专利：一种日光温室节能优化控制方法及装置.pdf

19 国家知识产权局 12 发明 专利申请 10 申请公布号 43 申请公布日 21 申请 号 202210048273 8 22 申请日 2022 01 17 66 本国 优 先权数据 202111642413 6 2021 12 29 CN 71 申请人 国网中兴有限公司 地址 100761 北京市西城区白广路二条一 号 申请人 中国农业大 学 72 发明人 张荣强 袁海山 叶昀 陈有强 孙靓 张超 苏娟 杜松怀 李拓 冯 永 鑫 陈绪城 74 专利代理 机构 北京卫平智业专利代理事务 所 普通 合 伙 1 1392 专利代理师 闫萍 51 Int Cl G05B 13 04 2006 01 A01G 9 24 2006 01 54 发明名称 一种日光温室节能优化控制方法及装置 57 摘要 本发明涉及一种日光温室节能优化控制方 法及装置 装置包括 数据采集模块 信号调理模 块 分析处理模块 控制器模块 执行输出模块 数据采集模块主要包括二氧化碳浓度传感器 室 内温湿度传感器 有毒有害气体浓度传感器 光 照传感器 土壤墒情传感器和监控摄像头 本发 明利用日光温室内环境参数可调节的特点 结合 农业生产用能需求 提出一种日光温室节能优化 控制方法与装置 以新能源发电作为基础能源 综合考虑到可再生能源的就地消纳问题的同时 兼顾网络的运行成本问题 在实现了系统的运行 成本最小化的同时 又保证了温室内农产品利益 最大化 与以往的考虑单一优化目标的系统相 比 优势较为明显 权利要求书3页 说明书6页 附图1页 CN 114609903 A 2022 06 10 CN 114609903 A 1 一种日光温室节能优化控制方法 其特 征在于 包括如下步骤 1 采集温室内环境 参数 并进行信号调理 2 经过信号调理后 在经典日光温室模型情况下 对于强相关的数据 利用温室内环境 参数与各对应设备用能的历史数据 以最小二乘法为原则进行拟合 找到温室内环境参数 与设备用能的映射关系 3 根据光伏板型号及性能 确定室外环境参数与光伏板总出力的映射关系 随后将负 荷与光伏出力进行整合 以用电费用最小化 为目标 得到最终的目标函数 4 将农作物生长的环境条件约束作为不等式约束 电能守恒作为等式约束 以此确定 边界条件 最 终利用拉格朗日乘数法进 行求解 求出最优解条件下的各个温室内环境参数 据此设定合适的滞回区间 并与接 收的当前温室内环境参数进行比较 输出最优温室内环 境 参数 2 如权利要求1所述的日光温室节能优化控制方法 其特征在于 映射关系包括 温室 内温度与采暖设备日能耗量关系 土壤墒情与水肥一体化设备日能耗量关系 温室内有毒 有害气体浓度与通风设备日能耗量关系 温室内光照 强度与补光设备日能耗量关系 以及 温室内二氧化 碳浓度与二氧化 碳发生器日能耗 量关系 3 如权利要求1所述的日光温室节能优化控制方法 其特征在于 步骤3 所述目标函数 定义 为 F mi nf wpg Tc H t L t s D t T AC G AC p 1 式中 F为日光温室最小用电费用 w pg为电网向温室输送的电能 p为电价 T c为温室内 的温度 H t为温室内有毒有害气体浓度 L t为温室内光照强度 s为土壤墒情 D t为温室内二 氧化 碳浓度 T AC为电池板 工作温度 G AC表示室外实际光照强度 4 如权利要求3所述的日光温室节能优化控制方法 其特征在于 步骤4 所述等式约束 为 wpg wall wppg C 2 wall w c ws wh wb wd wothers 3 式中 w all为温室内负荷 所用电能总量 w ppg为光伏的日内总出力 C为储能装置的电量 wc为 温室内采暖设备日耗能 w s为 温室内水肥一体化设备日耗能 w h为 温室内通风设备日耗 能 w b为温室内补光设备日耗能 w d为温室内二氧化碳发生器日耗能 w others为温室内传感器 设备日耗能 为常量 5 如权利要求 4所述的日光温室节能优化控制方法 其特 征在于 式中 w ppg为光伏的日内总出力 P STC为标准测试条件下的最大测试功率 G AC表示室外实 际光照强度 kW m 2 G STC为标准测试条件下的室外光照强度 取值为1kW m 2 k为功率温度系 数 取值 0 43 k T AC为光伏电池板工作温度 T STC为标准测试条件下的参考温度 取值为 25 标准测试条件为太阳辐射强度G STC 1kW m 2 电池表面温度T STC为25 点对大气 光学 质量 为AM1 5 权 利 要 求 书 1 3 页 2 CN 114609903 A 式中 P ch t 和P dis t 分别为蓄电池在 t时刻的充电和放电功率 ch和 dis分别为蓄电池 充放电效率 6 如权利要求 4所述的日光温室节能优化控制方法 其特 征在于 式中 w c为温室内采暖设备日耗能 Q hp为制热量 COP为性能系数 其中Q hp和 COP与温室 内温度T c和空气源热泵出水口水温T s1有关 S fr描述除霜状态 0 表示空气源热泵处于融霜 状态 1 表示空气源热泵没有除霜 P vent为排风扇耗电功率 q air为进入空气源热泵的空气 体积流 量 其中排 风扇耗电功率P vent决定进入空气源热泵的空气体积流 量q air 式中 w s为温室内水肥一体化设备日耗能 K表示水泵转换效率 A gh k表示第k个温室大 棚的作物种植面积 m 2 n表示温室大棚灌溉时段总数 K c i表示第i种作物的作物系数 ET 0表 示 参照蒸散量 m m 其中ET 0与土壤墒情p s有关 式中 w h为温室内通风 设备日耗能 p h f表示第f个温室大棚排风扇的额定功率总和 kW Kh f表 示在t时间段内整个温室大棚排风扇工作数量比例 K h f 0 1 其中K h f与温室内有 毒 有 害气体浓度H t有关 式中 w b为温室内补光 设备日耗能 p b f表示第f个温室大棚补光灯的额定功率总和 kW Kb f表 示在t时间段内整个温室大棚补光灯工作数量比例 K b f 0 1 其中K b f与温室内光 照强度L t有关 式中 w d为温室内二氧化碳发生器日耗能 p d f表示第f个温室大棚二氧化碳发生器的额 定功率总和 kW K d f表示在t时间段内整个温室大棚二氧化碳发生器工作数量比例 K d f 0 1 其中K d f与温室内二氧化 碳浓度D t有关 7 如权利要求4所述的日光温室节能优化控制方法 其特征在于 为保证储能的正常使 用以及其使用寿命 储能需满足下列功率约束 Pch min P ch t P ch max 11 Pdis min P dis t P dis max 12 Cmin C t Cmax 13 式中 P ch min和 Pch max分别为充电功率的最小值和最大值 P dis min和 Pdis max分别为放电 功率的最小值和最大值 C min和C max分别为储能容 量的最小值和最大值 8 如权利要求4所述的日光温室节能优化控制方法 其特征在于 步骤4 所述不等式约 束为 Tc min T c T c max 14 s min s s max 15 权 利 要 求 书 2 3 页 3 CN 114609903 A 0 Ht Ht max 16 Lt min L t L t max 17 Dt min D t D t max 18 wppg min w ppg w ppg max 19 9 一种日光温室节能优化控制装置 其特 征在于 包括 数据采集模块 用于采集环境数据 信号调理模块 用于对数据采集模块采集的环境数据进行信号调理 然后将调理后的 环境数据传输给分析处 理模块 分析处理模块 用于将农作物生长的环境条件约束作为不等式约束 电能守恒作为等 式约束 以此确定边界条件 最 终利用拉格朗日乘数法 求出最优解条件下的各个温室内环 境参数 据此设定合适的滞回区间 并与接收的当前温室内环境参数进 行比较 得到预发出 的控制指令 通过 无线网络发送到控制器模块 控制器模块 用于 接收来自分析处 理模块的控制指令 并对执 行输出模块进行控制 执行输出模块 用于根据控制器模块发出的控制指令 改变温室内各个执行输出设备 的运行状态 10 如权利要求9所述的日光温室节能优化控制装置 其特征在于 数据采集模块包括 二氧化碳浓度传感器 室内温湿度传感器 有毒有害气体浓度传感器 光照传感器 土壤墒 情传感器和监控摄像头 通过WSN进 行本地组网 再通过特定上网设备传送至 云服务器和存 储设备 从而实现实时状态感知 执 行输出设备包括 水 肥一体化设备 二氧化 碳发生器 排 风扇 补光灯和空气源热泵 权 利 要 求 书 3 3 页 4 CN 114609903 A 一种日光温室 节能优化控制方 法及装 置 技术领域 0001 本发明涉及可再生能源发电优化控制及农 业温室技术领域 尤其涉及 一种日光温 室节能优化控制方法及装置 背景技术 0002 农业生产过程中能源使用成本占其生产成本中的20 以上 需要考虑其中的运行 成本问题 作为现代高效农业的重要组成部 分 温室大棚有着室内环境参数可控的特点 因 此可以获取更高的农产品收益 随着我国对生态问题的越来越重视 在实现双碳 目标的大 背 景下 光伏发电技术被广泛的应用在农业领域 随之而来的也出现了一些问题 光伏发电 作为日光温室的能源被接入系统 虽可以提供部分能量 但对系统的运行成本分析尚不明 确 未能有效利用日光温室内环境温度 光照强度 温湿度等环境参数可控的条件 并且结 合农业生产特点来进行能源供给的优化控制 来 降低分布式光伏接入日光温室的运行成 本 发明内容 0003 本发明针对日光温室生产特点 提出综合考虑分布式光伏发电 农业生产设备等 特点的节能优化控制方法 提供一种日光温室节能优化控制方法及装置 0004 为达 到以上目的 本发明采取的技 术方案是 0005 一种日光温室节能优化控制方法 包括以下步骤 0006 1 采集温室内环境 参数 温室数据 并进行信号调理 0007 2 经过信号调理后 在经典日光温室模型情况下 对于 强相关的数据 利用温室内 环境参数与各对应设备用能的历史数据 以最小二乘法为原则进行拟合 找到温室内环境 参数与设备用能的映射关系 0008 映射关系包括 温室内温度与采暖设备 例如空气源热泵 日能耗量关系 土壤墒 情与水肥一体化设备日能耗量关系 温室内有毒有害气体浓度与通风设备 例如排风扇 日 能耗量关系 温室内光照强度与补光设备 例如补光灯 日能耗量关系 以及温室内二氧化 碳浓度与二氧化 碳发生器日能耗 量关系 0009 3 根据光伏板型号及性能 确定室外环境参数与光伏板总出力的映射关系 随后 将 负荷与光伏出力进行整合 以用电费用最小化 为目标 得到最终的目标函数 0010 4 将农作物生长 的环境条件约束作为不等式约束 电能守恒作为等式约束 以此 确定边界条件 最终利用拉格朗日乘数法进行求解 求出最优解条件下 的各个温室内环境 参数 据此设定合适的滞回区间 并与接收的当前温室内环 境参数进 行比较 输出最优温室 内环境 参数 0011 为达到运行成本最小化 将目标函数以用电费用最小化形式体现出来 步骤3 所 述目标函数定义 为 0012 F mi nf wpg Tc H t L t s D t T AC G AC p 1 说 明 书 1 6 页 5 CN 114609903 A 0013 式中 F为日光温室最小用电费用 w pg为电网向温室输送的电能 p为电价 T c为温 室内 的温度 H t为温室内有毒有害气体浓度 L t为温室内光照强度 s为土壤墒情 D t为温室 内二氧化 碳浓度 T AC为电池板 工作温度 G AC表示室外实际光照强度 0014 根据能量守恒 步骤4 所述 等式约束为 0015 wpg wall wppg C 2 0016 wall w c ws wh wb wd wothers 3 0017 式中 w all为温室内负荷所用电能总量 w ppg为光伏的日内总出力 C为储能装置 蓄 电池 的电量 w c为 温室内采暖设备日耗能 w s为 温室内水肥一体化设备日耗能 w h为 温室内 通风设备日耗能 w b为温室内补光设备日耗能 w d为温室内二 氧化碳发生器日耗能 w others为 温室内传感器设备日耗能 常量 0018 其中 0019 0020 式中 w ppg为光伏的日内总出力 P STC为标准测试条件下的最大测试功率 G AC表示 室 外实际光照强度 kW m 2 G STC为标准测试条件下的室外光照强度 取值为1kW m 2 k为功率温 度系数 取值 0 43 k T AC为光伏电池板工作温度 T STC为标准测试条件下的参考温度 取 值为25 标准测试条件为太阳辐射强度G STC 1kW m 2 电池表面温度T STC为25 点对大气 光学质量 为AM1 5 0021 0022 式中 P ch t 和P dis t 分别为蓄电池在t时刻的充电和放电功率 ch和 dis分别为 蓄电池充放电效率 0023 0024 式中 w c为温室内采暖设备日耗能 Q hp为制热量 COP为性能系数 其中Q hp和COP与 温室内温度T c和空气源热泵出水口水温T s1有关 S fr描述除霜状态 0 表示空气源热泵处于 融霜状态 1 表示空气源热泵没有除霜 P vent为排风扇耗电功率 q air为进入空气源热泵的 空气体积流 量 其中排 风扇耗电功率P vent决定进入空气源热泵的空气体积流 量q air 0025 0026 式中 w s为温室内水肥一体化设备日耗能 K表示水泵转换效率 A gh k表示第k个温 室大棚的作物种植面积 m 2 n表示温室大棚灌溉时段总数 K c i表示第i种作物的作物系数 ET0表示 参照蒸散量 m m 其中ET 0与土壤墒情p s有关 0027 0028 式中 w h为温室内通风设备日耗能 p h f表示第f个温室大棚排风扇的额定功率总 和 kW K h f表示在t时间段内整个温室大棚排风扇工作数量比例 K h f 0 1 其中K h f与温 室内有 毒 有 害气体浓度H t有关 0029 说 明 书 2 6 页 6 CN 114609903 A 0030 式中 w b为温室内补光设备日耗能 p b f表示第f个温室大棚补光灯的额定功率总 和 kW K b f表示在t时间段内整个温室大棚补光灯工作数量比例 K b f 0 1 其中K b f与温 室内光照强度L t有关 0031 0032 式中 w d为温室内二氧化碳发生器日耗能 p d f表示第f个温室大棚二氧化碳发生 器的额定功 率总和 kW K d f表 示在t时间段内整个温室大棚二氧化碳 发生器工作数量比例 Kd f 0 1 其中K d f与温室内二氧化 碳浓度D t有关 0033 为保证储能的正常使用以及其使用寿命 储能需满足下列功率约束 0034 Pch min P ch t P ch max 11 0035 Pdis min P dis t P dis max 12 0036 Cmin C t Cmax 13 0037 式中 P ch min和P ch max分别为充电功率的最小值和最大值 P dis min和P dis max分别为放 电功率的最小值和最大值 C min和C max分别为储能容 量的最小值和最大值 0038 步骤4 所述 不 等式约束为 0039 Tc min T c T c max 14 0040 s min s s max 15 0041 0 Ht Ht max 16 0042 Lt min L t L t max 17 0043 Dt min D t D t max 18 0044 wppg min w ppg w ppg max 19 0045 一种日光温室节能优化控制装置 包括 0046 数据采集模块 用于采集环境数据 数据采集模块包括二氧化碳浓度传感器 室内 温湿度传感器 有毒有害气体浓度传感器 光照传感器 土壤墒情传感器和监控摄像头 通 过WSN进 行本地组网 再通过特定上网设备传送至 云服务器和存储设备 从而实现实时状态 感知 0047 信号调理模块 用于对数据采集模块采集的环境数据进行信号调理 然后将调理 后的环境数据传输给分析处 理模块 0048 分析处理模块 用于将农作物生长 的环境条件约束作为不等式约束 电能守恒作 为等式约束 以此确定边界条件 最 终利用拉格朗日乘数法 求出最优解条件下的各个温室 内环境参数 据此设定合适的滞回区间 并与接收的当前温室内环境参数进行比较 得到预 发出的控制指令 通过 无线网络发送到控制器模块 0049 控制器模块 用于接收来自分析处理模块的控制指令 并对执行输出模块进行控 制 0050 执行输出模块 用于根据控制器模块发出的控制指令 改变温室内各个执行输出 设备的运行状态 0051 其中执行输出设备包括 水肥一体化设备 二氧化碳发生器 排风扇 补光灯 空气 源热泵 0052 本发明的有益效果 本发明利用日光温室内环境参数可调节的特点 结合农业生 说 明 书 3 6 页 7 CN 114609903 A 产用能需求 提出一种日光温室节能优化控制方法与装置 以新能源 太阳能 发电作为基 础能源 综合考虑到可再生能源的就地消纳问题的同时兼顾网络的运行成本 问题 在实现 了系统的运行成本最小化的同时 又保证了温室内农产品利益最大化 与以往的考虑单一 优化目标的系统相比 优势较为明显 0053 本发明通过传感器系统 控制系统 执行输出系统将环境参数控制在适宜作物生 长的最优 范围 并优化光伏发电系统出力 使日光温室生产系统运行所需电费最少 提高节 能效果 降低生产成本 附图说明 0054 本发明有如下附图 0055 图1为本发明的日光温室节能优化控制装置构成示 意图 0056 图2为本发明的日光温室节能优化控制策略示 意图 具体实施方式 0057 以下 结合附图对本发明作进一 步详细说明 0058 为使本发明的目的 技术方案和优点更加清楚 下面结合附图对本发明的具体实 施案例做说明 0059 图1为本发明的日光温室节能优化控制装置构成图 如图1所示 该控制装置包括 数据采集模块 主要包括二氧化碳浓度传感器 室内温湿度传感器 有毒有害气 体浓度传感 器 光照传感器 土壤墒情传感器和监控摄像头 信号调理模块 分析处理模块 控制器模 块 执行输出模块 水肥一体化设备 二氧化碳发生器 补光灯 排风扇 空气源热泵等 采 集到的日光温室的各类数据经过信号调理模块放大调理 传送到分析处理模块 分析处理 模块利用建立的数据模型算法 求出最优解条件下 的各个环境参数 并与接 收的当前温室 内环境参数进 行比较 得到预发出的控制 信号 通过无线网络到达本地控制器模块 控制本 地执行输出设备 水肥一体化设备 二氧化碳发生器 排风扇 补光灯 空气源热泵等 的工 作状态 例如 电机启停 补光灯亮 灭 0060 图2为本发明的日光温室节能优化控制方法策略图 0061 具体地 采集温室数据 在经典日光温室模型情况下 对于强相关的数据 利用温 室数据与各对应设备用能的大量历史数据 以最小二乘法为原则进行拟合 找到温室数据 与设备用能的映射关系 0062 0063 式中 w c为温室内采暖设备日耗能 Q hp为制热量 COP为性能系数 其中Q hp和COP与 温室内温度T c和空气源热泵出水口水温T s1有关 S fr描述除霜状态 0 表示空气源热泵处于 融霜状态 1 表示空气源热泵没有除霜 P vent为排风扇耗电功率 q air为进入空气源热泵的 空气体积流 量 其中排 风扇耗电功率P vent决定进入空气源热泵的空气体积流 量q air 0064 0065 式中 w s为温室内水肥一体化设备日耗能 K表示水泵转换效率 A gh k表示第k个温 说 明 书 4 6 页 8 CN 114609903 A 室大棚的作物种植面积 m 2 n表示温室大棚灌溉时段总数 K c i表示第i种作物的作物系数 ET0表示 参照蒸散量 m m 其中ET 0与土壤墒情p s有关 0066 0067 式中 w h为温室内通风设备日耗能 p h f表示第f个温室大棚排风扇的额定功率总 和 kW K h f表示在t时间段内整个温室大棚排风扇工作数量比例 K h f 0 1 其中K h f与温 室内有 毒 有 害气体浓度H t有关 0068 0069 式中 w b为温室内补光设备日耗能 p b f表示第f个温室大棚补光灯的额定功率总 和 kW K b f表示在t时间段内整个温室大棚补光灯工作数量比例 K b f 0 1 其中K b f与温 室内光照强度L t有关 0070 0071 式中 w d为温室内二氧化碳发生器日耗能 p d f表示第f个温室大棚二氧化碳发生 器设备的额定功率总和 kW K d f表示在t时间段内整个温室大棚二氧化碳发生器工作数量 比例 K d f 0 1 其中K d f与温室内二氧化 碳浓度D t有关 0072 具体地 由于不同农作物的生长对环境条件要求不同 为促进植物的生长发育 从 而获得优质高产 故将农作物生长的环境条件约束作为不等式约束 由此引出不等式约束 为 0073 Tc min T c T c max 0074 s min s s max 0075 0 Ht Ht max 0076 Lt min L t L t max 0077 Dt min D t D t max 0078 wppg min w ppg w ppg max 0079 具体地 根据各类光伏板型号及性能 确定室外环境参数与光伏板总出力的映射 关系 随后将 负荷与光伏出力进行整合 得到最终的目标函数 0080 F mi nf wpg Tc H t L t s D t T AC G AC p 0081 式 中 F为日光温室最小用电费用 W pg为电网向园区输送的电能 p为电价 0082 根据能量守恒 等式约束为 0083 wpg wall wppg C 0084 wall w c ws wh wb wd wothers 0085 式中 w all为温室内负荷所用电能总量 w ppg为光伏的日内总出力 C为储能装置 蓄 电池 的电量 w c为 温室内采暖设备日耗能 w s为 温室内水肥一体化设备日耗能 w h为 温室内 通风设备日耗能 w b为温室内补光设备日耗能 w d为温室内二 氧化碳发生器日耗能 w others为 温室内传感器设备日耗能 常量 0086 其中 光伏的日内总出力满足 说 明 书 5 6 页 9 CN 114609903 A 0087 0088 wppg min w ppg w ppg max 0089 蓄电池充放电满足 0090 0091 Pch min P ch t P ch max 0092 Pdis min P dis t P dis max 0093 Cmin C t Cmax 0094 利用拉格朗日乘数法 并考虑约束条件 求出最优解条件下的各个温室内环境参 数 据此设定合适的滞回区间 并与接收的当前温室内环境参数进 行比较 得到预发出的控 制指令 0095 具体地 控制指令通过无线网络到达执行输出模块 根据设备驱动器接收到 的控 制指令 控制本地执 行设备的工作状态 0096 以上实施方式仅用于说明本发明 而并非对本发明的限制 有关技术领域的普通 技术人员 在不脱离本发明的实质和范围的情况下 还可以做出各种变化和变型 因此所有 等同的技 术方案也属于 本发明的保护范围 0097 本说明书中未作详细描述的内容属于 本领域专业 技 术人员公知的现有技 术 说 明 书 6 6 页 10 CN 114609903 A 图1 图2 说 明 书 附 图 1 1 页 11 CN 114609903 A