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人工智能-图像处理-光伏阵列热斑的红外图像处理的研究.pdf
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人工智能-图像处理-光伏阵列热斑的红外图像处理的研究.pdf
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摘要
随着化石能源的短缺,且其燃烧造成环境污染,清洁的太阳能资源受到了人们的重
视。可以预测,太阳能发电将会成为全球能源利用的重要来源。然而,光伏阵列长期工
作于恶劣环境下,导致光伏组件的部分单体光伏电池损坏,从而降低了光伏发电系统发
电效率。热斑现象是光伏发电系统的一种典型故障,它不仅会降低系统的发电效率,也
容易带来安全问题。因此,快速有效的检测光伏组件热斑故障是十分必要的。
在分析总结了现有的几种热斑检测方法后,针对处于故障状态下的太阳能电池板的
温差特性与红外特性,说明了使用红外图像检测光伏阵列热斑的可行性。为了解决光伏
红外图像低分辨率、低信噪比、低对比度的缺陷,本文综合采用了非均匀拉伸、自适应
中值滤波等多种算法对其进行修正,达到了增加红外图像对比度、滤除椒盐类噪声的效
果,为下一步的热斑提取奠定了基础。
在分析比较了几种常见的图像分割算法后,将其应用于光伏红外图像的分割上。由
于热斑往往面积较小,且其邻域灰度相差不大,使得 Otsu 法、最大散度阈值差法均未
达到满意的分割效果。为了解决双峰峰值相差较大,而造成的分割困难的问题,本文提
出了一种自适应最大散度阈值差法。同时,通过大量的光伏红外图像的分割实验,归纳
了快速获取最大散度阈值的方法。达到了快速、有效分割光伏红外图像的效果。实验表
明该方法是一种实用的自适应阈值选择方法。
应用 Visual Studio 软件平台,做了光伏阵列热斑红外图像处理实验。通过对比 Otsu
法、简单迭代法、自适应最大散度阈值差法,验证了自适应最大散度阈值差法的准确性
与快速性。快速有效提取光伏阵列热斑,为后续的故障诊断与定位提供依据,对提高光
伏板检测的智能化水平有着重要意义。
关键词: 光伏阵列 热斑 红外图像 Otsu 最大散度阈值
万方数据
Abstract
With the shortage of fossil energy, and environmental pollution caused by its combustion,
clean solar energy resources are accounted by researchers. It can be predicted, solar electrical
energy generation will become of the important energy source in the world. However
photovoltaic arrays always work in hash environment, which result that part of single
photovoltaic modules begin aging and reduce the output power of system. Hot spot
phenomenon is the most common failure in photovoltaic arrays. it will not only reduce the
output power of system, it is easy to damage the photovoltaic modules, at the same time cause
security problems. Therefore, fast and efficient detection of hot spot fault of photovoltaic
modules is very necessary.
On the analysis and summary of the existing several hot spot detection method, in view
of temperature characteristics and infrared characteristic of solar panels in the fault conditions,
the paper illustrates the feasibility of hot spot detection of photovoltaic array using infrared
image. In order to solve the faults of low resolution, low signaltonoise ratio, and the defects
of low contrast of Photovoltaic infrared images, this paper use the nonuniform stretching,
adaptive median filtering and so on for correction to increase the infrared image contrast,
filter the salt and pepper noise, which laid a foundation for the next hot spot extraction.
On the analysis and comparison of the several common image segmentation algorithm,
paper apply it to the segmentation of photovoltaic array infrared image. However, the Otsu
method and maximum differential divergence threshold method failed to meet a satisfactory
segmentation effect. In order to solve difficult segmentation problem cause by the large
bimodal peak , this paper puts forward an adaptive maximum differential divergence
threshold method. At the same time, by a large number of photovoltaic infrared image
segmentation experiments, the paper summarizes the fast access to the largest divergence
threshold method and achieves a rapid, effective solar infrared image segmentation effect.
Experiments show that this method is a practical method of adaptive threshold selection.
The paper Uses Visual Studio software platform to make experiment of photovoltaic
array hot spot infrared image processing. By comparing the Otsu method and maximum
differential divergence threshold method, the paper verifies the accuracy and quickness of
adaptive maximum differential divergence threshold method. Quick and efficient extraction of
photovoltaic array hot spot provide the basis for subsequent fault diagnosis and orientation,
and has important significance to improve the intelligent level of photovoltaic panels
detection.
Key words:Photovoltaic array, hot spot, infrared image, Otsu, Maximum scatter
万方数据
- i -
目 录
第一章 绪论 ............................................................... 1
1.1 研究背景 ....................................................... 1
1.2 研究意义 ....................................................... 2
1.3 国内外研究现状 ................................................. 3
1.3.1 热斑检测研究现状 ......................................... 3
1.3.2 红外图像检测热斑研究现状 ................................. 3
1.4 论文的主要工作 ................................................. 5
第二章 光伏阵列的输出特性与红外特性 ....................................... 6
2.1 光伏发电原理 ................................................... 6
2.2 光伏阵列的输出特性 ............................................. 7
2.3 光伏阵列的红外特性 ............................................. 9
2.4 本章小结 ....................................................... 9
第三章 光伏阵列热斑红外图像预处理 ........................................ 10
3.1 红外图像 ...................................................... 10
3.1.1 红外图像的产生机理 ...................................... 10
3.1.2 红外图像的特点 .......................................... 11
3.1.3 红外图像质量评价标准 .................................... 12
3.1.4 光伏阵列红外图像 ........................................ 13
3.2 红外图像增强 .................................................. 14
3.2.1 空间域图像增强 .......................................... 14
3.2.2 频率域图像增强 .......................................... 15
3.2.3 直方图修正法 ............................................ 15
3.3 图像滤波 ...................................................... 18
3.3.1 均值滤波 ................................................ 18
3.3.2 中值滤波 ................................................ 19
3.3.3 自适应中值滤波 .......................................... 20
3.4 本章小结 ...................................................... 23
第四章 基于自适应最大散度阈值差法的热斑提取 .............................. 24
4.1 图像分割概述 .................................................. 24
4.1.1 基于边缘检测的图像分割算法 .............................. 24
万方数据
- ii -
4.1.2 基于区域的图像分割算法 .................................. 25
4.1.3 基于阈值的图像分割算法 .................................. 26
4.2 最大类间方差法 ................................................ 28
4.3 最大散度差阈值法 .............................................. 32
4.4 自适应最大散度阈值差法 ........................................ 33
4.4.1 参数 C 的初步确定 ........................................ 33
4.4.2 参数 C 的进一步确定 ...................................... 35
4.4.3 自适应最大散度阈值差法的实现 ............................ 37
4.5 本章小结 ...................................................... 39
第五章 实验结果与分析 .................................................... 40
5.1 实验环境 ...................................................... 40
5.2 实验结果分析 .................................................. 42
5.3 本章小结 ...................................................... 46
第六章 总结和展望 ........................................................ 47
6.1 总结 .......................................................... 47
6.2 展望 .......................................................... 47
参考文献 ................................................................. 48
发表论文和科研情况说明 ................................................... 51
致谢 ..................................................................... 52
万方数据
第一章 绪论
- 1 -
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着全球经济的发展,各国对能源的需求不断增加。传统的煤、石油、天然气等化
石能源不仅日益短缺,而且其燃烧所产生的二氧化碳导致温室效应,使得全球气候变暖,
威胁人类与其他动植物的生存。开发利用可持续的清洁能源已然是各国的共识。太阳能
不仅清洁无污染,而且取之不尽用之不竭。世界各国为了改善能源结构、应对环境问题
等而越来越注重太阳能的利用。因此,其发展前景被各国看好
[1]
。
我国地域广阔,有极其丰富的太阳能资源可被开发利用。据统计,我国太阳能发电
总装机容量可达 34.6 亿千瓦,在甘肃、青海、内蒙古、新疆等地分布有大量的光伏电场,
其光伏装机总量超过 3000 万千万,并且呈现以光伏电站为主,分布式光伏为辅的特点。
全国各地中,已有八个省(市、区)光伏装机容量达到 100 万千瓦以上。据统计,仅 2015
年春季,光伏装机容量就增长了 500 多万千瓦。由上可见,我国光伏电场不仅面积大,
而且建设速度非常快。全国各地 2015 年第一季度太阳能发电信息情况见表 1-1。
表 1-1 2015 年第一季度太阳能发电信息简表
省(区、市)
累计装机容量(万千瓦)
新增装机容量(万千瓦)
总量
其中:光伏电站
总量
其中:光伏电站
总计
3312
2779
504
438
甘肃
576
574
59
57
青海
426
426
13
13
内蒙古
384
366
82
82
新疆
359
355
84
84
江苏
300
202
43
30
宁夏
217
217
——
——
河北
152
123
2
——
新疆兵团
107
107
26
26
万方数据
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