本發(fā)明涉及光熱電站發(fā)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的直接輻射預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

太陽能集熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電不同，只能利用太陽能直接輻射(DNI)。因此，DNI數(shù)值是太陽能集熱發(fā)電站發(fā)電功率預(yù)測(cè)的首要依據(jù)。太陽直接輻射分布決定了可發(fā)電的最大潛力，它主要受到天文輻射、大氣吸收和地形遮擋影響。

目前，關(guān)于太陽直接輻射數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)主要依靠公式計(jì)算法、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)法等。其中，公式計(jì)算法只能定性的計(jì)算太陽直接輻射數(shù)據(jù)，其精度較低，而數(shù)值天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)法由于計(jì)算量大，且需要較多的觀測(cè)站數(shù)據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供的一種基于常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的直接輻射預(yù)測(cè)方法，該方法克服了季節(jié)變化對(duì)于直接輻射預(yù)測(cè)的影響，解決直接輻射數(shù)據(jù)缺失問題及獲得更準(zhǔn)確的直接輻射數(shù)據(jù)，能夠精確的對(duì)光熱電站未來24小時(shí)的直接輻射進(jìn)行預(yù)測(cè)；相較于單純的公式計(jì)算法精確度更好，而相較于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方法所需的計(jì)算資源較少，且能取得較好的預(yù)測(cè)效果，為光熱電站的發(fā)電功率預(yù)測(cè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；進(jìn)而保證了光熱電站的正常運(yùn)行。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的直接輻射預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

步驟1.根據(jù)天氣類型分類算法，采用優(yōu)選的統(tǒng)計(jì)方法將所述天氣類型分類，得到天氣類型分類模型；

步驟2.根據(jù)所述天氣類型分類模型及歷史直接輻射數(shù)據(jù)，建立天氣類型曲線模型；

步驟3.根據(jù)所述天氣類型曲線模型及輸入常規(guī)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，建立直接輻射預(yù)測(cè)模型，得到未來24小時(shí)的直接輻射預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述步驟1包括：

1-1.根據(jù)直接輻射的大小及變化趨勢(shì)，通過每日均值聚類將天氣類型分為晴云天樣本和陰天樣本；得到晴云天樣本模型及陰天樣本模型；

1-2.在所述晴云天樣本模型中根據(jù)每日差分均值將其分為晴天樣本和晴間多云天樣本，得到晴天樣本模型及晴間多云天樣本模型。

優(yōu)選的，所述1-1包括：

a.對(duì)每日日出日落時(shí)間范圍內(nèi)的輻射數(shù)據(jù)求取每日均值，利用k-均值聚類方法，得到晴天樣本和陰天樣本；

b.根據(jù)所述晴天樣本均值的最小值，得到陰天樣本及晴天樣本的分類極值；進(jìn)而得到晴云天樣本模型及陰天樣本模型。

優(yōu)選的，所述1-2包括：

c.對(duì)每日日出日落時(shí)間范圍內(nèi)的輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，求得到差分值得到每日差分均值Y_j：

式(1)中，X_i+1表示第j日的i+1時(shí)刻的直接輻射值；n代表每日的直接輻射樣本個(gè)數(shù)；X_i表示第j日的i時(shí)刻的直接輻射值；

d.根據(jù)k-均值聚類方法，將每日差分均值進(jìn)行聚類，得到晴天樣本和晴間多云天樣本；

其中，所述k-均值聚類方法是以隨機(jī)選取的k個(gè)樣本作為起始中心點(diǎn)，將除k之外 的其余樣本歸入相似度最高中心點(diǎn)所在的簇，再確立當(dāng)前簇中樣本坐標(biāo)的均值為新的中心點(diǎn)，依次循環(huán)迭代下去，直至所有樣本所屬類別不再變動(dòng)；

e.根據(jù)晴間多云天樣本均值分類的最大值，得到晴天樣本和晴間多云天樣本的分類極值；進(jìn)而得到晴天樣本模型及晴間多云天樣本模型。

優(yōu)選的，所述步驟2包括：

2-1.根據(jù)所述晴天樣本、晴間多云天樣本、陰天樣本的曲線擬合，分別得到晴天樣本、晴間多云天樣本及陰天樣本曲線；

2-2.采用局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑法分別對(duì)所述晴天樣本、晴間多云天樣本及陰天樣本曲線進(jìn)行擬合，建立所述天氣類型曲線模型。

優(yōu)選的，所述2-2中的所述局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑法包括：

f.計(jì)算指定窗口內(nèi)各個(gè)直接輻射數(shù)據(jù)點(diǎn)的初始權(quán)重，權(quán)重函數(shù)一般表達(dá)為數(shù)值之間歐氏距離比值的立方函數(shù)；

g.利用初始權(quán)重進(jìn)行回歸估計(jì)，利用估計(jì)式的殘差定義穩(wěn)健的權(quán)函數(shù)，計(jì)算新的權(quán)重；

h.根據(jù)所述新的權(quán)重，重復(fù)步驟g修正權(quán)函數(shù)，直到第N步后得到收斂的多項(xiàng)式；

i.根據(jù)所述多項(xiàng)式和權(quán)重得到任意點(diǎn)的光滑值。

優(yōu)選的，所述步驟3包括：

3-1.輸入未來24小時(shí)的常規(guī)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述天氣類型分類模型將其分為晴天、晴間多云以及陰天預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；

3-2.根據(jù)所述晴天、晴間多云以及陰天預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)及所述天氣類型曲線模型，建立直接輻射預(yù)測(cè)模型，得到未來24小時(shí)的直接輻射預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

從上述的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供了一種基于常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的直接輻射預(yù)測(cè)方法，根據(jù)天氣類型分類算法，采用優(yōu)選的統(tǒng)計(jì)方法將天氣類型分類，得到天氣類型分類模型；根據(jù)天氣類型分類模型及歷史直接輻射數(shù)據(jù)，建立天氣類型曲線模型；根據(jù)天 氣類型曲線模型及輸入常規(guī)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，建立直接輻射預(yù)測(cè)模型，得到未來24小時(shí)的直接輻射預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。本發(fā)明提出的方法克服了季節(jié)變化對(duì)于直接輻射預(yù)測(cè)的影響，解決了直接輻射數(shù)據(jù)缺失問題及獲得更準(zhǔn)確的直接輻射數(shù)據(jù)，能夠精確的對(duì)光熱電站未來24小時(shí)的直接輻射進(jìn)行預(yù)測(cè)；其計(jì)算精確高且所需的計(jì)算資源較少，且能取得較好的預(yù)測(cè)效果，為光熱電站的發(fā)電功率預(yù)測(cè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；進(jìn)而保證了光熱電站的正常運(yùn)行。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果：

1、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案中，首先利用聚類分析法將歷史直接輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行天氣類型分類，分為晴天、晴間多云、陰天三種類型，而后針對(duì)三種天氣類型分別采用loess回歸進(jìn)行擬合，得到天氣類型曲線模型，最后針對(duì)次日的常規(guī)天氣預(yù)報(bào)結(jié)果，選擇不同的天氣類型曲線模型從而得到次日0-24小時(shí)的直接輻射數(shù)據(jù)；為光熱電站發(fā)電功率預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，根據(jù)天氣類型分類算法，采用優(yōu)選的統(tǒng)計(jì)方法將天氣類型分類，得到天氣類型分類模型；根據(jù)天氣類型分類模型及歷史直接輻射數(shù)據(jù)，建立天氣類型曲線模型；根據(jù)天氣類型曲線模型及輸入常規(guī)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，建立直接輻射預(yù)測(cè)模型，得到未來24小時(shí)的直接輻射預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。本發(fā)明提出的方法克服了季節(jié)變化對(duì)于直接輻射預(yù)測(cè)的影響，解決了直接輻射數(shù)據(jù)缺失問題及獲得更準(zhǔn)確的直接輻射數(shù)據(jù)，能夠精確的對(duì)光熱電站未來24小時(shí)的直接輻射進(jìn)行預(yù)測(cè)；其計(jì)算精確高且所需的計(jì)算資源較少，且能取得較好的預(yù)測(cè)效果，為光熱電站的發(fā)電功率預(yù)測(cè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；進(jìn)而保證了光熱電站的正常運(yùn)行。

3、本發(fā)明提供的技術(shù)方案，應(yīng)用廣泛，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基于常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的直接輻射預(yù)測(cè)方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法中步驟1的流程圖；

圖3是本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法中步驟2的流程圖；

圖4是本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法中步驟3的流程圖；

圖5是本發(fā)明的一種基于常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的直接輻射預(yù)測(cè)方法的具體應(yīng)用例中的使用常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的直接輻射預(yù)測(cè)方法流程框圖；

圖6是本發(fā)明的具體應(yīng)用例中的晴天和陰天的分類結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的直接輻射預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟1.根據(jù)天氣類型分類算法，采用優(yōu)選的統(tǒng)計(jì)方法將天氣類型分類，得到天氣類型分類模型；

步驟2.根據(jù)天氣類型分類模型及歷史直接輻射數(shù)據(jù)，建立天氣類型曲線模型；

步驟3.根據(jù)天氣類型曲線模型及輸入常規(guī)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，建立直接輻射預(yù)測(cè)模型，得到未來24小時(shí)的直接輻射預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

如圖2所示，步驟1包括：

1-1.根據(jù)直接輻射的大小及變化趨勢(shì)，通過每日均值聚類將天氣類型分為晴云天樣本和陰天樣本；得到晴云天樣本模型及陰天樣本模型；

1-2.在晴云天樣本模型中根據(jù)每日差分均值將其分為晴天樣本和晴間多云天樣本，得到晴天樣本模型及晴間多云天樣本模型。

其中，1-1包括：

a.對(duì)每日日出日落時(shí)間范圍內(nèi)的輻射數(shù)據(jù)求取每日均值，利用k-均值聚類方法，得到晴天樣本和陰天樣本；

b.根據(jù)晴天樣本均值的最小值，得到陰天樣本及晴天樣本的分類極值；進(jìn)而得到晴云天樣本模型及陰天樣本模型。

其中，1-2包括：

c.對(duì)每日日出日落時(shí)間范圍內(nèi)的輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，求得到差分值得到每日差分均值Y_j：

式(1)中，X_i+1表示第j日的i+1時(shí)刻的直接輻射值；n代表每日的直接輻射樣本個(gè)數(shù)；X_i表示第j日的i時(shí)刻的直接輻射值；

d.根據(jù)k-均值聚類方法，將每日差分均值進(jìn)行聚類，得到晴天樣本和晴間多云天樣本；

其中，k-均值聚類方法是以隨機(jī)選取的k個(gè)樣本作為起始中心點(diǎn)，將除k之外的其余樣本歸入相似度最高中心點(diǎn)所在的簇，再確立當(dāng)前簇中樣本坐標(biāo)的均值為新的中心點(diǎn)，依次循環(huán)迭代下去，直至所有樣本所屬類別不再變動(dòng)；

e.根據(jù)晴間多云天樣本均值分類的最大值，得到晴天樣本和晴間多云天樣本的分類極值；進(jìn)而得到晴天樣本模型及晴間多云天樣本模型。

如圖3所示，步驟2包括：

2-1.根據(jù)晴天樣本、晴間多云天樣本、陰天樣本的曲線擬合，分別得到晴天樣本、晴間多云天樣本及陰天樣本曲線；

2-2.采用局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑法分別對(duì)晴天樣本、晴間多云天樣本及陰天樣本曲線進(jìn)行擬合，建立天氣類型曲線模型。

其中，2-2中的局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑法包括：

f.計(jì)算指定窗口內(nèi)各個(gè)直接輻射數(shù)據(jù)點(diǎn)的初始權(quán)重，權(quán)重函數(shù)一般表達(dá)為數(shù)值之間歐氏距離比值的立方函數(shù)；

g.利用初始權(quán)重進(jìn)行回歸估計(jì)，利用估計(jì)式的殘差定義穩(wěn)健的權(quán)函數(shù)，計(jì)算新的權(quán)重；

h.根據(jù)新的權(quán)重，重復(fù)步驟g修正權(quán)函數(shù)，直到第N步后得到收斂的多項(xiàng)式；

i.根據(jù)多項(xiàng)式和權(quán)重得到任意點(diǎn)的光滑值。

如圖4所示，步驟3包括：

3-1.輸入未來24小時(shí)的常規(guī)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，并根據(jù)天氣類型分類模型將其分為晴天、晴間多云以及陰天預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；

3-2.根據(jù)晴天、晴間多云以及陰天預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)及天氣類型曲線模型，建立直接輻射預(yù)測(cè)模型，得到未來24小時(shí)的直接輻射預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

如圖5所示，本發(fā)明提供一種基于常規(guī)天氣預(yù)報(bào)的直接輻射預(yù)測(cè)方法的具體應(yīng)用例，包括如下步驟：

首先利用歷史直接輻射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用優(yōu)選的統(tǒng)計(jì)方法對(duì)天氣類型進(jìn)行分類；然后擬合得到不同的天氣類型曲線，最后基于天氣類型對(duì)光熱電站未來24小時(shí)的直接輻射進(jìn)行預(yù)測(cè)。

具體步驟如下：

Step 1:天氣類型分類算法

根據(jù)直接輻射的大小及變化趨勢(shì)，可以將天氣類型分為晴天、陰天和晴間多云天，具體流程為通過每日均值聚類將天氣類型分為晴天和陰天兩類，在晴天樣本中根據(jù)每日差分均值將晴天樣本進(jìn)一步分為晴天和晴間多云天。

1)晴天、陰天分類算法

由于晴天(包含晴間多云天)和陰天直接輻射的主要區(qū)別在于輻射值的大小，因此采取對(duì)每日日出日落時(shí)間范圍內(nèi)的輻射數(shù)據(jù)求取每日均值，利用k-均值聚類方法，得到兩個(gè)類別，晴天和陰天，通過晴天樣本均值的最小值，得到陰天、晴天的分類極值，即如果某日的輻射均值小于該值，則當(dāng)日為陰天，否則為晴天。

2)晴天、晴間多云天分類算法

晴天和晴間多云直接輻射的主要區(qū)別則在于輻射的變化趨勢(shì)上，因此采取對(duì)每日日出日落時(shí)間范圍內(nèi)的輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，而后求這些差分值得到每日差分均值，如下式所示，利用k-均值聚類方法，將每日差分均值進(jìn)行聚類后，得到兩個(gè)類別，晴天和晴間多云天，通過晴間多云天樣本均值分類的最大值，得到晴天和晴間多云天的分類標(biāo)準(zhǔn)，即如果某日的均值大于該值，則當(dāng)日為晴間多云天，否則為晴天。

其中X_i+1表示第j日的i+1時(shí)刻的直接輻射值，n代表每日的直接輻射樣本個(gè)數(shù)，Y_j代表第j日的差分均值。

其中k-均值聚類方法的主要思想是以隨機(jī)選取的k(預(yù)設(shè)樣本類別，這里選擇2)個(gè)樣本作為起始中心點(diǎn)，將其余樣本歸入相似度最高中心點(diǎn)所在的簇，再確立當(dāng)前簇中樣本坐標(biāo)的均值為新的中心點(diǎn)，依次循環(huán)迭代下去，直至所有樣本所屬類別不再變動(dòng)；其中，聚類結(jié)果如圖6所示；其中，圓圈代表晴天，方塊代表陰天。

Step 2:基于天氣類型的曲線擬合

通過晴天、晴間多云天、陰天的曲線擬合，可以得到三種類型的天氣曲線，采用局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑法(loess回歸)分別對(duì)三種曲線進(jìn)行擬合。

loess回歸類似于移動(dòng)平均技術(shù)，是在指定的窗口之內(nèi)，每一點(diǎn)的數(shù)值都用窗口內(nèi)臨近的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)回歸得到線性方程，該方法包括以下步驟：

1)計(jì)算指定窗口內(nèi)各個(gè)直接輻射數(shù)據(jù)點(diǎn)的初始權(quán)重，權(quán)重函數(shù)一般表達(dá)為數(shù)值之間歐氏距離比值的立方函數(shù)；

2)利用初始權(quán)重進(jìn)行回歸估計(jì)，利用估計(jì)式的殘差定義穩(wěn)健的權(quán)函數(shù)，計(jì)算新的權(quán)重；

3)利用新的權(quán)重重復(fù)步驟2，不停的修正權(quán)函數(shù)，第N步收斂后可根據(jù)多項(xiàng)式和權(quán)重得到任意點(diǎn)的光滑值。

Step 3:本發(fā)明所提出未來24小時(shí)直接輻射預(yù)測(cè)模型

1)根據(jù)當(dāng)日直接輻射數(shù)據(jù)使用step1方法判斷其天氣類型。

2)采用step2方法擬合該日直接輻射曲線。

3)獲取次日常規(guī)天氣預(yù)報(bào)，將其分為晴天、晴間多云以及陰天，根據(jù)不同天氣類型，選擇臨近該日的直接輻射擬合曲線，得到次日0-24小時(shí)直接輻射預(yù)測(cè)結(jié)果。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，而這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。