CN104320143A - 三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法及装置 - Google Patents
三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及电力系统数据处理领域，特别涉及一种三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法及适用于该方法的压缩装置。该方法首先对采样得到的三相电压、电流信号波形的相位进行归一处理；然后以周期为单位，将其余周期与选定的基础周期作差，再对基础周期内的数据进行相邻作差，使得原始数据变为高位字符稳定、数值变化较小的一组数据；再分别截取每个数据的高位部分构成一组子数据，低位部分为另一组子数据，最后利用霍夫曼算法对两组子数据进行压缩。该方法极大地提高了数据压缩比，且为无损压缩方法，保证了采样数据的准确性。该装置为该方法的一种具体实施，可直接接入现有电网测量设备与通信网络之间，便于现有电网测量设备的改造应用。
Description
技术领域
本申请涉及电力系统数据处理领域，特别是涉及一种三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法，以及，适用于该方法的压缩装置。
背景技术
电力系统海量过程数据蕴藏着丰富的信息，其对于分析电网运行状态、提供控制和优化策略、故障诊断以及知识发现和数据挖掘具有重要作用。研究适合工程实际的数据压缩方法对降低海量数据的存储和传输成本具有十分重要的意义。
目前，用于电力系统的数据压缩方法从大的方面可以分为有损压缩和无损压缩两大类。
常用的有损压缩方法主要包括脉冲编码调制、小波变换、插值算法等，电力系统数据有损压缩以小波变换方法应用较多，利用有损压缩算法得到的数据不能准确还原原始采样数据，对信号的分析会带来一定的误差，在要求数据完全准确的情况下不宜采用。
无损压缩方法从压缩模型上可分为基于字典的压缩算法和基于统计的压缩算法。基于字典的压缩算法有游程编码、LZW编码等，基于统计的压缩算法有哈夫曼编码、算术编码等。字典模型压缩算法在电力采样数据压缩应用中，为了获得较高的压缩率，需要的压缩时间较长。基于统计的压缩算法中哈夫曼编码效率高，运算速度快，实现方式灵活，在无损压缩中应用较多。本发明首先对三相电压、电流原始采样数据进行预处理，然后利用哈夫曼编码进行数据压缩，保证了较高的压缩比和较快的压缩速度。
发明内容
本发明的目的是提出三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法及适用于该方法的压缩装置。
三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法包含以下步骤：
步骤1：对三相电压、电流信号波形采样，得到三组多项序列；
步骤2：对三相电压、电流信号波形采样波形的相位进行归一处理；所述归一化处理为：三相电压、电流信号波形采样数据中，A相数据保持不变，B相数据从首端截取三分之一周期个数的数据移至数据序列的末端，C相数据从首端截取三分之二周期个数的数据移至数据序列的末端，当出现小数时四舍五入取整。
步骤3：选定一个周期序列为基础周期序列，以周期为单位，将基础周期序列数据分别与三相采样数据的其余周期序列数据作差，得到基础周期序列数据和其余周期经作差运算后的差值序列数据；
步骤4：对基础周期序列内的数据进行相邻作差，得到基础差值序列；基础差值序列包含一个原始数据和其余数据与相邻数据的差值数据；
步骤5：将步骤4得到的基础差值序列与步骤3得到的其余周期差值序列数据合成为一个数据序列；该数据序列中的每个数据数值都很小，因此其高位字符变得较为稳定，变化较小；截取每个数据的高位部分构成一组数据，将每个数据的剩余低位部分构成另一组数据。
步骤6：利用huffman数据压缩算法对分解后的两组子数据进行压缩。
当步骤3中基础周期序列为A相数据中第一个周期序列时，步骤3中的作差方法为：
XUa1＝[XUa1(1),XUa1(2),...,XUa1(z),...,XUa1(n)]
XUai＝[XUai(1),XUai(2),...,XUai(z),...,XUai(n)]
XUbj＝[XUbj(1),XUbj(2),...,XUbj(z),...,XUbj(n)]
XUcj＝[XUcj(1),XUcj(2),...,XUcj(z),...,XUcj(n)]
X'Uai＝[XUai(1)-XUa1(1),XUai(2)-XUa1(2),...,XUai(z)-XUa1(z),...,
XUai(n)-XUa1(n)]
X'Ubj＝[XUbj(1)-XUa1(1),XUbj(2)-XUa1(2),...,XUbj(z)-XUa1(z),...,
XUbj(n)-XUa1(n)]
X'Ucj＝[XUcj(1)-XUa1(1),XUcj(2)-XUa1(2),...,XUcj(z)-XUa1(z),...,
XUcj(n)-XUa1(n)]
其中：
m为每相数据中所包含的周期的个数；
n为每个周期中采样数据的个数；
i、j、z均为整数，且1＜i≤m；1≤j≤m；1＜z≤n；
XUa1为A相数据中第一个周期序列；XUa1(z)为该周期序列中的第z个数据；
XUai为A相数据中第i个周期序列，XUai(z)为该周期序列中的第z个数据；
X’Uai为A相数据中第i个周期序列经作差运算后的差值序列数据；
XUbj、XUcj分别为B相、C相数据中第j个周期序列；XUbj(z)、XUcj(z)分别为XUbj、XUcj中的第z个数据；
X’Ubj、X’Ucj分别为B相、C相数据中第j个周期序列经作差运算后的差值序列数据。
步骤4中的相邻作差方法为：
X'Ua1(z)＝XUa1(z)-XUa1(z-1)
X'Ua1(1)＝XUa1(1)
其中：
XUa1(z)为A相数据中第一个周期序列的第z个数据；
X’Ua1(z)为XUa1(z)与XUa1(z-1)作差后的差值数据；
XUa1(1)、X’Ua1(1)均为A相数据中第一个周期序列的第一个数据。
一种上述方法的压缩装置，其特征在于，包括数据接收装置、数据压缩模块和数据发送装置；数据接收装置和数据发送装置分别通过双口RAM模块与数据压缩模块连接；
数据接收装置包括通信接口模块，数据输入通信类型选择模块、数据接收及类型转换模块；通信接口模块和数据输入通信类型选择模块均与数据接收及类型转换模块相连；数据输入通信类型选择模块依据电网现有测量设备的通信方式选择相应的通信方式；数据接收及类型转换模块依据数据输入通信类型选择模块选定的通信方式实现采样数据的接收，并转换成字节格式存入双口RAM；
数据压缩模块按照所述数据压缩方式实现数据的压缩；
数据发送装置包括通信接口模块，数据输出通信类型选择模块、数据类型转换及发送模块；通信接口模块，数据输出通信类型选择模块均与数据类型转换及发送模块相连；数据输出通信类型选择模块依据电网的通信方式选择正确的通信方式；数据类型转换及发送模块依据数据输出通信类型选择模块选定的通信方式实现压缩数据的类型转换，并通过电网的通信网络发送出去。
所述数据类型转换及接收模块、数据压缩模块、数据类型转换及发送模块均以单片机、数字信号处理器或ARM微处理器实现。
所述压缩装置依据电网通信网络的通信方式选择相应的通信接口与电网通信网络连接。
所述压缩装置装设于电力系统现有的三相电压、电流采样设备与通信网络之间，实现采样数据的压缩。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所述方法采用预处理后再进行哈夫曼编码压缩方式，极大地提高了数据压缩比，对提高电力通信的实时性，减少数据存储的负担，加快电力信息化的发展，以及提高电力系统运行控制水平都具有重要意义。
(2)本发明所述无损压缩方法相对于目前电力系统应用较多的有损压缩方法，其优点在于可以保证采样数据的准确性，在数据压缩环节不会带来任何误差。
(3)本发明所述的数据压缩装置可直接接入现有电网测量设备与通信网络之间，便于现有电网测量设备的改造应用。
附图说明
图1是三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法实施例的流程图；
图2是A、B、C三相电压10周期的信号波形图；
图3是三相相位归一处理后的三相电压波形；
图4是周期做差后的三相电压波形图；
图5是使用本申请所述方法与不使用本申请所述方法压缩比对比图；
图6是三相电压、电流信号波形采样数据的压缩装置实施例的结构框图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
图1所示，为三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法实施例的流程图，该方法可以具体的包括以下步骤：
步骤1：对三相电压、电流信号波形采样；
在本申请的一种可选示例中，监测系统的监测设备所用模数转换器(ADC)为16位，采样频率为10kHz，数据的时间长度为0.2s(10个工频周期)，以此为例对压缩算法进行说明。
例如，选择三相电压信号的压缩为例进行压缩算法的说明，三相电流的压缩原理与电压相同。
A、B、C三相电压10周期的信号波形如图2所示，纵轴电压幅值直接以16位采样数值表示。以A相为例，对其采样0.2s，对应的2000个采样数据序列为：Xua＝[025F,06A5,0AE1,0F2D,14E4,19F2,1ED4,……,FABA,0063,053E,0AC8,103C]，其中，采样数据中的负数以补码形式表示。B、C相电压的采样原理与A相相同。
步骤2：三相相位归一处理；
图2所示，为A、B、C三相电压10个周期的信号波形图，如图所示，三相电压相位互差120度。为了使三相电压相位更一致，便于统一压缩，以A相电压为基准，调整B、C两相电压的相位：例如，本实施例中，B相从数据首端截取三分之一周期(200/3＝66.7，四舍五入取整为67个数据)移至数据序列的末端，C相从数据首端截取三分之二周期(200/3×2＝133.3，四舍五入取整为133个数据)移至数据序列的末端。得到三相相位归一处理后的三相电压波形，如图3所示。
理想情况下，三相波形将完全重合，但实际信号由于频率总是在50Hz左右波动，三相信号中含有的谐波也不行同，三相信号测量时噪声干扰也不完全相同，因此，如图3所示，实际的三相波形并不完全相同，而是略有差异。
步骤3：选定一个周期序列为基础周期序列，以周期为单位，将基础周期序列数据分别与三相采样数据的其余周期序列数据作差，得到基础周期序列数据和其余周期经作差运算后的差值序列数据；
可选的，在实施例中，以A相电压第1周期数据(A相前200个数据)为基础周期序列，将A相电压其余9个周期数据分别与A相电压第1周期数据做差，B、C相电压的每个周期数据也依次与A相电压第1周期数据对应做差。经由该步处理之后的三相电压波形图，如图4所示。
步骤4：基础差值序列包含一个原始数据和其余数据与相邻数据的差值数据；优选的，原始数据为基础周期序列两个端点的数据；可选的，选择A相第1周期数据的第1个数据为原始数据，将A相其余数据分别与其前一项相邻数据作差，具体做法为：
X'ua1(200)＝Xua1(200)-Xua1(199)；
X'ua1(199)＝Xua1(199)-Xua1(198)；
……；
X'ua1(2)＝Xua1(2)-Xua1(1)；
X'ua1(1)＝Xua1(1)；
其中，
Xua1(200)、Xua1(199)、……、Xua1(1)代表A相第一周期序列Xua1的第200、199、……、1个值；
X'ua1(200)、X'ua1(199)、……、X'ua1(1)代表Xua1经相邻数据作差后的第200、199、……、1个值；Xua1(1)保持不变。
步骤5：将步骤4得到的基础差值序列与步骤3得到的其余周期差值序列数据合成为一个数据序列Xu，Xu序列包含数据6000个；
Xu序列的中数据合成的顺序并不限定，压缩端按照一定顺序规则对数据进行合成；只要解压缩端获知到该顺序，并依照该顺序进行逆运算，则可以正确解压出原始数据。
可选的，合成序列Xu时，采用先A相、B相、C相的先后顺序，在A相、B相、C相的每一相数据序列中，采用其采样的先后顺序，即：Xu＝[Xua(1)，Xua(2)，……，Xua(2000)，Xub(1)，Xub(2)，……，Xub(2000)，Xuc(1)，Xuc(2)，……，Xuc(2000)]；
在本实施例中，数据序列为Xu＝[025F,0446,043C,044C,…,004C,002B,0014,FFFB,FFC9,FFA9,…,001B,0013,001C,002F,002F]；
经过步骤3、4的处理，数据序列Xu中存储的数据，其本质为原始数据与基准数据的差值，每个十六进制数据数值变化幅度很小，具有很明显的规律性。通常的，若四位数据为正数，其高两位多为00；若四位数据为负数，其高两位多为FF。将每个数据的高两位提取出来构成一组子数据Xu1，将每个数据的低两位提取出来构成另一组子数据Xu2。
本实施例中，Xu1＝[02040404…000000FFFFFF…0000000000]；
Xu2＝[5F463C4C…4C2B14FBC9A9…1B131C2F2F]。
步骤6：利用huffman数据压缩算法对分解后的两组子数据进行压缩；
对Xu1和Xu2分别利用huffman数据压缩算法进行压缩，Xu1中“0”和“F”字符大量重复出现，因此对其进行压缩，压缩率可以得到很大的提高。
图5所示，为使用本申请所述方法与不使用本申请所述方法压缩比对比图；
被压缩的数据来自某测量装置自某变电站110kV母线电压互感器二次侧测量所得三相电压数据，采样频率12800Hz，数据周期数10周期。
压缩比的计算方法是，压缩前数据字节数比压缩后数据字节数。
由图5可以看出，本发明所述方法相对于常用的WinRAR软件其压缩比有很大提高，另外本发明所述预处理环节对提高压缩比的效果十分显著。
图6所示，为三相电压、电流信号波形采样数据的压缩装置实施例的结构框图，压缩装置包括顺序连接的：数据接收装置、数据压缩模块和数据发送装置。
其中：数据接收装置包括通信接口模块，数据输入通信类型选择模块、数据接收及类型转换模块；其中，通信接口模块和数据输入通信类型选择模块均与数据接收及类型转换模块相连；数据接收及类型转换模块以单片机、数字信号处理器或ARM等微处理器为核心，通过双口RAM模块(RAM1)与数据压缩模块连接，负责接收电网现有采样设备的采样数据，并将其转化成字节数据存入双口RAM1。优选的，通信接口模块包括串口、网络接口、无线通信接口、USB接口等；可选的，依据电网现有测量设备的通信方式选择相应的通信接口与测量设备连接；数据输入通信类型选择模块依据电网现有测量设备的通信方式选择相应的通信方式；数据接收及类型转换模块依据数据输入通信类型选择模块选定的通信方式实现采样数据的接收，并转换成字节格式存入双口RAM1。
其中：数据压缩模块以单片机、数字信号处理器或ARM等微处理器为核心，实现本发明所述的数据压缩方法；通过本模块处理器的数据总线和地址总线从双口RAM1读取数据并压缩，然后将压缩后的数据通过本模块处理器的数据总线和地址总线写入双口RAM2并将压缩后的字节数据存入双口RAM2。
其中：与数据接收装置相对应的，数据发送装置包括通信接口模块，数据输出通信类型选择模块、数据类型转换及发送模块；其中，通信接口模块，数据输出通信类型选择模块均与数据类型转换及发送模块相连。数据类型转换及发送模块以单片机、数字信号处理器或ARM等微处理器为核心，通过双口RAM模块(RAM2)与数据压缩模块连接，通过本模块处理器的数据总线和地址总线从双口RAM2读取数据并发送出去。优选的，通信接口模块包括串口、网络接口、无线通信接口、USB接口等；可选的，依据电网通信网络的通信方式选择相应的通信接口与电网通信网络连接；数据输出通信类型选择模块依据电网的通信方式选择正确的通信方式；数据类型转换及发送模块依据数据输出通信类型选择模块选定的通信方式实现压缩数据的类型转换，并通过电网的通信网络发送出去。
压缩装置可装设于电力系统现有的三相电压、电流采样设备与通信网络之间，实现采样数据的压缩。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
步骤1：对三相电压、电流信号波形采样，得到三组多项序列；
步骤2：对三相电压、电流信号波形采样波形的相位进行归一处理；
步骤3：选定一个周期序列为基础周期序列，以周期为单位，将基础周期序列数据分别与三相采样数据的其余周期序列数据作差，得到基础周期序列数据和其余周期经作差运算后的差值序列数据；
步骤4：对基础周期序列内的数据进行相邻作差，得到基础差值序列；基础差值序列包含一个原始数据和其余数据与该原始数据的差值数据；
步骤5：将步骤4得到的基础差值序列与步骤3得到的其余周期差值序列数据合成为一个数据序列；该数据序列中的每个数据数值都很小，因此其高位字符变得较为稳定，变化较小；截取每个数据的高位部分构成一组数据，截取每个数据的剩余低位部分提取构成另一组数据；
步骤6：利用huffman数据压缩算法对分解后的两组子数据进行压缩。
2.根据权利要求1所述的三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法，其特征在于，所述归一化处理为：三相电压、电流信号波形采样数据中，A相数据保持不变，B相数据从首端截取三分之一周期个数的数据移至数据序列的末端，C相数据从首端截取三分之二周期个数的数据移至数据序列的末端，当出现小数时四舍五入取整。
3.根据权利要求2所述的三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法，其特征在于，步骤3中基础周期序列为A相数据中第一个周期序列。
4.根据权利要求3所述的三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法，其特征在于，步骤3的作差方法为：
XUa1＝[XUa1(1),XUa1(2),...,XUa1(z),...,XUa1(n)]
XUai＝[XUai(1),XUai(2),...,XUai(z),...,XUai(n)]
XUbj＝[XUbj(1),XUbj(2),...,XUbj(z),...,XUbj(n)]
XUcj＝[XUcj(1),XUcj(2),...,XUcj(z),...,XUcj(n)]
X'Uai＝[XUai(1)-XUa1(1),XUai(2)-XUa1(2),...,XUai(z)-XUa1(z),...,
XUai(n)-XUa1(n)]
X'Ubj＝[XUbj(1)-XUa1(1),XUbj(2)-XUa1(2),...,XUbj(z)-XUa1(z),...,
XUbj(n)-XUa1(n)]
X'Ucj＝[XUcj(1)-XUa1(1),XUcj(2)-XUa1(2),...,XUcj(z)-XUa1(z),...,
XUcj(n)-XUa1(n)]
其中：
m为每相数据中所包含的周期的个数；
n为每个周期中采样数据的个数；
i、j、z均为整数，且1＜i≤m；1≤j≤m；1＜z≤n；
XUa1为A相数据中第一个周期序列；XUa1(z)为该周期序列中的第z个数据；
XUai为A相数据中第i个周期序列，XUai(z)为该周期序列中的第z个数据；
XUai为A相数据中第i个周期序列经作差运算后的差值序列数据；
XUbj、XUcj分别为B相、C相数据中第j个周期序列；XUbj(z)、XUcj(z)分别为XUbj、XUcj中的第z个数据；
XUbj、X’Ucj分别为B相、C相数据中第j个周期序列经作差运算后的差值序列数据。
5.根据权利要求4所述的三相电压、电流信号波形采样数据的压缩方法，其特征在于，步骤4中的相邻作差方法为：
X'Ua1(z)＝XUa1(z)-XUa1(z-1)
X'Ua1(1)＝XUa1(1)
其中：
XUa1(z)为A相数据中第一个周期序列的第z个数据；
X'Ua1(z)为XUa1(z)与XUa1(z-1)作差后的差值数据；
XUa1(1)、X'Ua1(1)均为A相数据中第一个周期序列的第一个数据。
6.一种实现权利要求1-5任一所述方法的压缩装置，其特征在于，包括数据接收装置、数据压缩模块和数据发送装置；数据接收装置和数据发送装置分别通过双口RAM模块与数据压缩模块连接；
数据接收装置包括通信接口模块，数据输入通信类型选择模块、数据接收及类型转换模块；通信接口模块和数据输入通信类型选择模块均与数据接收及类型转换模块相连；数据输入通信类型选择模块依据电网现有测量设备的通信方式选择相应的通信方式；数据接收及类型转换模块依据数据输入通信类型选择模块选定的通信方式实现采样数据的接收，并转换成字节格式存入双口RAM；
数据压缩模块按照所述数据压缩方式实现数据的压缩；
数据发送装置包括通信接口模块，数据输出通信类型选择模块、数据类型转换及发送模块；通信接口模块，数据输出通信类型选择模块均与数据类型转换及发送模块相连；数据输出通信类型选择模块依据电网的通信方式选择正确的通信方式；数据类型转换及发送模块依据数据输出通信类型选择模块选定的通信方式实现压缩数据的类型转换，并通过电网的通信网络发送出去。
7.根据权利要求6所述的压缩装置，其特征在于，所述数据类型转换及接收模块、数据压缩模块、数据类型转换及发送模块均以单片机、数字信号处理器或ARM微处理器实现。
8.根据权利要求6所述的压缩装置，其特征在于，所述压缩装置依据电网通信网络的通信方式选择相应的通信接口与电网通信网络连接。
9.根据权利要求6所述的压缩装置，其特征在于，所述压缩装置装设于电力系统现有的三相电压、电流采样设备与通信网络之间，实现采样数据的压缩。
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