一種基于相位相關(guān)原理的天空圖像云團運動速度計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像處理和光伏功率預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于相位相關(guān)原理 的天空圖像云團運動速度計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光伏發(fā)電與風力發(fā)電一樣均屬于波動性和間歇性電源，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受光照 強度和環(huán)境溫度等氣候因素的影響，其輸出功率的變化具有不確定性，輸出功率的擾動將 有可能影響電網(wǎng)的穩(wěn)定，因此，需要加強光伏發(fā)電功率預(yù)測的研宄，預(yù)先獲得光伏發(fā)電系統(tǒng) 的曰發(fā)電量曲線，從而協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)制定發(fā)電計劃，減少光伏發(fā)電的隨機化問題對電力系 統(tǒng)的影響。使用蓄電池來穩(wěn)定光伏發(fā)電功率輸出是一種可行的方法，但需要追加成本，而且 廢舊蓄電池還會導致環(huán)境污染。因此需要對光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率進行準確預(yù)測，以便了解 大規(guī)模的太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電運行特性以及與電網(wǎng)調(diào)度、電力負荷等的配合問題這 樣有助于整個電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行，從而減少光伏發(fā)電隨機性對電力系統(tǒng)的影響，提高 系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。因此對光伏系統(tǒng)進行功率預(yù)測是很有必要的。
[0003] 準確的光伏功率預(yù)測能夠為電網(wǎng)調(diào)度決策行為提供依據(jù)，并為多種電源時空互補 與協(xié)調(diào)控制提供支撐，可降低旋轉(zhuǎn)備用容量和運行成本，對保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、促進電網(wǎng) 的優(yōu)化運行具有重要意義。目前，光伏發(fā)電功率預(yù)測主要包括針對未來72小時的短期預(yù)測 和針對未來4小時的超短期預(yù)測兩個時間尺度，時間分辨率均為15分鐘。在光伏發(fā)電功率 分步預(yù)測方法中，對于短期預(yù)測和更長時間尺度的中期預(yù)測，一般采用以數(shù)值天氣預(yù)報數(shù) 據(jù)為輸入的輻照度預(yù)測模型；對于針對未來4小時的超短期預(yù)測，則多采用基于衛(wèi)星云圖 和智能模型的輻照度預(yù)測方法。
[0004] 地表輻照度預(yù)測是光伏發(fā)電功率分步預(yù)測的首要環(huán)節(jié)，其準確性是保證功率預(yù)測 精度的關(guān)鍵。然而多云天氣下地表輻照度受云團生消與運動的影響，其變化呈現(xiàn)出隨機、快 速、劇烈的特點，變化速率達分鐘級，波動范圍高達對應(yīng)晴空數(shù)值的80%，這種情況下現(xiàn)有 方法預(yù)測誤差很大，預(yù)測結(jié)果不能使用。由以上分析可知，未直接考慮云團的快速、復雜運 動和過低的時間分辨率（15分鐘）是造成現(xiàn)有方法多云條件下預(yù)測精度急劇下降的主要原 因。此外，15分鐘的時間分辨率也不能滿足電網(wǎng)實時調(diào)度的需求。因此，為了提高多云天氣 下的預(yù)測精度，須針對天空中的云團進行直接觀測以獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，研宄高時間分辨率下 (分鐘級）對云團運動進行準確追蹤與位置預(yù)測的方法。
[0005] 云團位移的計算與預(yù)測目前多采用分割匹配方法，即首先將天空圖像分割為多個 區(qū)域，然后再針對相鄰兩幅圖像的每個區(qū)域進行匹配，得到兩幅天空圖像間的云團位移后， 再采用線性外推預(yù)測下一時刻云團位置，這樣的計算方法計算過程復雜，計算結(jié)果準確性 差，預(yù)測結(jié)果與實際情況存在較大的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于相位相關(guān)原理的天空圖像云團運動速度計算方 法，實現(xiàn)對云團運動速度的快速準確計算，為光伏發(fā)電功率分鐘級預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。
[0007] 其特征在于：所述方法包括以下步驟：
[0008] 步驟一，獲取&時刻天空圖像為初始圖像，獲取經(jīng)一段時間At后的12時刻的圖 像為位移圖像；
[0009] 步驟二，分別提取所述初始圖像與位移圖像的灰度矩陣；
[0010] 步驟三，經(jīng)二維傅里葉變換獲取所述初始圖像與位移圖像的圖像頻譜；
[0011] 步驟四，計算所述初始圖像與位移圖像的互功率譜及其傅里葉逆變換響應(yīng)矩陣， 并進行坐標位置變換；
[0012] 步驟五，提取響應(yīng)矩陣尖峰脈沖坐標為云團位移矢量；
[0013] 步驟六，根據(jù)云團位移及圖像時間間隔計算云團運動速度。
[0014] 優(yōu)選地，所述初始圖像為光伏電站地基天空圖像。
[0015] 優(yōu)選地，步驟二中，所述初始圖像的灰度值矩陣為fiO^y)，所述位移圖像的灰度 值矩陣為f2(x，y);
[0016] 所述步驟三中通過二維傅里葉變換獲取所述圖像頻譜的方法為：
[0017] 設(shè)圖像分辨率為MXN，灰度值矩陣為f(x，y)，則其二維傅里葉變換過程為：
[0018]
【主權(quán)項】
1. 一種基于相位相關(guān)原理的天空圖像云團運動速度計算方法，其特征在于，所述方法 包括以下步驟： 步驟一，獲取時刻天空圖像為初始圖像，獲取經(jīng)一段時間△t后的12時刻的圖像為 位移圖像； 步驟二，分別提取所述初始圖像與位移圖像的灰度矩陣； 步驟三，經(jīng)二維傅里葉變換獲取所述初始圖像與位移圖像的圖像頻譜； 步驟四，計算所述初始圖像與位移圖像的互功率譜及其傅里葉逆變換響應(yīng)矩陣； 步驟五，提取響應(yīng)矩陣尖峰脈沖所在坐標為75：團位移矢量； 步驟六，根據(jù)云團位移及圖像時間間隔計算云團運動速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相位相關(guān)原理的天空圖像云團運動速度計算方法， 其特征在于：所述初始圖像與位移圖像為光伏電站地基天空圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相位相關(guān)原理的天空圖像云團運動速度計算方法， 其特征在于： 步驟二中，所述初始圖像的灰度值矩陣為所述位移圖像的灰度值矩陣為f2(x,y)； 所述步驟三中通過二維傅里葉變換獲取所述圖像頻譜的方法為： 設(shè)圖像分辨率為MXN，灰度值矩陣為f(X，y)，則其二維傅里葉變換過程為：
u= 0, 1，…，M_l，v= 0, 1，…，N-1 其中x、y為時域變量，u、v為頻域變量，j為虛數(shù)單位； 通過上述二維傅里葉變換過程獲得所述初始圖像與位移圖像的頻譜分別為匕(u，v)和F2 (u，v) 〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于相位相關(guān)原理的天空圖像云團運動速度計算方法， 其特征在于： 所述步驟四中計算所述初始圖像與位移圖像的互功率譜的計算公式為：
其中和/^(￥)為Fju,v)和Fju,v)的共軛復數(shù)； 其傅里葉逆變換響應(yīng)矩陣為FlChv)]，計算公式為：
x= 0, 1，…，M_l，y= 0, 1，…，N-1 其中x、y為時域變量，u、v為頻域變量，j為虛數(shù)單位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于相位相關(guān)原理的天空圖像云團運動速度計算方法， 其特征在于：所述步驟四中還包括坐標變換步驟，所述坐標變換步驟中的坐標變換方法為： 將響應(yīng)矩陣FlChv)]平均分成左上、右上、左下、右下四部分，并對調(diào)左上與右下部分 及左下與右上部分的位置，從而將左上角坐標原點移到中心位置，位置變換后響應(yīng)矩陣為 S(X，y)〇
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于相位相關(guān)原理的天空圖像云團運動速度計算方法， 其特征在于： 所述步驟五中提取位移矢量的過程為：以矩陣S(x，y)中心位置為原點（0,0)，水平方 向為x軸，與x軸垂直方向為y軸，提取響應(yīng)矩陣中位于最高點的響應(yīng)脈沖信號點的二維坐 標Umyd)作為位移圖像中云團相對于初始圖像中云團的位移值； 所述步驟六中根據(jù)云團位移及圖像時間間隔計算云團運動速度的過程為：
〇
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于相位相關(guān)原理的天空圖像云團運動速度計算方法，所述方法包括以下步驟：步驟一，分別獲取天空圖像的初始圖像和位移圖像；步驟二，分別生成所述初始圖像與位移圖像的灰度矩陣；步驟三，經(jīng)二維傅里葉變換獲取所述初始圖像與位移圖像的圖像頻譜；步驟四，計算初始圖像與位移圖像的互功率譜及其傅里葉逆變換響應(yīng)矩陣；步驟五，提取響應(yīng)矩陣尖峰脈沖坐標為云團位移矢量；步驟六，根據(jù)云團位移及圖像時間間隔計算云團運動速度。本發(fā)明運算流程簡單直接，能大大降低云團位移預(yù)測的耗時；能夠更有效地識別圖像中云團的整體運動情況，并且由于互功率譜計算中的歸一化處理，對于全局圖像噪聲具有更高的魯棒性。
【IPC分類】G06T7-20
【公開號】CN104778728
【申請?zhí)枴緾N201510220557
【發(fā)明人】王飛, 甄釗, 李康平, 米增強
【申請人】華北電力大學（保定）
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年5月4日