CN108226682B - 一种用于故障指示器录波波形的压缩算法 - Google Patents

一种用于故障指示器录波波形的压缩算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于故障指示器录波波形的压缩算法。本算法主要面向新型具备录波功能的故障指示器低功耗、高实时性传输录波波形的需求，结合了传统位宽压缩、差分压缩的方式，利用波形重复性特征最大化无损失压缩波形数据量。此算法创新性的采用了多种最优的组合方式，并发明了前后波性差分的压缩算法，将每个波形独立为单独的数据块，以减少波形时间线上最大、最小值对整个压缩质量的干扰。此算法具有无损失、低功耗、压缩程度高的特点，适用于有限电能的情况下，大数据量波形的传输的需要。

Description

一种用于故障指示器录波波形的压缩算法
技术领域
本发明涉及电力系统录波型故障指示器领域，具体涉及一种用于故障指示器录波波形的压缩算法。
背景技术
配电网信息化的需求对故障指示器提出了更高的标准，录波型的故障指示器具备在电网发生扰动时录取故障瞬间特征波形的功能。按照国网检测规范要求，故障指示器需要录取故障前4个周波、故障后8个周波总计12个波形的数据。按照每只指示器录取电压、电流双通道信号，每周波80点采样率，供需上送1920点的波形数据。另一方面，录波型故障指示器通过线路电流感应取电，相对功率输出有限。在有限的取电能量下，尽量完整的上送波形数据，对数据本身的压缩提出了较高的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题，一种用于故障指示器录波波形的压缩算法能够解决在故障指示器电能有限的情况下发送大数据量波形文件的问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案 ：用于故障指示器录波波形的压缩算法，用于处理压缩电流、电压或者其他周期性信号，其特征在于：包括如下步骤：
(1)所压缩的电流、电压信号具备周期性的特征，允许包含干扰信号；所述的电流、电压信号在压缩过程中会产生前后周期的差值；
(2)将步骤（1）的电流、电压信号在整个时间轴上的波形数据按照周期性封装为多个独立的数据单元，每个数据单元配置数据头；
(3)压缩过程采用多种子算法依次实验的方式，获得最优的压缩比例。
对于故障指示器录取的波形，采用前后波形相减的方式，将后一个波形中的某一个数据点减去前一个波形的相应的同一个数据点，以获得更小的差分数据，此差分数据通过最高位是否为1来区分正负。
将时间轴上的波形数据按照其周期时间分为多个子数据单元，每个子数据单元先按照前后波形差分的方式，得到当前波形与前一个波形的差值，并将差值进行位宽压缩。
在进行前后波形差分的过程中，每个数据单元被简化为相比于前一个波形的差值表示；搜索波形差值的最大偏差量，记录最大偏差量位数作为基准，进行位宽压缩，其差分最大位数包括表示正负的符号位。
对于首个波形作为后续波形的差分参照波形，采用两种压缩算法，一种为传统的位宽压缩算法，一种为带符号的位宽压缩算法，两种算法各统计压缩完后的数据字节数，选取数据字节数最少的作为首个波形的压缩方式。
所述的一种用于故障指示器录波波形的压缩算法，其特征在于：采用多个已存在的子算法的组合，通过对子算法的最优选择，达到最大压缩比例。
所述的一种用于故障指示器录波波形的压缩算法，其特征在于：故障指示器对电流电压的采样精度按照12位AD采样，每组波形包含960个采样点，共12个波形，第一步是将12个波形分为12个数据单元，每个数据单元增加数据头，每个数据单元内容有压缩类型、压缩后单点数据位宽和所压缩数据采样点数；
第二步是对12个波形中的首个波形进行压缩：在压缩时选用两种压缩方式，位宽压缩与前后点差分压缩，在进行位宽压缩时，采用12Bit的压缩方式，压缩比例为1/4；在进行前后采样点差分压缩时，将差分值最大值位宽加上符号位作为参照位宽；比较两种压缩方式，选用压缩后位宽最小的压缩算法作为首个波形的压缩方式；
第三步是取后续11个波形中的第n个波形，设波形中采样数据点表示为
Figure 763027DEST_PATH_IMAGE001
，则对于波形
Figure DEST_PATH_IMAGE002
可表达为
Figure 755867DEST_PATH_IMAGE003
；根据
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 4445DEST_PATH_IMAGE005
；
则全波形数据可做如下等价：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
压缩后的波形数据单元位宽若小于等于12位，则执行n=n+1，回到重复第三步执行；若压缩后的位宽大于12位，执行下述的第四步；
第四步，对于前后波形差分压缩算法非最优的情况，则使用前后采样点差分压缩算法，对于波形单元
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
可做如下等效
Figure 884808DEST_PATH_IMAGE009
当压缩后的波形数据单元位宽小于等于12位时，则执行n=n+1，重复第三步；当压缩后的位宽大于12位，则执行下述的第五步；
第五步，对于前后采样点差分压缩算法非最优的情况，则使用12Bit位宽压缩方式，执行n=n+1，回到重复第三步执行。
具体地说，本发明所述的一种用于故障指示器录波波形的压缩算法，该方法包括以下步骤 ：
(1) 电网工频为50Hz，故障指示器对电流电压的采样精度按照业内通用的12位AD采样为例，每组波形包含960个采样点，共12个波形。将12个波形分为12个数据单元。每个数据单元包含如下信息：压缩子算法类型、压缩后数据位宽、所压缩数据点个数。
(2) 对于首个波形，采用两种传统方式分别进行压缩，一为12bit位宽压缩，二为前后采样点差分压缩。在使用差分压缩时，须增加一位表示差分结果正负关系。在压缩完后比较两种压缩方式的压缩后数据位宽，选用数据位宽最小的压缩方式作为首个波形的压缩方法。
(3) 对于后续波形，采用波形差分的算法，设当前波形序号为n,其中
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。波形变量表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。设波形中采样数据点表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，则对于波形
Figure 532737DEST_PATH_IMAGE013
可表达为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。则波形差分算法表达如下：
Figure 964987DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 435282DEST_PATH_IMAGE015
。
之后对差分后的数据
Figure DEST_PATH_IMAGE016
进行位宽压缩，并记录压缩后的位宽。
(4) 因为差分压缩会产生符号位，对于某些突变量较大的波形，压缩后的数据位宽会大于12位。若遇到此种情况，则使用传统前后点差分方式进行压缩。
(5) 对于传统的前后点差分压缩方式，仍然会引入符号位的情况。若在步骤(4)完后仍然数据位宽大于12位，则直接使用传统12Bit位宽压缩对数据进行压缩。以达到最大的压缩比率。
本发明具有如下优点：一种用于故障指示器录波波形的压缩算法，此算法在结合了传统的位宽压缩方法、前后采样点差分压缩方法后，又提出了基于波形周期性特性的前后波形差分压缩算法。本算法实际体现为对这三种算法的最优化使用，已达到最大的压缩比率。采用这种算法具有低功耗、计算量小、压缩比例高的特点。对于电能使用要求较高的录波型故障指示器，有较好的波形数据压缩效果，较大幅度的降低故障指示器的制造成本。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种用于故障指示器录波波形的压缩算法的压缩流程图。
图2为本发明中数据单元的封包方式图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种用于故障指示器正弦波振幅求值低功耗高速算法中第一步是：本领域常规的故障指示器对电流电压的采样精度按照12位AD采样，每组波形包含960个采样点，共12个波形，将12个波形分为12个数据单元，每个数据单元增加数据头，内容如图2所示，每个数据单元有压缩类型、压缩后单点数据位宽、所压缩数据采样点数。
第二步是对12个波形中的首个波形进行压缩。在压缩时选用两种压缩方式，位宽压缩与前后点差分压缩。在进行位宽压缩时，采用12Bit的压缩方式，压缩比例为1/4。在进行前后采样点差分压缩时，将差分值最大值位宽加上符号位作为参照位宽。比较两种压缩方式，选用压缩后位宽最小压缩算法作为首个波形的压缩方式。
第三步是取后续11个波形中的第n个波形，设波形中采样数据点表示为
Figure 103024DEST_PATH_IMAGE001
，则对于波形
Figure 709586DEST_PATH_IMAGE002
可表达为
Figure 843895DEST_PATH_IMAGE003
。根据
Figure 532978DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 473252DEST_PATH_IMAGE005
。
则全波形数据可做如下等价：
Figure 262217DEST_PATH_IMAGE006
压缩后的波形数据单元位宽若小于等于12位，则执行n=n+1，重复第三步。若压缩后的位宽大于12位，执行下述的第四步。
第四步，对于前后波形差分压缩算法非最优的情况，尝试使用前后采样点差分压缩算法。对于波形单元
Figure 629744DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 74632DEST_PATH_IMAGE008
可做如下等效
Figure 490701DEST_PATH_IMAGE009
压缩后的波形数据单元位宽若小于等于12位，则执行n=n+1，重复第三步。若压缩后的位宽大于12位，执行下述的第五步。
第五步，对于前后采样点差分压缩算法非最优的情况，使用12Bit位宽压缩方式，执行n=n+1，重复第三步。
本发明具体采用了以下技术方案 ：一种用于故障指示器录波波形的压缩算法，该方法包括以下步骤 ：
(1) 电网工频为50Hz，故障指示器对电流电压的采样精度按照业内通用的12位AD采样为例，每组波形包含960个采样点，共12个波形。将12个波形分为12个数据单元。每个数据单元包含如下信息：压缩子算法类型、压缩后数据位宽、所压缩数据点个数。
(2) 对于首个波形，采用两种传统方式分别进行压缩，一为12bit位宽压缩，二为前后采样点差分压缩。在使用差分压缩时，须增加一位表示差分结果正负关系。在压缩完后比较两种压缩方式的压缩后数据位宽，选用数据位宽最小的压缩方式作为首个波形的压缩方法。
(3) 对于后续波形，采用波形差分的算法，设当前波形序号为n,其中
Figure 337434DEST_PATH_IMAGE010
。波形变量表示为
Figure 938180DEST_PATH_IMAGE011
。设波形中采样数据点表示为
Figure 870364DEST_PATH_IMAGE012
，则对于波形
Figure 886861DEST_PATH_IMAGE013
可表达为
Figure 522854DEST_PATH_IMAGE014
。则波形差分算法表达如下：
Figure 497764DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 713981DEST_PATH_IMAGE015
。
之后对差分后的数据
Figure 206274DEST_PATH_IMAGE016
进行位宽压缩，并记录压缩后的位宽。
(4) 因为差分压缩会产生符号位，对于某些突变量较大的波形，压缩后的数据位宽会大于12位。若遇到此种情况，则使用传统前后点差分方式进行压缩。
(5) 对于传统的前后点差分压缩方式，仍然会引入符号位的情况。若在步骤(4)完后仍然数据位宽大于12位，则直接使用传统12Bit位宽压缩对数据进行压缩。以达到最大的压缩比率。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种用于故障指示器录波波形的压缩算法，用于处理压缩电流、电压，其特征在于：包括如下步骤：
(1)所压缩的电流、电压信号具备周期性的特征，允许包含干扰信号；所述的电流、电压信号在压缩过程中会产生前后周期的差值；
(2)将步骤(1)的电流、电压信号在整个时间轴上的波形数据按照周期性封装为多个独立的数据单元，每个数据单元配置数据头；每个数据单元有压缩类型、压缩后单点数据位宽、所压缩数据采样点数；
(3)压缩过程采用带符号的位宽压缩算法，获得最优的压缩比例；
将时间轴上的波形数据按照其周期时间分为多个子数据单元，每个子数据单元先按照前后波形差分的方式，得到当前波形与前一个波形的差值，并将差值进行位宽压缩；
在进行前后波形差分的过程中，每个数据单元被简化为相比于前一个波形的差值表示；搜索波形差值的最大偏差量，记录最大偏差量位数作为基准，进行位宽压缩，其差分最大位数包括表示正负的符号位。
2.根据权利要求1所述的一种用于故障指示器录波波形的压缩算法，其特征在于：对于故障指示器录取的波形，采用前后波形相减的方式，将后一个波形中的某一个数据点减去前一个波形的相应的同一个数据点，以获得更小的差分数据，此差分数据通过最高位是否为1来区分正负。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种用于故障指示器录波波形的压缩算法，其特征在于：故障指示器对电流电压的采样精度按照12位AD采样，每组波形包含960个采样点，共12个波形，第一步是将12个波形分为12个数据单元，每个数据单元增加数据头，每个数据单元内容有压缩类型、压缩后单点数据位宽和所压缩数据采样点数；
第二步是对12个波形中的首个波形进行压缩：在压缩时选用两种压缩方式，位宽压缩与前后点差分压缩，在进行位宽压缩时，采用12Bit的压缩方式，压缩比例为1/4；在进行前后采样点差分压缩时，将差分值最大值位宽加上符号位作为参照位宽；比较两种压缩方式，选用压缩后位宽最小的压缩算法作为首个波形的压缩方式；
第三步是取后续11个波形中的第n个波形，设波形中采样数据点表示为Pn，i，n＝[2，3，..，12]，i＝[1，2，..，80]，则对于波形Wn可表达为Wn＝{Pn，i}，i＝[1，2，..，80]；根据
Figure FDA0002516983570000011
其中n＝[2，3，..，11]，i＝[1，2，..，80]；则全波形数据可做如下等价；
Figure FDA0002516983570000012
当压缩后的波形数据单元位宽小于等于12位时，则执行n＝n+1，回到重复第三步；当压缩后的位宽大于12位，则执行下述的第四步；
第四步，对于前后波形差分压缩算法非最优的情况，则使用前后采样点差分压缩算法，对于波形单元Wn，n＝[2，3，...，12]，Pn可做如下等效
Figure FDA0002516983570000021
当压缩后的波形数据单元位宽小于等于12位时，则执行n＝n+1，重复第三步；当压缩后的位宽大于12位，则执行下述的第五步；
第五步，对于前后采样点差分压缩算法非最优的情况，则使用12Bit位宽压缩方式，执行n＝n+1，回到重复第三步执行。
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