙｅｓ）、演算部８１は、第２条件が成立したと判定する（ステップＳ２３）。一方、ステップＳ２２の処理で急変が発生していないと判定された場合（ステップＳ２２；Ｎｏ）、演算部８１は、第２条件が成立していないと判定する（ステップＳ２４）。
【００５１】
なお、水車１０の回転速度及び水圧の検知頻度や第１条件及び第２条件の成立の判定に際して行われる演算内容については適宜変更可能である。例えば、第１検知部４０及び第２検知部５０は、０．１［秒］周期で検知を繰り返し行ってもよい。情報処理装置８０は、過去１秒間分の検知結果を示すデータを記憶部８２に記憶させてもよい。そのうえで、演算部８１は、過去１秒間における水車１０の回転速度及び水圧の変化の平均値（移動平均値）を０．１秒間隔で算出し、０．５秒前の値と最近の値との差に基づいて判定を行うようにしてもよい。
【００５２】
管３０又はケーシング２０のいずれかに第２検知部５０が設けられている場合、演算部８１は、当該第２検知部５０が検知した水圧に基づいて判定する。管３０及びケーシング２０の両方に第２検知部５０が設けられている場合、演算部８１は、両方の第２検知部５０が検知した水圧に基づいて判定する。すなわち、少なくともいずれか一方の第２検知部５０が検知した水圧の変化が急変に該当する変化であった場合、第２条件が成立する。
【００５３】
以上、実施形態によれば、第二閉鎖後に水車１０の回転速度が最高回転速度（例えば、最高速Ｎ）以下になり、かつ、水圧の急変が生じた場合に緩衝閉鎖を実施することができる。これによって、水圧の変動の高低差をより小さく収めることができる。従って、水車１０に供給される水Ｗの管路における水圧の急変に対応することができる。
【００５４】
また、１秒以下の時間内に変化率Ｐ／Δｔが所定の閾値（例えば、閾値Ｔｈ）以上になった場合に緩衝閉鎖を実施することで、水圧の変動の高低差をより確実により小さく収めることができる。従って、水車１０に供給される水Ｗの管路における水圧の急変に対応することができる。
【００５５】
また、制御装置７０と、第１検知部４０及び第２検知部５０のうち少なくとも一方との間の信号伝送経路が、無線による信号伝送経路を含むようにすることで、全てを有線にする場合に比して制御装置７０と第１検知部４０及び第２検知部５０との間の伝送経路の設計要求を緩和することができる。
【００５６】
なお、上記の実施形態はあくまで一例であり、本発明の技術的特徴を逸脱しない範囲内において適宜変更可能である。例えば、制御装置７０と、第１検知部４０及び第２検知部５０の伝送経路は、有線の経路であってもよい。
【００５７】
また、第二閉鎖は必須でない。すなわち、第一閉鎖後に緩衝閉鎖に移行してもよい。この場合、第一閉鎖が第１工程に相当する。
【符号の説明】
【００５８】
１      水力発電施設
１０    水車
１１    発電機
１２    電力系統
１３    同期遮断器
２０    ケーシング
２１    ドラフト
３０    管
３１    貯留部
４０    第１検知部
４０ａ  第１無線通信部
５０    第２検知部
５０ａ  第２無線通信部
６０    ガイドベーン
７０    制御装置
７１    サーボモータ
７２    サーボモータ制御部
８０    情報処理装置
８１    演算部
８２    記憶部
８２ａ  水力発電制御プログラム
８２ｂ  負荷遮断制御プログラム
８３    通信部
Ｎ      通信回線
Ｗ      水
【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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【国際調査報告】
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