基于云團(tuán)特征分析的分布式光伏系統(tǒng)超短期出力預(yù)測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】基于云團(tuán)特征分析的分布式光伏系統(tǒng)超短期出力預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：首先對(duì)天空云團(tuán)檢測(cè)裝置采集到的稀疏云團(tuán)進(jìn)行預(yù)處理，提取出云團(tuán)的核心區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)而對(duì)其影響光伏系統(tǒng)超短期功率輸出的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；通過(guò)圖像預(yù)處理之后，接著在云團(tuán)核心區(qū)域中尋找一個(gè)特殊點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)代表整個(gè)云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)情況；應(yīng)用像素深淺差異聚類(lèi)分析法進(jìn)行厚度和數(shù)字化的描述，主要利用灰度分割法將灰度等級(jí)分類(lèi)，并用偽彩色圖處理，直觀形象地表示云團(tuán)不同區(qū)域的厚度；云團(tuán)特征提取及出力預(yù)測(cè)；設(shè)計(jì)獨(dú)立的基于稀疏云團(tuán)動(dòng)態(tài)特征的超短期出力預(yù)測(cè)軟件模塊及其數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),基于云團(tuán)特征分析的分布式光伏系統(tǒng)超短期出力預(yù)測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于云團(tuán)特征分析的分布式光伏系統(tǒng)超短期出力預(yù)測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及一種采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析手段對(duì)所獲取的天空稀疏云團(tuán)圖像序列進(jìn)行關(guān)鍵特征分析，進(jìn)而對(duì)分布式光伏系統(tǒng)進(jìn)行超短期出力預(yù)測(cè)的方法。

【背景技術(shù)】
:
[0002]能源作為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展起到重要的支撐作用。太陽(yáng)能作為綠色能源之一，因能量巨大、清潔無(wú)污染、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)對(duì)能源短缺、氣候變化與節(jié)能減排的重要選擇。作為太陽(yáng)能主要應(yīng)用形式之一的光伏發(fā)電，因其發(fā)電過(guò)程幾乎無(wú)污染物的排放，做到真正的清潔、綠色，因此成為新能源的主要選擇之一而得到推廣應(yīng)用。
[0003]分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行可就地消納電能，無(wú)需進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送電能，具有啟停響應(yīng)快、調(diào)度方便靈活、調(diào)峰性能好等優(yōu)點(diǎn)，還可根據(jù)場(chǎng)地要求調(diào)整光伏系統(tǒng)容量大小，并且可在一定程度上緩解局地的用電緊張狀況，是對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式的有力補(bǔ)充。因而近些年呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行將會(huì)得到更大地推廣。
[0004]目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)測(cè)研究主要集中在短期預(yù)測(cè)，即時(shí)間尺度〈24小時(shí)，時(shí)間分辨率為15分鐘的短期出力預(yù)測(cè)。光伏發(fā)電出力短期預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度和分辨率主要借鑒與風(fēng)電并網(wǎng)所規(guī)定的短期預(yù)測(cè)技術(shù)指標(biāo)，但事實(shí)上光伏發(fā)電的超短期波動(dòng)遠(yuǎn)比風(fēng)電要復(fù)雜并且頻繁，其中一個(gè)重要的原因就是天空漂浮不定并且?guī)缀鯖](méi)有慣量的云團(tuán)，云團(tuán)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)太陽(yáng)輻射的影響是實(shí)時(shí)的、劇烈的，從而造成地面光伏系統(tǒng)輸出功率的劇烈而迅速的波動(dòng)，對(duì)光伏及相關(guān)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行帶來(lái)威脅。常規(guī)的短期預(yù)測(cè)時(shí)間分辨率在15分鐘左右，根本無(wú)法預(yù)知由于云團(tuán)變化而導(dǎo)致的功率輸出短暫性劇烈波動(dòng)；同時(shí)，短期預(yù)測(cè)中經(jīng)?？紤]的太陽(yáng)角度、溫度、濕度、陰晴天氣等因素，由于其固有的物理特性而變化波動(dòng)相對(duì)于稀疏云團(tuán)而言較慢，反而對(duì)光伏發(fā)電的超短期預(yù)測(cè)影響較小。
[0005]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析技術(shù)手段對(duì)所獲取的稀疏云團(tuán)圖像序列進(jìn)行關(guān)鍵特征分析、從而對(duì)分布式光伏系統(tǒng)進(jìn)行出力超短期預(yù)測(cè)的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0006]本發(fā)明要克服傳統(tǒng)出力預(yù)測(cè)結(jié)果的時(shí)間尺度及時(shí)間分辨率不能實(shí)時(shí)地反映稀疏云團(tuán)動(dòng)態(tài)變化對(duì)光伏系統(tǒng)出力的主要影響，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果精度不高的缺點(diǎn)，為了提高出力預(yù)測(cè)的時(shí)間分辨率，本發(fā)明提出一種采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析技術(shù)手段對(duì)所獲取的稀疏云團(tuán)圖像序列進(jìn)行關(guān)鍵特征分析、從而實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏系統(tǒng)進(jìn)行超短期出力預(yù)測(cè)的方法。
[0007]本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是:
[0008]參照?qǐng)D1:首先通過(guò)云層檢測(cè)裝置獲得連續(xù)的稀疏云團(tuán)圖像序列，采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析技術(shù)手段對(duì)圖像序列進(jìn)行關(guān)鍵特征分析，對(duì)其造成光伏系統(tǒng)超短期出力波動(dòng)的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，通過(guò)適用的圖像處理算法及特征提取算法對(duì)關(guān)鍵特征進(jìn)行提取計(jì)算。應(yīng)用徑向基函數(shù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)歷史出力數(shù)據(jù)及云團(tuán)特征進(jìn)行離線訓(xùn)練，通過(guò)建立在線補(bǔ)償器來(lái)消除風(fēng)速、溫度對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。根據(jù)出力預(yù)測(cè)模型最終得到精確、實(shí)時(shí)和可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果，為調(diào)整電網(wǎng)、光伏微網(wǎng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能設(shè)備及負(fù)載之間的能量流向與流量、調(diào)整電力負(fù)荷及電力供應(yīng)提供決策支持?jǐn)?shù)據(jù)。
[0009]基于云團(tuán)特征分析的分布式光伏系統(tǒng)超短期出力預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟:
[0010]I)首先對(duì)天空云團(tuán)檢測(cè)裝置采集到的稀疏云團(tuán)進(jìn)行預(yù)處理，提取出云團(tuán)的核心區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)而對(duì)其影響光伏系統(tǒng)超短期功率輸出的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；對(duì)云團(tuán)采用開(kāi)運(yùn)算操作，即對(duì)云團(tuán)進(jìn)行先腐蝕后膨脹提取云團(tuán)的共性，先采用一個(gè)相對(duì)較大的結(jié)構(gòu)元對(duì)云團(tuán)進(jìn)行腐蝕，設(shè)A為云團(tuán)的點(diǎn)集，B為結(jié)構(gòu)元，B對(duì)A的腐蝕操作就是所有B中包含于A中的點(diǎn)z的集合用z平移，公式為:
[0011 ] F = AOB= {z I (B) ζ Π Ac = Φ }
[0012]其中，Ac^A的補(bǔ)集，Φ是空集；
[0013]由于采用一個(gè)較大的結(jié)構(gòu)元對(duì)云團(tuán)進(jìn)行腐蝕操作，將大部分的邊緣都消除了，剩下云團(tuán)核心區(qū)域，即云團(tuán)最集中的區(qū)域，然后對(duì)經(jīng)過(guò)腐蝕的云團(tuán)進(jìn)行膨脹操作，公式為:
[0014]G = F?B^ {ζ|(Β)2 nA^
[0015]即用ζ平移的B與F至少有一個(gè)元素重疊的所有的點(diǎn)ζ的集合；
[0016]2)通過(guò)圖像預(yù)處理之后，接著在云團(tuán)核心區(qū)域中尋找一個(gè)特殊點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)代表整個(gè)云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)情況，即云團(tuán)核心區(qū)域的質(zhì)心；質(zhì)心坐標(biāo)公式為:

【權(quán)利要求】
1.基于云團(tuán)特征分析的分布式光伏系統(tǒng)超短期出力預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟: 1)首先對(duì)天空云團(tuán)檢測(cè)裝置采集到的稀疏云團(tuán)進(jìn)行預(yù)處理，提取出云團(tuán)的核心區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)而對(duì)其影響光伏系統(tǒng)超短期功率輸出的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；對(duì)云團(tuán)采用開(kāi)運(yùn)算操作，即對(duì)云團(tuán)進(jìn)行先腐蝕后膨脹提取云團(tuán)的共性，先采用一個(gè)相對(duì)較大的結(jié)構(gòu)元對(duì)云團(tuán)進(jìn)行腐蝕，設(shè)A為云團(tuán)的點(diǎn)集，B為結(jié)構(gòu)元，B對(duì)A的腐蝕操作就是所有B中包含于A中的點(diǎn)z的集合用z平移，公式為:
F = AOB= {z I (B)z Π Ac = Φ} 其中，Ae是A的補(bǔ)集，Φ是空集； 由于采用一個(gè)較大的結(jié)構(gòu)元對(duì)云團(tuán)進(jìn)行腐蝕操作，將大部分的邊緣都消除了，剩下云團(tuán)核L區(qū)域，即云團(tuán)最集中的區(qū)域，然后對(duì)經(jīng)過(guò)腐蝕的云團(tuán)進(jìn)行膨脹操作，公式為: G = F十B:{z|(B)znA其辦 即用z平移的B與F至少有一個(gè)元素重疊的所有的點(diǎn)z的集合； 2)通過(guò)圖像預(yù)處理之后，接著在云團(tuán)核心區(qū)域中尋找一個(gè)特殊點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)代表整個(gè)云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)情況，即云團(tuán)核心區(qū)域的質(zhì)心；質(zhì)心坐標(biāo)公式為:
通過(guò)上述兩個(gè)平均公式得到云團(tuán)質(zhì)心的平均坐標(biāo)；其中(?，P )就是計(jì)算得到的質(zhì)心坐標(biāo)，Xi和yi分別代表云圖中云團(tuán)核心區(qū)域各點(diǎn)X和y方向坐標(biāo)，η代表云團(tuán)核心區(qū)域的像素點(diǎn)數(shù)，采用前后幾幅時(shí)序圖像提取云團(tuán)的質(zhì)心進(jìn)行向量化跟蹤計(jì)算云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度；即: --代表tn時(shí)刻云團(tuán)質(zhì)心的橫坐標(biāo)，^代表tn時(shí)刻云團(tuán)質(zhì)心的縱坐標(biāo)；L,+1代表tn+1時(shí)刻云團(tuán)質(zhì)心的橫坐標(biāo)，--+1代表tn+1時(shí)刻云團(tuán)質(zhì)心的縱坐標(biāo)；tn與tn+1相隔單位時(shí)間，則tn+1時(shí)刻云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度V、tn+1時(shí)刻與tn時(shí)刻云團(tuán)質(zhì)心之間的連線與X軸的夾角β分別表示為:
上述兩個(gè)公式可以定量表示出云團(tuán)在一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況； 采用質(zhì)心角函數(shù)描述云團(tuán)的形狀特征，以云團(tuán)的質(zhì)心為極點(diǎn)、水平方向?yàn)闃O軸建立極坐標(biāo)系，則云團(tuán)輪廓上任意點(diǎn)C到質(zhì)心的距離r可由極坐標(biāo)函數(shù)r( Θ )表示，從直角坐標(biāo)系到極坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方程為:

) 其中，(ΧΡ，ΥΡ)代表直角坐標(biāo)系中的云團(tuán)核心區(qū)域邊界點(diǎn)，rp表示在極坐標(biāo)系中邊界點(diǎn)(Xp, Yp)到質(zhì)心的距離，91)表示極坐標(biāo)系中邊界上任意點(diǎn)C與質(zhì)心點(diǎn)連線與極軸的夾角； 3)應(yīng)用像素深淺差異聚類(lèi)分析法進(jìn)行厚度和數(shù)字化的描述，主要利用灰度分割法將灰度等級(jí)分類(lèi)，直觀形象地表示云團(tuán)不同區(qū)域的云團(tuán)質(zhì)量；在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)云團(tuán)動(dòng)態(tài)特征向量，將上述各動(dòng)態(tài)特征構(gòu)成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加以存儲(chǔ)和調(diào)用； 首先判斷云團(tuán)邊界附近的一些虛云，以云團(tuán)的每個(gè)邊界點(diǎn)bi為圓心，設(shè)定以bi為圓心，R為半徑的圓且與云團(tuán)重疊的區(qū)域?yàn)樵茍F(tuán)的邊界區(qū)域，即虛云所在的區(qū)域，以半徑為R的圓，圓心位置沿著云團(tuán)的邊界移動(dòng)一周，此時(shí)所形成的區(qū)域與云團(tuán)的交集即為虛云區(qū)域:
I= {z I (B) z n A ^ Φ } 其中A代表云團(tuán)的點(diǎn)集，(B)Z代表以r為半徑的圓沿云團(tuán)邊界移動(dòng)一周過(guò)后的區(qū)域的點(diǎn)集，I代表云團(tuán)的虛云所在區(qū)域的點(diǎn)集； 然后將剩下的云團(tuán)部分的云團(tuán)質(zhì)量與云團(tuán)的顏色進(jìn)行對(duì)應(yīng)，由此通過(guò)不同的灰度值將云團(tuán)質(zhì)量進(jìn)行量化分析，通過(guò)預(yù)處理得到云團(tuán)的灰度圖，運(yùn)用聚類(lèi)分析將云團(tuán)劃分為幾個(gè)不同的灰度值區(qū)域，通過(guò)連續(xù)幾張?jiān)茍F(tuán)的灰度值劃分區(qū)域分析，預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻云團(tuán)灰度值的基本劃分區(qū)域，再得出云團(tuán)有效遮擋區(qū)域的灰度值，通過(guò)將遮擋面積與對(duì)應(yīng)灰度值進(jìn)行積分處理，最終得出未來(lái)某一時(shí)刻云團(tuán)的遮擋效率，通過(guò)聚類(lèi)分析將云團(tuán)圖劃分幾個(gè)不同的灰度區(qū)域后，利用灰度分割法進(jìn)行云團(tuán)質(zhì)量分區(qū)間表示； 灰度分割法就是以[0，N-1]表示灰度級(jí)，令Vtl代表黑色[f(x，y) = O],并令Vim代表白色[f(x，y)] =N-1 ;假定在[0，N-1]中取M個(gè)點(diǎn)，將這M個(gè)點(diǎn)定義為灰度級(jí)V1, V2,,VM。然后，假定0〈M〈N-1，M個(gè)點(diǎn)就將灰度分為M+1個(gè)區(qū)間S1, S2，...SM+1 ;灰度級(jí)到彩色賦值根據(jù)如下關(guān)系進(jìn)行:
IF:f (x, y) e Sk
THEN:f (x, y) = ck 其中ck是與第k個(gè)灰度區(qū)間Sk對(duì)應(yīng)的顏色，Sk由位于X = k-Ι和X = k區(qū)間定義； 將256個(gè)灰度等級(jí)等分成8個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間里包含32個(gè)灰度等級(jí)，每個(gè)區(qū)間近似對(duì)應(yīng)一種云團(tuán)質(zhì)量,8個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)8個(gè)云團(tuán)質(zhì)量； 4)云團(tuán)特征提取及出力預(yù)測(cè) 通過(guò)云層監(jiān)測(cè)裝置及圖片采集裝置獲取一組時(shí)序云團(tuán)圖，分別在h，t1； t2，...tn_i時(shí)刻拍得，接著結(jié)合上述步驟的算法將h，t1； t2，...tn_i時(shí)刻的云團(tuán)位置、形狀和云團(tuán)質(zhì)量分布情況等信息提取出來(lái)，并預(yù)測(cè)出tn時(shí)刻云團(tuán)所在的位置、形狀和云團(tuán)質(zhì)量分布情況，再結(jié)合對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)造成光伏面板遮擋的有效區(qū)域，確定對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)云團(tuán)與有效區(qū)域的重疊面積大小以及重疊部分的云團(tuán)質(zhì)量分布情況，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算確定對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)下光伏面板的太陽(yáng)福射指數(shù)； 假設(shè)光伏面板總面積為Sy經(jīng)過(guò)計(jì)算未來(lái)時(shí)刻云團(tuán)與有效遮擋區(qū)域的重合面積為Sw?，在重合區(qū)域面積中用η種顏色劃分了 η個(gè)區(qū)域，每種顏色代表一種灰度區(qū)間，進(jìn)而代表一種云團(tuán)質(zhì)量,因此代表了 η種云團(tuán)質(zhì)量，即η種遮擋能力ep e2, e3，...，en, 表示θι到en中的任意一個(gè)，且O≤ei < 1，對(duì)應(yīng)的光伏面板遮擋面積分別為S1, S2, S3,..., Sn ； 設(shè)地面單位面積可接收的最大太陽(yáng)輻射值為Qs，則在云團(tuán)的遮擋下，光伏面板對(duì)應(yīng)遮擋面積為Si區(qū)域接收到的太陽(yáng)輻射量Qi可表達(dá)為:
Qi = QsXSiX (l-ei) 而光伏面板接收的太陽(yáng)輻射指數(shù)可表示為:
其中
有效表示光伏面板接收的太陽(yáng)輻射指數(shù)，范圍為[O，I]，當(dāng)晴天無(wú)遮
擋時(shí)P為1，當(dāng)遮擋能力最強(qiáng)的烏云對(duì)光伏面板造成完全遮擋時(shí)，此時(shí)P為O，介于這兩者之間的部分遮擋P為(O，I)； 5)設(shè)計(jì)獨(dú)立的基于稀疏云團(tuán)動(dòng)態(tài)特征的超短期出力預(yù)測(cè)軟件模塊及其數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，收集包括溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射量等歷史氣象數(shù)據(jù)以及光伏系統(tǒng)歷史輸出功率數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入超短期出力預(yù)測(cè)模塊；在該超短期出力預(yù)測(cè)軟件中通過(guò)處理算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)云團(tuán)的辨識(shí)、特征提取、歷史數(shù)據(jù)的離線訓(xùn)練和在線補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)基于云團(tuán)特征分析的分布式光伏系統(tǒng)超短期出力預(yù)測(cè)。
【文檔編號(hào)】G06T7/60GK104200484SQ201410302095
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】胥芳, 童建軍, 鮑官軍, 張立彬, 張林威, 蔡世波, 馬小龍, 李昆, 胡克用 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)