水质监测用小型浮标动力源之光伏蓄电池供电系统的优化构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种浮于水面的水质监测小型浮标动力源之光伏蓄电池供电系统的 优化构建方法。具体为一种基于浮标本体约束及当地气象因素约束的光伏、蓄电池数量优 化算法的最优容量配置方法。
【背景技术】
[0002] 水资源作为一种基础性的自然资源，是人类赖以生存的生命之源。为实现水资源 的可持续利用，对水质进行监测与分析十分必要。浮于水面的水质监测用小型浮标通过在 其上搭载必要的化学分析仪器和各种水质传感器可以实现采集实时水质指标、处理、存储、 发送各指标相关的数据到指定接收器，此外还可实现跟踪浮标的位置，有故障可及时自动 报警等附加功能。对于离岸式水质监测用小型浮标系统，采用光伏蓄电池混合供电系统，通 过太阳能光伏板吸收投射到无遮挡的水面上方的日光转化为电能可方便地为搭载的仪器、 仪表供电，另一方面将多余的电能储备在蓄电池中，以供无日光照幅射的夜晚及阴雨天的 设备用电使用。这种供电方式不仅能够有效地解决水质监测用小型浮标的用电问题，同时 可以减少化石资源的消耗，实现了水质监测的绿色、经济与环保目的。
[0003] 然而，现有的浮于水面的水质监测用小型浮标动力源一一光伏蓄电池供电系统设 计方法存在一些不足：
[0004] 首先，在目前的小型浮标系统中动力源的设计采用模块化并联组合的方式，一般 会通过估算要搭载设备的耗电量，决定配置模块化蓄电池组1-2套。这种并联扩容的方式 虽然提高了系统的供电可靠性，却增加了动力源部分的体积、重量与直接投资成本。
[0005] 其次，近年来基于对水质监测的普遍重视，多种型号的不同监测传感器与信号传 输设备需要搭载到小型浮标中。由于应用中设备的耗电量变化范围宽泛，针对具体需求， 设计水质监测用小型浮标动力源一一光伏蓄电池供电系统的案例逐渐增多。这种方式需要 先详细计算搭载的具体设备的功耗数据，明确要确保连续无日照条件下系统正常供电的天 数，而后采用光伏蓄电池供电系统设计的经验法计算系统应配置的光伏板的功率、蓄电池 的安时数。然而，目前可供借鉴的光伏蓄电池供电系统经验设计方法主要是针对地面固定 安置光伏蓄电池供电系统进行的。由于没有考虑应用中光伏蓄电池安置涉及到的体积、重 量等约束条件，实际应用中往往导致设计好的光伏蓄电池系统安装不到实现选定的小型浮 标本体上，需要重新给订购体积、面积、配重足够的小型浮标本体，增加了水质监测用小型 浮标系统的间接投资成本与时间成本。
[0006] 此外，实际工程中由于受到环境、气候等影响，水质监测用小型浮标动力源一一光 伏蓄电池供电系统运行过程中受到随机性及周期性变化因素影响。目前在对水质监测用小 型浮标动力源一一光伏蓄电池供电系统进行设计时未考虑所设计的性能参数之间及其与 其他关联因素的交互影响，则所设计的光伏蓄电池供电系统未能实现在满足系统运行可靠 性的前提下，降低系统投资建设成本，科学构建的目的。
[0007] 因此，为解决以上问题，需要提供一种科学的水质监测用小型浮标动力源一一光 伏蓄电池供电系统的优化构建方法。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是为了解决现有的水质监测用小型浮标动力源之光伏蓄电池供电 系统的构建方法不够科学、不够准确的现存弊端。通过融合水质监测用小型浮标的应用地 的环境、气象条件与浮标搭载仪器、仪表功耗、运行时间等因素的交互影响，结合浮标本体 的面积、体积、重量等限制条件建立水质监测用小型浮标动力源一一光伏蓄电池供电系统 的优化目标函数。在约束条件限定的可行解区域内，寻求投资成本低、失电小时数少，并结 合应用地的环境及气象历史数据信息，得到既满足小型浮标应用地实际情况的天气因素要 求，又满足系统可靠性要求的光伏蓄电池混合供电系统优化配置方案。
[0009] 本发明提供一种水质监测用小型浮标动力源之光伏蓄电池供电系统的优化构建 方法，主要包括以下六个步骤：
[0010] 步骤一、小型浮标系统功耗计算；
[0011] 计算需要搭载到浮标本体中的水质监测用设备的运行功耗及日运行小时数，形成 小型浮标系统的日平均能耗，这些水质监测用设备可以看作是小型浮标动力源部分的负 载，因此称为负载设备，则而后便可计算出负载设备的平均功耗值。
[0012] 步骤二、小型浮标系统的优化目标函数建模；
[0013] 确定小型浮标系统中涉及的光伏发电、蓄电池储能、浮标本体等的相关参数值与 成本。以成本最小为目标建立小型浮标动力源--光伏蓄电池供电系统的优化目标函数。
[0014] 步骤三、基于气象因素确定小型浮标系统最大连续阴雨天数；
[0015] 基于光伏蓄电池供电系统的输出受到日照等气象因素的影响，光伏发电随时间和 环境的变化具有明显的间断性和波动性。依据比较容易获取的气象信息，如光照强度、温度 和相对湿度，对光伏蓄电池供电系统发电量的影响因素进行统计分析。根据影响因素，统计 分析出近年来最恶劣月份的连续阴雨导致不发电的天数，为合理地确定应用地浮标运行中 的最长阴雨天数提供科学的决策依据。
[0016] 步骤四、小型浮标系统约束条件建立；
[0017] 基于应用中涉及到的浮标本体容积、面积、浮力，及动力部分的功率、能量等条件 建立水质监测用小型浮标动力源一一光伏蓄电池供电系统运行应满足的约束条件。
[0018] 步骤五、配置参数优化；
[0019] 采用线性整数规划算法，不断搜索，计算构建水质监测用小型浮标动力源一一光 伏蓄电池供电系统的成本，最后输出最优解，得到小型浮标系统光伏蓄电池最优配置参数 Xj= [X U X2]，j = 1，2,…η，η为小型浮标系统可选择的浮标本体个数，X1S对应优化选定 浮标本体后确定的蓄电池的个数，X 2则为对应确定的指定瓦数光伏板的个数。
[0020] 步骤六、敏感度分析；
[0021] 利用敏感度分析考察连续阴雨天气变化时，水质监测用小型浮标系统可保障系统 动力部分不断电、持续稳定运行的时间长度波动范围。
[0022] 本发明的优点在于：
[0023] 1.结合应用浮标搭载设备耗电的应用需求、浮标本体成本与限制条件设计光伏蓄 电池供电系统，瞄准了整体优化降低系统构成总体成本的目的，提出合理的目标函数，以实 现光伏蓄电池供电系统构成成本/发电容量的优化构建；
[0024] 2.结合浮标安装运行所在地的气象条件，增加统计回归算法，对小型浮标系统投 入使用的3-5年内的连续阴雨天进行统计分析，科学确定当地最大可能连续阴雨天数，为 光伏蓄电池供电系统的充足、可靠、经济供电提供理论支撑；
[0025] 3.在选定浮标本体的参数，明确小型浮标系统的约束条件后，采用整数规划算法 在可行解区域内寻求满足体积、浮力等约束条件的光伏蓄电池供电系统最优解；而后通过 敏感度分析，考察气象条件变化时对所设计小型浮标系统的运行稳定性的影响波动范围， 为后续天气因素变动时，系统运行决策提供依据。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明提供的基于浮标本体约束条件下光伏蓄电池容量优化设计方法的 流程图；
[0027] 图2为本发明中基于气象因素确定小型浮标系统最大连续阴雨天数的流程图；
[0028] 图3为实施例中A地1-2月份太阳辐射值、温度、相对湿度数值；
[0029] 图4为实施例中A地1-2月份日平均光伏发电量及连续无发电量天数；
[0030] 图5为迭代式整数优化算法流程图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0032] 本发明提供一种水质监测用小型浮标动力源之光伏蓄电池供电系统的优化构建 方法，如图1所示流程，具体包括如下步骤：
[0033] 步骤一、小型浮标系统功耗计算；
[0034] 本发明主要针对用于河湖中水质监测用的小型浮标系统，其供电采用光伏蓄电池 组成，考虑到光伏发电受日照等天气因素影响比较大，因而采用了蓄电池补充光伏系统的 能源供给不稳定性，满足光伏系统运行的实时功耗需求。阳光晴好时由光伏系统发电供给 用电负载，蓄电池充电；在夜间及阴雨天时由蓄电池供电给负载，满足监测数据的采集与传 输要求。因此，小型浮标系统的功耗、能耗需求是后续设计的出发点。应通过计算需要搭载 到浮标本体中的水质监测用设备（负载设备）的运行功耗及日运行小时数，形成小型浮标 系统的日平均能耗，除以24小时就获得了负载设备的日平均功耗，从而确定了负载设备功 率和能量情况。步骤二、小型浮标系统的优化目标函数建模；
[0035] 水质监测用小型浮标系统的光伏蓄电池供电系统的成本主要涉及以下几个部 分：
[0036] A.光伏板，购买时按瓦计算价格。
[0037] B.在系统使用寿命内的蓄电池，购买时按瓦时计算价格。
[0038] C.供货厂家不同型号的系列小型浮标本体成本，一般成本随着小型浮标本体体积 的增大、其表面积、浮力逐渐增大。
[0039] D.其他负载电压匹配用功率变换器、光伏充电控制器以及安装成本等费用，这部 分费用与小型浮标本体及光伏蓄电池供电部分的成本相比，所占份额很小，可以认为基本 不变，按固定投资考虑即可。
[0040] 水质监测用小型浮标的光伏蓄电池供电系统的最优容量配置应首先要保障小型 浮标在投入使用的3-5年寿命周期内，构建运行成本最低。因此，将水质监测用小型浮标动 力源一一光伏蓄电池供电系统的构建成本函数看作优化设计的目标函数。为了降低水质监 测用小型浮标动力源一一光伏蓄电池供电系统的成本，需要对光伏蓄电池的组成进行优化 研宄，目标函数式（1)为小型浮标光伏蓄电池供电系统的成本函数f。
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