本發(fā)明屬于太陽能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向光伏發(fā)電的地基云圖云層跟蹤及預(yù)警方法。

背景技術(shù)：

太陽能作為一種新興的可再生能源，具有清潔、環(huán)保等巨大優(yōu)勢，因此得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。太陽能光伏發(fā)電是一種直接暴露在太陽光下產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置，由于結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，光伏利用成為太陽能開發(fā)利用中最重要的應(yīng)用形式。

光伏發(fā)電裝置的輸出功率主要受到云層覆蓋的影響。當(dāng)云層遮蔽太陽時(shí)，輸出功率驟然降低；云層離開太陽范圍時(shí)，輸出功率重新回升。由于云層的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致輸出功率來回產(chǎn)生波谷和波峰，給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了很大的震蕩和沖擊，這種間歇性和波動(dòng)性對電網(wǎng)和用電設(shè)備在安全性造成了一定的威脅，因此對于云層的運(yùn)動(dòng)分析和預(yù)警至關(guān)重要。

由于云的種類多樣、不定向性等特點(diǎn)，并且受到風(fēng)力因素影響，在運(yùn)動(dòng)過程中甚至可能發(fā)生消散、重組等情況，因此對于實(shí)際復(fù)雜情況下云層運(yùn)動(dòng)的分析成為云層運(yùn)動(dòng)跟蹤領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)性難題。

申請?zhí)枮?01210352973.2的中國發(fā)明專利文獻(xiàn)“一種面向光伏功率預(yù)測的云團(tuán)運(yùn)動(dòng)預(yù)估方法”公開了一種通過云圖圖像預(yù)處理、檢測標(biāo)注云團(tuán)、提取云團(tuán)質(zhì)心，來預(yù)估云團(tuán)運(yùn)動(dòng)的方法。該方法能實(shí)現(xiàn)對大塊云團(tuán)運(yùn)動(dòng)的預(yù)估，從而對光伏電站的短期時(shí)間進(jìn)行功率的預(yù)測。

申請?zhí)枮?01510213228.3的中國發(fā)明專利文獻(xiàn)“一種基于地基云圖的云團(tuán)移動(dòng)預(yù)測方法”公開了一種對云團(tuán)區(qū)域圖像依次進(jìn)行云團(tuán)匹配、移動(dòng)預(yù)測和面積校正的方法，基于云團(tuán)計(jì)算位移矢量和云團(tuán)面積伸縮系數(shù)來預(yù)估云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)趨勢，預(yù)測光伏發(fā)電站的短期功率。

云屬于柔性物體，實(shí)際情況其形狀易受到風(fēng)力等因素的影響而發(fā)生形變，導(dǎo)致上述預(yù)估方法的準(zhǔn)確性大大降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和云層運(yùn)動(dòng)時(shí)可能發(fā)生消散、重組等情況，本發(fā)明公開了面向光伏發(fā)電的地基云圖云層跟蹤及預(yù)警方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對于云層的跟蹤、運(yùn)動(dòng)分析，并且結(jié)合實(shí)際太陽的位置，發(fā)出預(yù)警信息，具有高穩(wěn)定性和預(yù)測精度高等優(yōu)點(diǎn)。

一種面向光伏發(fā)電的地基云圖云層跟蹤及預(yù)警方法，包括如下步驟：

(1)針對采集的當(dāng)前幀云層圖像進(jìn)行預(yù)處理，確定太陽圓心；

(2)以太陽圓心為中心劃定設(shè)立一級警戒區(qū)域、二級警戒區(qū)域，一級警戒區(qū)域是大范圍區(qū)域，二級警戒區(qū)域是小范圍區(qū)域(靠近太陽區(qū)域)；

(3)計(jì)算云層的運(yùn)動(dòng)信息，得到云層像素點(diǎn)、云層像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度；

(4)對得到云層像素點(diǎn)，判斷云層像素點(diǎn)是否進(jìn)入一級警戒區(qū)域，若進(jìn)入一級警戒區(qū)域，計(jì)算一級警戒區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)云層像素點(diǎn)Q的向心距離D；若未進(jìn)入一級警戒區(qū)域，則表明云層暫時(shí)遠(yuǎn)離太陽，不發(fā)出警報(bào)；

(5)統(tǒng)計(jì)滿足條件D＞T₂的云層像素點(diǎn)的集合M，其中T₂為預(yù)設(shè)的閾值；

(6)針對云層像素點(diǎn)的集合M，標(biāo)記云層團(tuán)個(gè)數(shù)，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)云層團(tuán)內(nèi)的云層像素點(diǎn)個(gè)數(shù)N；

(7)若云層像素點(diǎn)個(gè)數(shù)N小于T₃，則表明現(xiàn)在這塊云層團(tuán)屬于小云層團(tuán)，可能對太陽會(huì)有遮蔽情況，不過總體對光伏發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，不發(fā)出警報(bào)。對于云層點(diǎn)個(gè)數(shù)N大于設(shè)定的閾值T₃的云層團(tuán)，判斷是否進(jìn)入二級警戒區(qū)域，若進(jìn)入二級警戒區(qū)域，則發(fā)出警報(bào)，同時(shí)預(yù)估計(jì)算出該云層團(tuán)即將到達(dá)時(shí)間；若未進(jìn)入二級警戒區(qū)域，則表明該云層團(tuán)的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)偏離太陽方向，不會(huì)發(fā)生遮蔽情況。

作為優(yōu)選，步驟(1)中，所述預(yù)處理包括灰度化、二值化。灰度化、二值化可采用現(xiàn)有的算法處理。

作為優(yōu)選，步驟(1)中，確定太陽圓心的方法包括：對經(jīng)過灰度化、二值化后的云層圖像，利用八方向鏈碼提取出所有連通域，根據(jù)連通域的最小外接矩形的長和寬篩選出太陽遮擋板對應(yīng)的連通域，所述太陽的圓心就是太陽遮擋板對應(yīng)的連通域的質(zhì)心。本發(fā)明中，設(shè)置時(shí)，太陽遮擋板中心正對太陽中心。

作為優(yōu)選，所述一級警戒區(qū)域、二級警戒區(qū)域?yàn)榘霃讲煌耐膱A形區(qū)域，其中一級警戒區(qū)域的半徑大于二級警戒區(qū)域的半徑。選擇同心圓形區(qū)域方便了計(jì)算，提高了本發(fā)明的運(yùn)行效率。

作為優(yōu)選，步驟(3)中，采用稠密光流法計(jì)算云層的運(yùn)動(dòng)信息。

作為優(yōu)選，步驟(3)中，利用Gunnar Farneback方法求解稠密光流目標(biāo)函數(shù)，從而得到云層的運(yùn)動(dòng)信息。

作為優(yōu)選，步驟(4)中，對判斷為進(jìn)入的一級警戒區(qū)域的云層像素點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，比如可以利用顏色進(jìn)行標(biāo)記，以提高本發(fā)明的跟蹤及預(yù)警方法的人性化。

作為優(yōu)選，步驟(6)中，針對云層像素點(diǎn)的集合M，判斷云層像素點(diǎn)是否屬于一個(gè)云層團(tuán)的方法為：計(jì)算相鄰兩個(gè)云層像素點(diǎn)之間的距離，當(dāng)距離小于設(shè)定閾值要求時(shí)，則判定該相鄰兩個(gè)云層像素點(diǎn)屬于同一個(gè)云層圖，否則，屬于不同的云層團(tuán)；依次對所有云層像素點(diǎn)進(jìn)行判斷。

作為優(yōu)選，步驟(7)中，對進(jìn)入二級警戒區(qū)域的云層像素點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，比如可以利用顏色進(jìn)行標(biāo)記，以進(jìn)一步提高本發(fā)明的跟蹤及預(yù)警方法的人性化，同時(shí)提高跟蹤及預(yù)警效果。

作為優(yōu)選，步驟(7)中，計(jì)算出該云層團(tuán)將到達(dá)太陽區(qū)域的時(shí)間T：

其中N為該云層團(tuán)的云層像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，D_i是該云層團(tuán)的每個(gè)云層像素點(diǎn)的向心距離，t為當(dāng)前幀云層圖像在步驟(3)中計(jì)算稠密光流算法消耗的時(shí)間，D_OP為太陽圓心和云層像素點(diǎn)P之間的距離。

針對云層在運(yùn)動(dòng)過程會(huì)發(fā)生重組和分裂等云層多變的特性，本發(fā)明對于判斷進(jìn)入一級警戒區(qū)域的云層像素點(diǎn)進(jìn)行云層團(tuán)標(biāo)記，進(jìn)一步確認(rèn)云層重組后的云團(tuán)信息，進(jìn)一步提高遮蔽云團(tuán)預(yù)警的準(zhǔn)確度，提高預(yù)警效果。

同時(shí)本發(fā)明通過劃定設(shè)立一、二級圓形警戒區(qū)域來判斷對于太陽的遮蔽情況，能夠有效地對云層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析、預(yù)估，計(jì)算云層團(tuán)達(dá)到時(shí)間，從而達(dá)到預(yù)警效果。

本發(fā)明公開的面向光伏發(fā)電的地基云圖云層跟蹤及預(yù)警方法，針對云層的不定向性，易于形變特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)過程可能發(fā)生重組、消散情況，實(shí)現(xiàn)了對云層的跟蹤，運(yùn)動(dòng)信息的分析和預(yù)警，從而判斷出對太陽的遮蔽情況，是否對光伏發(fā)電產(chǎn)生影響。本方法能夠較好的對地基云圖的云層進(jìn)行跟蹤、運(yùn)動(dòng)信息分析和預(yù)警，穩(wěn)定性高，為面向光伏發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)警提供了較好的思路和方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的步驟流程示意圖。

圖2為計(jì)算向心距離舉例示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，面向光伏發(fā)電的地基云圖云層跟蹤及預(yù)警方法，包括如下步驟：

(1)圖像預(yù)處理：針對每幀云層圖像(可由安裝在光伏發(fā)電裝置上的同步相機(jī)實(shí)時(shí)采集獲得)進(jìn)行圖像預(yù)處理：灰度化、二值化：

圖像灰度化：

f(i,j)＝0.3R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j)(1)

圖像二值化：

其中f(i,j)和g(i,j)分別表示云層圖像對應(yīng)的灰度圖和二值圖，R(i,j),G(i,j),B(i,j)表示云層圖像RGB通道分離后的三種圖像，T₁表示設(shè)定的二值化閾值，i,j分別是云層圖像上某一像素點(diǎn)的坐標(biāo)；

(2)篩選太陽遮擋板對應(yīng)的連通域：圖像經(jīng)過灰度化、二值化后，根據(jù)八方向鏈碼提取出連通域，根據(jù)連通域的最小外接矩形的長和寬篩選(選取長和寬最大的那個(gè)連通域作為太陽遮擋板對應(yīng)的連通域)出太陽遮擋板對應(yīng)的連通域：

Height＝max[dis(C_m,C_n)] (3)

Width＝max[dis(C_m,C_n)] (4)

其中C_m和C_n是在連通域上同一列或行的兩個(gè)像素點(diǎn)，Height為太陽遮擋板的連通域的高度值(或長度值)，Width為太陽遮擋板連通域的寬度值；max[]為取最大值函數(shù)；dis(C_m,C_n)表示求解像素點(diǎn)C_m和C_n之間的距離的函數(shù)；

(3)確定太陽的圓心O：太陽的圓心就是太陽遮擋板對應(yīng)的連通域的質(zhì)心，質(zhì)心公式如下：

其中a₀和a分別為太陽遮擋板對應(yīng)的連通域的起始行和結(jié)束行，b₀和b分別為太陽遮擋板對應(yīng)的連通域的起始列和結(jié)束列，n為太陽遮擋板對應(yīng)的連通域內(nèi)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，x₀和y₀分別為太陽的圓心O的坐標(biāo)；x_i,y_i分別為太陽遮擋板對應(yīng)的連通域內(nèi)像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；

(4)劃定設(shè)立圓形警戒區(qū)域：以點(diǎn)O為圓心，R₁為半徑建立一級警戒區(qū)域，同樣以點(diǎn)O為圓心，R₂為半徑建立二級警戒區(qū)域(R₁＞R₂)。一級警戒區(qū)域?yàn)榇蠓秶鷧^(qū)域，二級警戒區(qū)域?yàn)樾》秶拷枀^(qū)域；R₁、R₂需要根據(jù)采集圖像的相機(jī)的參數(shù)確定，保證R₁值小于等于其所采集的云層圖像的最小內(nèi)接圓半徑；

(5)通過稠密光流法計(jì)算云層圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息，計(jì)算后得到的運(yùn)動(dòng)信息是一個(gè)速度矢量，其中背景目標(biāo)的矢量大小幾乎為0；

稠密光流目標(biāo)函數(shù)：

其中T(x,y)和I(x,y)分別為參考圖象(指上幀圖像)和當(dāng)前圖像，u(x,y)和v(x,y)是圖像上像素點(diǎn)(x,y)的偏移量，上式分別簡寫為u和v，是誤差函數(shù)，ψ(x)是類似的誤差函數(shù)，λ是權(quán)重因子，

本發(fā)明利用Gunnar Farneback方法求解式(7)：Gunnar Farneback方法是用多項(xiàng)式模型來近似每個(gè)像素鄰域的運(yùn)動(dòng)軌跡，以二次多項(xiàng)式為例：

f(x)～x^TAx+b^Tx+c (8)

其中A為對稱矩陣，b為向量，c為標(biāo)量；

f₁(x)＝x^TA₁x+b₁^Tx+c₁ (9)

d為全局位移，根據(jù)系數(shù)可得：

A₁是非奇異時(shí)，

引入和

A(x)d(x)＝Δb(x)(13)

為了計(jì)算每個(gè)像素鄰域上的信息，盡可能讓公式(14)最小化，w(Δx)為鄰域中像素點(diǎn)的權(quán)值函數(shù)：

d(x)＝(ΣwA^TA)^-1ΣwA^TΔb (15)

其中公式(14)受約束于公式(15)，||X||表示矩陣X的2-范數(shù)；

(6)經(jīng)過步驟(5)計(jì)算后濾去背景目標(biāo)，得到前景目標(biāo)：云層像素點(diǎn)，以及這些像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度大小等信息；

(7)判斷每一個(gè)云層像素點(diǎn)是否在一級圓形警戒區(qū)域內(nèi)，若在該一級警戒區(qū)域內(nèi)，則標(biāo)記該像素點(diǎn)為粉紅色(一級警戒點(diǎn))，若不在該一級警戒區(qū)域內(nèi)，則表示該云層像素點(diǎn)現(xiàn)在暫時(shí)遠(yuǎn)離太陽，對光伏發(fā)電無影響，不發(fā)出警報(bào)。

(8)對于每個(gè)進(jìn)入到一級圓形警戒區(qū)域內(nèi)云層像素點(diǎn)，計(jì)算在一級圓形警戒區(qū)域內(nèi)的該云層像素點(diǎn)Q的向心距離D，如圖2所示：點(diǎn)O為太陽圓心，以O(shè)為圓心，向外三個(gè)圓從小到大依次為太陽區(qū)域1、二級圓形警戒區(qū)域2、一級圓形警戒區(qū)域3，點(diǎn)P為云層像素點(diǎn)，為該像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量，h是頂點(diǎn)在OP連線上的垂點(diǎn)，點(diǎn)P和h之間的距離即為所需要求的云層像素點(diǎn)的向心距離D。

根據(jù)步驟(5)中的稠密光流可以得到云層像素點(diǎn)P的增量信息Δx和Δy(增量信息Δx和Δy具體是指當(dāng)前幀和上一幀的位移差)，結(jié)合步驟(3)中的太陽圓心O的坐標(biāo)(x₀,y₀)和點(diǎn)P坐標(biāo)(x,y)，可以得到：

(9)計(jì)算出滿足公式(18)條件下的云層像素點(diǎn)集合M：

M＝{D_i＞T₂}(i＝1,2,3,...) (18)

其中i表示計(jì)算向心距離D的云層像素點(diǎn)序號，T₂表示危險(xiǎn)云層點(diǎn)的向心距離閾值；滿足公式(18)條件下的云層像素點(diǎn)被判定為可能會(huì)進(jìn)入二級警戒區(qū)域的云層像素點(diǎn)，構(gòu)成云層像素點(diǎn)集合M；

(10)根據(jù)云層點(diǎn)集合M，判斷并標(biāo)記所有云層團(tuán)序號：

dis(Q_m,Q_n)＜ε (19)

上式中：Q_m和Q_n為兩個(gè)相鄰云層像素點(diǎn)，dis(Q_m,Q_n)為求取Q_m和Q_n兩個(gè)相鄰云層像素點(diǎn)之間距離的函數(shù)；依據(jù)公式(19)，當(dāng)兩點(diǎn)Q_m和Q_n的距離小于ε時(shí)，表示該兩點(diǎn)屬于同一個(gè)云層團(tuán)，遍歷云層像素點(diǎn)集合M內(nèi)所有的云層像素點(diǎn)Q，判斷出云層團(tuán)個(gè)數(shù)并標(biāo)記，同時(shí)統(tǒng)計(jì)每個(gè)云層團(tuán)內(nèi)云層像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)N；

(11)篩選出N＞T₃的云層團(tuán)，T₃為威脅光伏發(fā)電的云層團(tuán)的云層像素點(diǎn)個(gè)數(shù)閾值，小于T₃表明該云層團(tuán)屬于小塊云層團(tuán)，可能會(huì)對太陽產(chǎn)生遮蔽情況，不過對光伏發(fā)電總體影響不大，不發(fā)出警報(bào)；

(12)判斷篩選后的云層團(tuán)是否進(jìn)入二級圓形警戒區(qū)域，若進(jìn)入了二級警戒區(qū)域，則將該云層團(tuán)繪制成紅色(二級危險(xiǎn)云層團(tuán))，若未進(jìn)入，則表明該云層團(tuán)的運(yùn)動(dòng)方向已經(jīng)偏離太陽區(qū)域，不會(huì)對太陽遮蔽，不影響光伏發(fā)電，因此不發(fā)出警報(bào)。

(13)當(dāng)云層團(tuán)進(jìn)入二級圓形警戒區(qū)域時(shí)，發(fā)出警報(bào)，同時(shí)計(jì)算出該云層團(tuán)將到達(dá)太陽區(qū)域的時(shí)間T：

其中N為該云層團(tuán)的云層像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，D_i是該云層團(tuán)的每個(gè)云層點(diǎn)的向心距離，t為當(dāng)前幀在步驟(5)計(jì)算稠密光流算法消耗的時(shí)間。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)例所述僅為說明本發(fā)明而已，并非是對本發(fā)明的限制，盡管根據(jù)實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)理解，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。