一種區域地表輻照度分布預測方法
2023-07-13 01:04:36 1
一種區域地表輻照度分布預測方法
【專利摘要】本發明涉及一種區域地表輻照度分布預測方法，用於確定未來1小時內分鐘級地表輻照度區域分布預測；所述方法包括以下步驟：局地雲底局度的確定；地基z?圖圖像處理；區域地表fe照度分布預測。本發明提出了利用地面常規氣象觀測數據計算雲底高度，結合地基雲圖數據，實現局地範圍內地表輻射及光伏功率預測，擺脫了傳統方法對Z?底局度觀測的依賴性，提局了在無ZJlW]儀條件下雲團位置和大小的計算準確性，以及光伏電站光伏電站水平面總輻照度預測準確度。
【專利說明】一種區域地表輻照度分布預測方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種區域地表輻照度分布預測方法，更具體涉及一種結合雲底高度計 算和地基雲圖處理的區域地表輻照度分布預測方法。
【背景技術】：
[0002] 隨著大規模光伏發電併網容量的迅速增加，光伏發電的隨機性和波動性對電力系 統的安全運行、調度和控制造成日益嚴重的影響。為減少光伏不確定性對電網帶來的危害， 提高太陽能的利用效率，首先需要對光伏發電功率進行準確地預測。
[0003] 光伏功率預測的一個前提條件是準確的地表輻照度預測，而目前主流的地表輻照 度預測主要採用兩種方法，一種是基於統計和機器學習算法的預測方法，另一種是基於天 氣預報的預測方法。這兩種方法在晴天條件下都能較準確的預報地表輻照度，但在多雲、陰 雨天氣下，由於無法得到局地天空雲團分布信息和運動趨勢，因此不能準確預測出由於雲 的遮擋效應導致的地表輻照度和光伏功率突變。
[0004] 為了克服以上預測方法的缺陷，近年來學術界提出了基於地基雲圖的地表輻射和 光伏功率預測方法。該方法根據實時拍攝的地基雲圖圖像進行雲團識別和運動趨勢預測， 可準確預測雲團對地表輻射的衰減。但是，現有算法對雲底高度信息的獲取依賴於雲高儀 的觀測。在沒有雲高儀觀測數據的情況下，現有算法無法獲得實時雲底高度信息，只能利用 統計平均值或者經驗值來替代，造成雲團大小計算不準確，無法準確得到雲團陰影在地面 的大小和位置等信息。故提出一種區域地表輻照度分布預測方法克服上述問題。
【發明內容】
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[0005] 本發明的目的是提供一種區域地表輻照度分布預測方法，該方法擺脫了傳統方法 對雲底高度觀測的依賴性，提高了在無雲高儀條件下雲團位置和大小的計算準確性，以及 光伏電站光伏電站水平面總輻照度預測準確度。
[0006] 為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種區域地表輻照度分布預測方法， 該方法用於確定未來1小時內分鐘級地表輻照度區域分布預測；所述方法包括以下步驟：
[0007] (1)局地雲底高度的確定；
[0008] (2)地基雲圖圖像處理；
[0009] (3)區域地表輻照度分布預測。
[0010] 本發明提供的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟（1)的 確定包括以下步驟：
[0011] (1-1)獲取光伏電站實時氣象觀測數據；
[0012] (1-2)確定未來1小時內地面氣溫、相對溼度和地面氣壓的平均值；
[0013] (1-3)確定氣團位溫和在近地面的比溼；
[0014] (1-4)確定抬升凝結高度的氣溫、飽和水汽壓和飽和比溼；
[0015] (1-5)抬升凝結高度的氣壓；
[0016] (1-6)確定抬升凝結高度值。
[0017] 本發明提供的一種區域地表輻照度分布預測方法，所述步驟（1-1)中的數據包括 地面氣溫T、地面相對溼度RH、地面氣壓P ;剔除其中的缺測數據、不合理數據記錄；所述數 據合理範圍定義為：地面氣溫範圍-55°C?50°C，相對溼度範圍0%?100%，地面氣壓範圍 600hPa ?1050hPa。
[0018] 本發明提供的另一優選的一種區域地表輻照度分布預測方法，所述步驟（1-2)中 的地面氣溫、相對溼度和地面氣壓的平均值通過下式（1)一（3)確定：
【權利要求】
1. 一種區域地表輻照度分布預測方法，該方法用於確定未來1小時內分鐘級地表輻照 度區域分布預測；其特徵在於：所述方法包括以下步驟： (1) 局地雲底高度的確定； (2) 地基雲圖圖像處理； (3) 區域地表輻照度分布預測。
2. 如權利要求1所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟（1) 的確定包括以下步驟： (1-1)獲取光伏電站實時氣象觀測數據； (1-2)確定未來1小時內地面氣溫、相對溼度和地面氣壓的平均值； (1-3)確定氣團位溫和在近地面的比溼； (1-4)確定抬升凝結高度的氣溫、飽和水汽壓和飽和比溼； (1-5)抬升凝結高度的氣壓； (1-6)確定抬升凝結高度值。
3. 如權利要求2所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (1-1)中的數據包括地面氣溫T、地面相對溼度RH、地面氣壓P ;剔除其中的缺測數據、不合 理數據記錄；所述數據合理範圍定義為：地面氣溫範圍-55°C?50°C，相對溼度範圍0%? 100%，地面氣壓範圍600他&?1050詘&。
4. 如權利要求2所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (1-2)中的地面氣溫、相對溼度和地面氣壓的平均值通過下式（1)一（3)確定：
(1) (2) ⑴ 其中，TS、RHS、PS分別表示未來1小時內的地面氣溫、相對溼度和地面氣壓的平均值，1\、 RHp Pi為未來1小時內第i個有效觀測地面氣溫、相對溼度、地面氣壓值，N為未來1小時 內有效氣象觀測樣本個數； 所述步驟（1-3)中的氣團位溫通過下式（6)確定：
(4) 所述在近地面的比溼通過下式（5)和（6)確定：
(5)
(6) 其中，es為近地面水汽壓強，qs為在近地面的比溼。
5. 如權利要求4所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (1-4)中的飽和比溼通過下式（7)確定：
(7) 所述飽和水汽壓通過下式（8)確定：
C8) 所述抬升凝結高度的氣溫通過下式（9)確定：
(9) 其中，為所述步驟α-5)中抬升凝結高度的氣壓並根據查算表，由地面觀測到的位 溫和比溼得到； 所述查算表通過比溼qs關於位溫和的函數表達式（10)確定； qs = F (9. pLCl) do) 對Θ按照0. Γ間隔和按照〇. lhPa間隔建立查算表，計算對應qs，再利用計算得 到的1和Θ，內插得到關於1\&的查算表，如下式（11):
6. 如權利要求5所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (1-6)中的確定抬升凝結高度值通過下式（11)確定：
(11) 其中，R為空氣氣體常數。
7. 如權利要求1所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟（2) 的處理過程包括以下步驟： (2-1)確定地基雲圖天頂點的坐標； (2-2)對天空外圍圖像進行過濾； (2-3)遮擋信息復原。
8. 如權利要求1所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (2-1)中的坐標通過下式（12)確定：
(12) 其中，在地基雲圖圖像上作出天空圓盤區域上、下、左、右邊界的橫向、縱向切線，得到 圓盤區域在X、Y方向上的邊界坐標分別為χρ x2, yp y2; 所述步驟（2-2)中的過濾過程為：以雲圖天頂點為圓心作圓，以需要剔除的物體的最 大半徑作為半徑，記為Rmax，將距離天頂點大於Rmax的像素點RGB顏色賦值為[0, 0, 0]，進行 過濾。
9. 如權利要求1所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (2-3)遮擋信息復原採用線性插值的方式進行； 所述線性插值的方式為：首先對圖像中的直線型物體進行邊緣識別，並確定物體長邊 的中心線；分別對垂直於中心線的遮擋物體兩側邊緣5個像素值求平均，記為Ai和A2 ;SAX 為4和A2中間的某一點像素值，則有：
(13) 其中，h和12分別為Ax到&和A2的距離。
10. 如權利要求1所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (1-3)中的預測過程包括以下步驟： (3-1)地基雲圖分類型雲團的識別； (3-2)雲團地面陰影坐標的確定； (3-3)雲輻射衰減係數的率定； (3-4)雲團陰影運動的預測； (3-5)區域地表水平面輻照度分布預測。
11. 如權利要求10所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (3-1)中的識別過程為： 對雲圖圖像中的各像素點，計算其歸一化紅藍比值R :
(14) 其中，b為像素藍色通道亮度值；r為像素紅色通道亮度值； 對透光雲和不透光雲分別設定紅藍比閾值11_和nthin，即對天空的像素類型進行識 別：
(15) 所述步驟（3-2)中坐標的確定過程為： 設雲團中任一點P的天頂角為α，方位角為Y，則該點在以成像儀為原點的局地直角 坐標系中的坐標（Χ(ι，％)為：
(1( 得到垂直投影坐標後，根據該時刻的太陽天頂角Θ和方位角Φ，計算該點在地面的陰 影坐標（Xs，ys)為：
(17) 其中，Η為利用經雲團分類識別後的地基雲圖圖像和局地雲底高度。
12. 如權利要求11所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (3-3)中的係數的率定過程為： 根據地面總輻射計歷史記錄、對應時段、對應地點的雲團遮擋狀態和雲團類型，統計得 到不同類型雲團對水平面總輻照度的衰減係數； 通過下式（18)確定該時段對應總輻射觀測時刻的晴空總輻照度: I clear - Cll T0A+C2 It〇A+C3 (丄8) 其中，I?為大氣層頂切平面太陽輻射度，Ci、C2、c3為統計擬合參數，通過晴天條件下地 表總輻照度和對應的Ιτω進行多項式擬合得到； 按照遮擋狀態對地面總輻照度觀測記錄和晴空總輻照度進行篩選，通過下式（19)確 定各時刻的透光雲和不透光雲輻照度衰減係數：
(19) 對以上各時刻結果求平均，得到平均輻照度衰減係數：
(20) 其中，IMal為區域地表水平面輻照度分布預測，i為第i個有效數據，Κ為透光雲遮擋 的有效樣本個數，N2為不透光遮擋的有效樣本個數。
13. 如權利要求12所述的一種區域地表輻照度分布預測方法，其特徵在於：所述步驟 (3-4)中的雲團陰影運動的預測過程為； 根據相鄰兩張地基雲圖的雲團陰影位置變化，計算得到t時刻雲團陰影的運動速度：
C21) 利用t時刻雲團陰影速度線性外推，得到t+Ι時刻的雲團陰影位置為：
(22) 其中，At為相鄰兩張雲圖拍攝時刻的時間差； 所述步驟（3-5)中的區域地表水平面輻照度分布預測過程為： 根據晴天條件下地面輻照度、透光雲總輻射衰減係數dthiI^P不透光雲總輻射衰減 率，結合雲團陰影位置預測，得到區域地表水平面輻照度分布預測：
(23)。
【文檔編號】G06Q10/04GK104217259SQ201410475672
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】丁宇宇, 周海, 陳志寶, 丁傑, 崔方, 朱想, 程序, 王知嘉, 曹瀟, 譚志萍, 於炳霞, 周強, 丁煌 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院, 國網甘肅省電力公司