JP4427789B2 - 水力発電所の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電所の制御装置に関する。

水力発電所は、例えば、ダムの水を水車に流入させて水車を回転させ、その回転に伴って発電機を稼動することにより電力を生成する。このような水力発電所は、水力発電に係る制御機器（例えば、水車に流入する水量を調整する開閉弁など）を制御する制御装置が備えられる。

この制御装置は、一般に、上位制御系からの、例えば、運転指令、運手モードの切り替え指令、系統周波数の変動、ダムの水位変動、電力量などの指令に基づいて各制御機器の制御指令を生成する主制御系と、生成された制御指令に従って各制御機器を制御するサブ制御系とに分けられる。

従来、主制御系とサブ制御系の双方を単一の計算機制御装置により時分割で実行させるディジタル制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３５０２３号公報

ところで、水力発電所の制御装置の主制御は、上位制御系から予め決められたシーケンスに従って指令を受けて制御を実行することから、その制御周期に一定の制限がある。一方、サブ制御は、制御機器の状態を制御指令に的確に合わせるように、比較的短い制御周期で実行する必要がある。

ここで、特許文献１のように、主制御とサブ制御を単一の計算機制御装置により実行させるようにすると、主制御が設定周期で割り込み実行されることから、サブ制御に待ち時間が生じることがあり、制御機器の制御の応答性が低下する場合がある。また、計算機制御装置に異常が生じた場合、主制御とサブ制御の挙動が同時に不安定になることから、水力発電所を安定に制御できないおそれがある。

本発明の課題は、上位制御系からの指令に基づいて制御機器の制御指令を生成して制御機器を制御するにあたり、制御機器の制御の応答性を低下させることなく、水力発電所に係る制御機器を制御するのに好適な制御装置を実現することにある。

上記課題を解決するため、本発明の水力発電所の制御装置は、水力発電に係る制御機器を制御する計算機制御系を備え、計算機制御系は、上位制御系から制御周期ごとに入力される運転指令、運転モードの切替指令、系統周波数の変動、ダムの水位変動、電力量の指令などの複数の指令に基づいて前記制御機器の制御指令Ｘを生成する主計算機制御系と、該主計算機制御系により生成された前記制御指令Ｘに従って前記制御機器を制御するサブ計算機制御系に分けて構成され、前記サブ計算機制御系は、制御周期が前記主計算機制御系の制御周期よりも短く設定され、前記制御指令Ｘに基づいて前記制御機器の制御指令Ｙを演算して前記制御機器に出力し、前記制御機器の状態を検出するセンサからフィードバックされる前記制御機器の状態を前記制御指令Ｘに合わせるように前記制御指令Ｙを当該サブ計算機制御系の制御周期ごとに演算することを特徴とする。

このように、計算機制御装置を、主計算機制御系と、主計算機制御系により生成された制御指令に従って制御機器を制御するサブ計算機制御系に分けて構成したことから、主計算機制御系とサブ計算機制御系の各計算機制御装置の容量を必要に応じて増加させることができ、装置コストの増大を抑えることができる。例えば、主制御は上位制御系から複数の指令を受けて制御指令を生成するため、その制御プログラムは比較的大きくなるが、主制御を実行する計算機制御装置の容量（例えば、演算に必要な記憶手段）だけを増大すればよく、他の計算機制御装置の容量を増大させる必要がないので、装置コストの増大を抑えることができる。また、制御周期が異なる処理を各計算機制御装置によって独立して同時に実行させることができるから、各処理の制御周期の違いに起因する待ち時間が生じず、制御機器の制御の応答性を向上させることができる。例えば、サブ制御の制御周期を主制御の制御周期よりも短く設定すれば、制御機器の制御の応答性を向上させることができる。

この場合において、複数の計算機制御装置の異常を相互に感知する監視手段を設け、監視手段により一の計算機制御装置の異常が感知されたとき、異常な計算機制御装置から制御機器に出力されていた指令を健全な計算機制御装置により保持して制御機器に出力するようにすることができる。これにより、一の計算機制御装置に異常が生じたときでも、異常が生じていない健全な計算機制御装置により水力発電所の運転を継続することができることから、水力発電所の信頼性が向上する。

また、主計算機制御系に、サブ計算機制御系の異常を感知する監視手段の出力信号に応じて、サブ計算機制御系に代わって、サブ計算機制御系から制御機器に出力されていた指令を保持して制御機器に出力する保護手段を設けることができる。さらに、サブ計算機制御系に、主計算機制御系の異常を感知する監視手段の出力信号に応じて、主計算機制御系に代わって、主計算機制御系から制御機器に出力されていた指令を保持して制御機器に出力する保護手段を設けることができる。ここで、保護手段によって主計算機制御系又はサブ計算機制御系から制御機器に出力される指令を可変する手段を備えてもよい。

本発明によれば、水力発電所に係る制御機器を制御するのに好適な制御装置を実現することができる。

（第１の実施形態） 本発明を適用した水力発電所の制御装置の第１の実施形態について図１を参照して説明する。図１は、本発明を適用した水力発電所の制御装置の構成図である。

図１に示すように、水力発電所の制御装置は、水力発電所に係る制御機器としての例えばサーボモータ１０を制御する計算機制御系１２を備えている。計算機制御系１２は、上位制御装置１４からの指令に基づいてサーボモータ１０の制御指令を生成する主計算機制御系としてのメイン制御装置１６と、メイン制御装置１６により生成された制御指令に従ってサーボモータ１０を制御するサブ計算機制御系としてのサブ制御装置１８に分けて構成されている。なお、メイン制御装置１６およびサブ制御装置１８は、ＣＰＵなどから構成される。また、上位制御装置１４として、例えば操作者が常駐する遠隔制御装置が適用される。

計算機制御系１２は、切替器１９とアクチュエータ２０を介して、サーボモータ１０に接続されている。切替器１９は、入力信号に応じて、計算機制御系１２から出力される信号を選択してアクチュエータ２０に出力するものである。アクチュエータ２０は、切替器１９から出力される信号に応じて配圧弁リフトを駆動して油をサーボモータ１０に供給し、供給した油の油圧によりサーボモータ１０の開閉弁を駆動する。なお、メイン制御装置１６は、外部から指令を取り込む入力モジュール（ＤＩ）を複数有し、その入力モジュールの数を増設可能に構成されている。

このように構成される水力発電所の制御装置の動作について説明する。まず、上位制御装置１４から、例えば、運転指令、運転モードの切替指令、系統周波数の変動、ダムの水位変動、電力量などの指令や、センサにより検出されたサーボモータ１０の開閉弁の開度が、設定周期（例えば、数十ｍｓ〜数百ｍｓ）でメイン制御装置１６に取り込まれる。取り込まれた指令に基づいて、メイン制御装置１６により、サーボモータ１０の目標開度に関する指令Ｘが演算される。演算された指令Ｘに基づいて、サブＣＰＵ制御システム１８により、アクチュエータ２０の開閉弁の開度を指示する指令Ｙが演算される。演算された指令Ｙは、切替器１９を介してアクチュエータ２０に入力される。入力された指令Ｙに基づきアクチュエータ２０の配圧弁リフトが目標状態になるまで所定速度で駆動することにより、サーボモータ１０に油が供給される。要するに、アクチュエータ２０により電気信号を機械的運動に変換し、その機械的運動に対応させて油をサーボモータ１０に供給する。供給された油の油圧により、サーボモータ１０の開閉弁が目標開度になるまで所定速度で開閉する。そして、開閉弁が駆動することによって、ダムの水が水車に所定量だけ流入し、流入した水により水車が回転する。水車の回転に伴って発電機が稼動することによって電力が生成される。生成された電力は、系統負荷に供給される。

また、アクチュエータ２０の配圧弁リフトの状態がセンサにより検出され、検出値が帰還装置により設定周期Ｔ（例えば、数ｍｓ〜数十ｍｓ）でサブ制御装置１８にフィードバックされる。フィードバックされた検出値を制御指令Ｘに基づき目標値に合わせるための制御指令Ｙが、サブ制御装置１８により制御周期（設定周期Ｔの１／２〜１／４以下の時間）で演算される。演算された制御指令Ｙは、アクチュエータ２０に再び入力される。これによって、アクチュエータ２０の配圧弁リフトの状態が目標状態に維持されるようになっている。

このような水力発電所の制御装置においては、メイン制御装置１６の制御は、上位制御装置１４から予め決められたシーケンスに従って指令を受けて実行されることから、比較的長い制御周期（例えば、数十ｍｓ〜数百ｍｓの範囲内）に設定されている。一方、サブ制御装置１８の制御の制御周期は、アクチュエータ２０の配圧弁リフトの状態を制御指令Ｘに的確に合わせるように、比較的短い制御周期（例えば、数ｍｓ〜数十ｍｓの１／２〜１／４以下）に設定される。

本実施形態では、サーボモータ１０を制御する指令のうち制御周期の長い処理をメイン制御装置１６に実行させるとともに、制御周期の短い処理をサブ制御装置１８に分担して実行させている。これにより、制御周期が異なる処理をメイン制御装置１６とサブ制御装置１８に独立して同時に実行させることができる。したがって、メイン制御とサブ制御の制御周期の違いに起因する待ち時間などが生じることを抑制でき、サーボモータ１０の制御の応答性を向上させることができる。

また、メイン制御は、上位制御装置１４や他の複数の計測器から入力モジュールを介して指令を受けて制御指令Ｘを生成するため、その制御プログラムは比較的大きなものとなる。その場合、メイン制御装置１６の容量（例えば、演算に必要な記憶手段）を増大させるだけでよく、サブ制御装置１８の容量を増大させる必要がないため、装置コストの増大を抑えることができる。

また、サーボモータ１０を制御する例を説明したが、様々な機器を制御する場合にも本発明を適用することができる。要するに、制御機器を制御する処理を制御周期の長さに応じて分け、分けた各処理（例えば、仕事量）を複数の計算機制御装置に分担して実行するようにすることにより、様々な機器の制御の応答性を向上させつつ、装置コストの増大を抑制できる。

また、メイン制御装置１６とサブ制御装置１８という２つの計算機制御装置に分けた例を説明したが、３つ以上の計算機制御装置に分けてもよい。その場合、サーボモータ１０を制御する処理が、制御周期の長さに応じて計算機制御装置の数に対応して分けられ、分けられた各処理が各計算機制御装置に分担して実行される。

（第２の実施形態） 第１の実施形態の制御装置に保護装置を設けた形態を図１ないし図３を参照して説明する。したがって、第１の実施形態と同一部分については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

図１に示すように、メイン制御装置１６に、サブ制御装置１８の異常を例えばウォッチドッグタイマ（ＷＤＴ）により感知する監視手段２３と、アクチュエータ２０の配圧弁リフトの状態を入力信号とする保護手段２２が設けられている。また、サブ制御装置１８に、メイン制御装置１６の異常を例えばＷＤＴにより感知する監視手段２５と、サーボモータ１０の開閉弁の開度信号を入力信号とする保護手段２４が設けられている。なお、ウォッチドッグタイマ（ＷＤＴ）とは、制御周期が乱れたときに制御系に異常が生じたと判定するものである。また、ウォッチドッグタイマに限らず、制御系に異常が生じたことを検出できれば、いずれのものでも適用してよい。

図２は、サブ制御装置１８に設けられた保護手段２４の構成図である。図２に示すように、保護手段２４は、積分器３０と、積分器３０の入力側に設けられた加算点３６を有している。加算点３６のプラス側に、サーボモータ１０の開閉弁の検出信号が接点３４を介して入力されるとともに、マイナス側に、積分器３０の出力が接点３２を介して帰還入力される。また、加算点３６にオアゲート３８が接続されている。オアゲート３８の入力側に、接点４１を介して増加手段４０が接続されると共に、接点４３を介して減少手段４２が接続されている。なお、積分器３０は、時間積分に従って出力値が変化し、入力値がゼロになると出力値を一定値として保持するものである。また、接点３２、３４は、メイン制御装置１６が正常に動作しているときは閉じられ、異常が生じたときは開放される。

このような保護手段２４においては、メイン制御装置１６が正常動作しているとき、サーボモータ１０の開度信号が加算点３６のプラス側に入力されるとともに、積分器３０の出力が加算点３６のマイナス側に入力される。加算点３６に入力された信号の偏差が積分器３０に出力される。このような閉ループにより、積分器３０に入力される偏差がゼロになったとき、積分器３０は所定値を維持して出力するようになる。要するに、保護手段２４は、メイン制御装置１６が正常動作しているときは、積分器３０の出力をサーボモータ１０の開度信号と同一に保持するようになっている。

メイン制御装置１６の異常が監視手段２３により検出されたとき、保護手段２４の接点３２、３４が開放されることにより、サーボモータ１０の開度信号や積分器３０からのフィードバック信号が加算点３６に入力されなくなる。これによって、積分器３０の出力値（積分値）は、一定値（指令α）に保持される。そして、積分器３０から出力される指令αが、メイン制御装置１６から出力されていた指令Ｘに代わって、サブ制御装置１８の入力指令として利用される。ここで、指令αは、メイン制御装置１６に異常が生じた時のサーボモータ１０の開閉弁の開度に対応する指令である。そして、サブ制御装置１８は、指令αに基づいてアクチュエータ２０に制御指令を出力する。これによって、メイン制御装置１６に異常が生じたときでも、保護手段２４がバックアップ手段として機能することにより、サーボモータ１０の開閉弁の開度が現状維持されるため、水力発電所の運転を継続することができる。

この場合において、増加手段４０から接点４１とオアゲート３８を介して加算点３８に指令を入力することにより、保護手段２４から出力される指令αが増加補正される。また、減少手段４２から接点４３とオアゲート３８を介して加算点３８に指令を入力することにより、保護手段２４から出力される指令が減少補正される。要するに、増加手段４０又は減少手段４２により、積分器３０の出力値（積分値）を増減補正できるから、サーボモータ１０の開閉弁の開度を微調整できる。なお、増加手段４０および減少手段４２を手動により駆動してもよいし、上位制御装置１４から出力される指令などに基づいて自動的に駆動してもよい。

図３は、メイン制御系に設けられた保護手段２２の構成図である。図３に示すように、保護手段２２は、積分器５０と、積分器５０の出力側に設けられた加算点５２と、加算点５２の出力側に設けられたリミッタ５４と、積分器５０に接点５６を介してリセット信号を入力するリセット手段５８を有している。加算点５２のプラス側に、積分器５０の出力が入力されるとともに、マイナス側に、アクチュエータ２０の配圧弁の開度信号が入力される。また、積分器５０の入力側にオアゲート６０が接続されている。オアゲート６０の入力側に、接点６２を介して増加手段６４が接続されると共に、接点６６を介して減少手段６８が接続されている。なお、接点５６は、サブ制御装置１８が正常に動作しているときは閉じられ、異常が生じたときは開放される。

このような保護手段２２においては、サブ制御装置１８が正常動作しているとき、リセット手段５８によりリセット信号（積分値＝０）が設定時間間隔で積分器５０に入力される。積分器５０の出力が中立信号として加算点５２のプラス側に入力される共に、アクチュエータ２０の開度信号が加算点５２のマイナス側に入力される。そして、加算点５２に入力された信号の偏差が、リミッタ５４を介して指令βとして出力される。要するに、保護手段２２は、サブ制御装置１８が正常動作しているとき、アクチュエータ２０の配圧弁の開度に対応した指令βを出力するようになっている。

サブ制御装置１８の異常が監視手段２３により検出されたとき、検出信号γが監視手段２３から切替器１９に出力されると共に、保護手段２２の接点５６が開放される。そして、保護手段２２から出力される指令βが、切替器１９により、サブ制御装置１８から出力されていた指令Ｙに代わって、アクチュエータ２０に入力される。ここで、指令βは、サブ制御装置１８に異常が生じた時のアクチュエータ２０の配圧弁の開度に対応する指令である。これによって、サブ制御装置１８に異常が生じたときでも、保護手段２２がバックアップ手段として機能することにより、アクチュエータ２０の配圧弁の開度が現状維持されることから、水力発電所の運転を継続することができる。

この場合においては、積分器５０にリセット手段５８からリセット信号が入力されないことから、増加手段６４から接点６２とオアゲート６０を介して加算点５２に指令を入力することにより、保護手段２２から出力される指令βが増加補正される。また、減少手段６８から接点６６とオアゲート６０を介して加算点５２に指令を入力することにより、保護手段２２から出力される指令βが減少補正される。要するに、増加手段６４又は減少手段６８により、積分器５０の出力値（積分値）を増減補正できるから、アクチュエータ２０の配圧弁を微調整することができる。なお、増加手段６４および減少手段６８を手動により駆動してもよいし、上位制御装置１４から出力される指令などに基づいて自動的に駆動してもよい。また、リミッタ５４により、指令βの上限値および下限値が制限されている。

本実施形態によれば、メイン制御装置１６に保護手段２２を設けると共に、サブ制御装置１８に保護手段２４を設けることにより、メイン制御装置１６又はサブ制御装置１８のいずれか一方に異常が生じたときでも、異常が生じていない健全な制御系の方で水力発電所の運転を継続することができ、水力発電所の信頼性が向上する。また、同一の計算機制御系を２台設けた二重系システムよりも、装置コストを抑えることができる。

特に、水力発電所は山間部などに設置されることが多いことから、落電による影響を受け易い。落電による影響を受けると、ノイズなどが生じて誤動作や故障の原因となり、水力発電所の運転に異常が生じてダウンタイムが発生する。この点、本実施形態によれば、監視手段２３、２５および保護手段２２、２４により、水力発電所のダウンタイムを低減できる。

なお、保護手段２２と保護手段２４の双方を設けることに代えて、いずれか一方を設けるようにしてもよい。また、保護手段２２、２４は、便宜上、図２又は図３に回路構成として説明したが、ソフトウェアとしてメイン制御装置１６又はサブ制御装置１８に実装させることができる。また、図４に示すように、監視手段２３、２４の機能を有する監視装置７０を計算機制御系１２とは別に設けるようにしてもよい。

本発明を適用した水力発電所の制御装置の構成図である。 図１のサブ制御装置に設けられた保護手段の構成図である。 図１のメイン制御装置に設けられた保護手段の構成図である。 本発明を適用した水力発電所の制御装置の他の構成図である。

符号の説明

１０ サーボモータ
１２ 計算機制御系
１４ 上位制御装置
１６ メイン制御装置
１８ サブ制御装置
１９ 切替器
２０ アクチュエータ
２２、２４ 保護手段
２３、２５ 監視手段

Claims (1)

1. 水力発電に係る制御機器を制御する計算機制御系を備えた水力発電所の制御装置において、前記計算機制御系は、上位制御系から制御周期ごとに入力される運転指令、運転モードの切替指令、系統周波数の変動、ダムの水位変動、電力量の指令などの複数の指令に基づいて前記制御機器の制御指令Ｘを生成する主計算機制御系と、該主計算機制御系により生成された前記制御指令Ｘに従って前記制御機器を制御するサブ計算機制御系に分けて構成され、
   前記サブ計算機制御系は、制御周期が前記主計算機制御系の制御周期よりも短く設定され、前記制御指令Ｘに基づいて前記制御機器の制御指令Ｙを演算して前記制御機器に出力し、前記制御機器の状態を検出するセンサからフィードバックされる前記制御機器の状態を前記制御指令Ｘに合わせるように前記制御指令Ｙを当該サブ計算機制御系の制御周期ごとに演算することを特徴とする水力発電所の制御装置。

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