三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法及裝置製造方法
2023-05-30 21:34:46 1
三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法及裝置製造方法
【專利摘要】本申請涉及電力系統數據處理領域，特別涉及一種三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法及適用於該方法的壓縮裝置。該方法首先對採樣得到的三相電壓、電流信號波形的相位進行歸一處理；然後以周期為單位，將其餘周期與選定的基礎周期作差，再對基礎周期內的數據進行相鄰作差，使得原始數據變為高位字符穩定、數值變化較小的一組數據；再分別截取每個數據的高位部分構成一組子數據，低位部分為另一組子數據，最後利用霍夫曼算法對兩組子數據進行壓縮。該方法極大地提高了數據壓縮比，且為無損壓縮方法，保證了採樣數據的準確性。該裝置為該方法的一種具體實施，可直接接入現有電網測量設備與通信網絡之間，便於現有電網測量設備的改造應用。
【專利說明】三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法及裝置
【技術領域】
[0001]本申請涉及電力系統數據處理領域，特別是涉及一種三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法，以及，適用於該方法的壓縮裝置。
【背景技術】
[0002]電力系統海量過程數據蘊藏著豐富的信息，其對於分析電網運行狀態、提供控制和優化策略、故障診斷以及知識發現和數據挖掘具有重要作用。研究適合工程實際的數據壓縮方法對降低海量數據的存儲和傳輸成本具有十分重要的意義。
[0003]目前，用於電力系統的數據壓縮方法從大的方面可以分為有損壓縮和無損壓縮兩大類。
[0004]常用的有損壓縮方法主要包括脈衝編碼調製、小波變換、插值算法等，電力系統數據有損壓縮以小波變換方法應用較多，利用有損壓縮算法得到的數據不能準確還原原始採樣數據，對信號的分析會帶來一定的誤差，在要求數據完全準確的情況下不宜採用。
[0005]無損壓縮方法從壓縮模型上可分為基於字典的壓縮算法和基於統計的壓縮算法。基於字典的壓縮算法有遊程編碼、LZW編碼等，基於統計的壓縮算法有哈夫曼編碼、算術編碼等。字典模型壓縮算法在電力採樣數據壓縮應用中，為了獲得較高的壓縮率，需要的壓縮時間較長。基於統計的壓縮算法中哈夫曼編碼效率高，運算速度快，實現方式靈活，在無損壓縮中應用較多。本發明首先對三相電壓、電流原始採樣數據進行預處理，然後利用哈夫曼編碼進行數據壓縮，保證了較高的壓縮比和較快的壓縮速度。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提出三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法及適用於該方法的壓縮裝置。
[0007]三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法包含以下步驟:
[0008]步驟1:對三相電壓、電流信號波形採樣，得到三組多項序列；
[0009]步驟2:對三相電壓、電流信號波形採樣波形的相位進行歸一處理；所述歸一化處理為:三相電壓、電流信號波形採樣數據中，A相數據保持不變，B相數據從首端截取三分之一周期個數的數據移至數據序列的末端，C相數據從首端截取三分之二周期個數的數據移至數據序列的末端，當出現小數時四捨五入取整。
[0010]步驟3:選定一個周期序列為基礎周期序列，以周期為單位，將基礎周期序列數據分別與三相採樣數據的其餘周期序列數據作差，得到基礎周期序列數據和其餘周期經作差運算後的差值序列數據；
[0011]步驟4:對基礎周期序列內的數據進行相鄰作差，得到基礎差值序列；基礎差值序列包含一個原始數據和其餘數據與相鄰數據的差值數據；
[0012]步驟5:將步驟4得到的基礎差值序列與步驟3得到的其餘周期差值序列數據合成為一個數據序列；該數據序列中的每個數據數值都很小，因此其高位字符變得較為穩定，變化較小；截取每個數據的高位部分構成一組數據，將每個數據的剩餘低位部分構成另一組數據。
[0013]步驟6:利用huffman數據壓縮算法對分解後的兩組子數據進行壓縮。
[0014]當步驟3中基礎周期序列為A相數據中第一個周期序列時，步驟3中的作差方法為:
[0015]Xual = [Xual (I)，Xual ⑵，...，Xual (Z)，…，Xual (η)]
[0016]Xuai = [Xuai (I)，Xuai ⑵，...，Xuai (ζ)，…，Xuai (η)]
[0017]Xubj = [Xubj ⑴，Xubj ⑵，...，Xubj (ζ)，…，Xubj (η)]
[0018]Xucj = [XUcJ (I)，Xucj ⑵，...，Xucj (ζ)，…，Xucj (η)]
[0019]X』 Uai = [Xuai (I) -Xual (I)，Xuai (2) -Xual (2)，...，Xuai (z) -Xual (ζ)，...，
[0020]Xuai (n)-Xual (η)]
[0021 ]X，= [Xffl3j (I) -Xual (I)，Xubj (2) -Xual (2)，...，Ximj (ζ) -Xual (ζ)，...，
[0022]Xubj (η) _Xuai (η)]
[0023]X，UcJ = [Xucj (I) -Xual (I)，Xucj (2) -Xual (2)，...，Xucj (ζ) -Xual (ζ)，...，
[0024]Xucj (η)-Xual (η)]
[0025]其中:
[0026]m為每相數據中所包含的周期的個數；
[0027]η為每個周期中採樣數據的個數；
[0028]1、j、ζ 均為整數,且 l<i<m;li^ji^m;l<zi^n;
[0029]Xual為A相數據中第一個周期序列；XUal(z)為該周期序列中的第ζ個數據；
[0030]Xuai為A相數據中第i個周期序列，Xuai(Z)為該周期序列中的第ζ個數據；
[0031]V Uai為A相數據中第i個周期序列經作差運算後的差值序列數據；
[0032]Xmj、Xucj分別為B相、C相數據中第j個周期序列;Xubj (z)、Xucj (ζ)分別為Xubj、Xlfcj中的第ζ個數據；
[0033]V uw、V UcJ分別為B相、C相數據中第j個周期序列經作差運算後的差值序列數據。
[0034]步驟4中的相鄰作差方法為:
[0035]X，Ual (z) = Xual (z) -Xual (z-1)
[0036]Xjual(I) = Xual(I)
[0037]其中:
[0038]Xual (ζ)為A相數據中第一個周期序列的第ζ個數據；
[0039]V Ual (ζ)為Xual (Z)與Xual (ζ-l)作差後的差值數據；
[0040]Xual (I)、X』 Ual(l)均為A相數據中第一個周期序列的第一個數據。
[0041]一種上述方法的壓縮裝置，其特徵在於，包括數據接收裝置、數據壓縮模塊和數據發送裝置；數據接收裝置和數據發送裝置分別通過雙口 RAM模塊與數據壓縮模塊連接；
[0042]數據接收裝置包括通信接口模塊，數據輸入通信類型選擇模塊、數據接收及類型轉換模塊；通信接口模塊和數據輸入通信類型選擇模塊均與數據接收及類型轉換模塊相連；數據輸入通信類型選擇模塊依據電網現有測量設備的通信方式選擇相應的通信方式；數據接收及類型轉換模塊依據數據輸入通信類型選擇模塊選定的通信方式實現採樣數據的接收，並轉換成字節格式存入雙口 RAM ；
[0043]數據壓縮模塊按照所述數據壓縮方式實現數據的壓縮；
[0044]數據發送裝置包括通信接口模塊，數據輸出通信類型選擇模塊、數據類型轉換及發送模塊；通信接口模塊，數據輸出通信類型選擇模塊均與數據類型轉換及發送模塊相連；數據輸出通信類型選擇模塊依據電網的通信方式選擇正確的通信方式；數據類型轉換及發送模塊依據數據輸出通信類型選擇模塊選定的通信方式實現壓縮數據的類型轉換，並通過電網的通信網絡發送出去。
[0045]所述數據類型轉換及接收模塊、數據壓縮模塊、數據類型轉換及發送模塊均以單片機、數位訊號處理器或ARM微處理器實現。
[0046]所述壓縮裝置依據電網通信網絡的通信方式選擇相應的通信接口與電網通信網絡連接。
[0047]所述壓縮裝置裝設於電力系統現有的三相電壓、電流採樣設備與通信網絡之間，實現採樣數據的壓縮。
[0048]本發明的有益效果為:
[0049](I)本發明所述方法採用預處理後再進行哈夫曼編碼壓縮方式，極大地提高了數據壓縮比，對提高電力通信的實時性，減少數據存儲的負擔，加快電力信息化的發展，以及提高電力系統運行控制水平都具有重要意義。
[0050](2)本發明所述無損壓縮方法相對於目前電力系統應用較多的有損壓縮方法，其優點在於可以保證採樣數據的準確性，在數據壓縮環節不會帶來任何誤差。
[0051](3)本發明所述的數據壓縮裝置可直接接入現有電網測量設備與通信網絡之間，便於現有電網測量設備的改造應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0052]圖1是三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法實施例的流程圖；
[0053]圖2是A、B、C三相電壓10周期的信號波形圖；
[0054]圖3是三相相位歸一處理後的三相電壓波形；
[0055]圖4是周期做差後的三相電壓波形圖；
[0056]圖5是使用本申請所述方法與不使用本申請所述方法壓縮比對比圖；
[0057]圖6是三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮裝置實施例的結構框圖。
【具體實施方式】
[0058]為使本申請的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和【具體實施方式】對本申請作進一步詳細的說明。
[0059]圖1所示，為三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法實施例的流程圖，該方法可以具體的包括以下步驟:
[0060]步驟1:對三相電壓、電流信號波形採樣；
[0061]在本申請的一種可選示例中，監測系統的監測設備所用模數轉換器(ADC)為16位，採樣頻率為10kHz，數據的時間長度為0.2s (10個工頻周期)，以此為例對壓縮算法進行說明。
[0062]例如，選擇三相電壓信號的壓縮為例進行壓縮算法的說明，三相電流的壓縮原理與電壓相同。
[0063]A、B、C三相電壓10周期的信號波形如圖2所示，縱軸電壓幅值直接以16位採樣數值表示。以A相為例，對其採樣0.2s,對應的2000個採樣數據序列為:Xua =
[025F, 06A5, OAEI, 0F2D, 14E4, 19F2, 1ED4,......，FABA, 0063，053E, 0AC8, 103C]，其中，採樣數據中的負數以補碼形式表示。B、C相電壓的採樣原理與A相相同。
[0064]步驟2:三相相位歸一處理；
[0065]圖2所示，為A、B、C三相電壓10個周期的信號波形圖，如圖所示，三相電壓相位互差120度。為了使三相電壓相位更一致，便於統一壓縮，以A相電壓為基準，調整B、C兩相電壓迪相位:例如，本實施例中，B相從數據首端截取三分之一周期(200/3 = 66.7，四捨五入取整為67個數據)移至數據序列的末端，C相從數據首端截取三分之二周期(200/3X2=133.3，四捨五入取整為133個數據)移至數據序列的末端。得到三相相位歸一處理後的三相電壓波形，如圖3所示。
[0066]理想情況下，三相波形將完全重合，但實際信號由於頻率總是在50Hz左右波動，三相信號中含有的諧波也不行同，三相信號測量時噪聲幹擾也不完全相同，因此，如圖3所示，實際的三相波形並不完全相同，而是略有差異。
[0067]步驟3:選定一個周期序列為基礎周期序列，以周期為單位，將基礎周期序列數據分別與三相採樣數據的其餘周期序列數據作差，得到基礎周期序列數據和其餘周期經作差運算後的差值序列數據；
[0068]可選的，在實施例中，以A相電壓第I周期數據(A相前200個數據)為基礎周期序列，將A相電壓其餘9個周期數據分別與A相電壓第I周期數據做差，B、C相電壓的每個周期數據也依次與A相電壓第I周期數據對應做差。經由該步處理之後的三相電壓波形圖，如圖4所示。
[0069]步驟4:基礎差值序列包含一個原始數據和其餘數據與相鄰數據的差值數據；優選的，原始數據為基礎周期序列兩個端點的數據；可選的，選擇A相第I周期數據的第I個數據為原始數據，將A相其餘數據分別與其前一項相鄰數據作差，具體做法為:
[0070]X』 ual (200) = Xual (200) -Xual (199)；
[0071]X』ual(199) = Xual (199)-Xual (198)；
[0072]......;
[0073]X，ual(2) =Xual (2)-Xual (I)；
[0074]X，ual(l) =Xual(I)；
[0075]其中，
[0076]Xual (200)、Xual (199)、……、Xual(l)代表 A 相第一周期序列 Xual 的第 200、199、……、I個值；
[0077]X，ual (200)、X，ual (199)、……、X』ual(l)代表 Xual 經相鄰數據作差後的第 200、199、……、1個值；Xual(l)保持不變。
[0078]步驟5:將步驟4得到的基礎差值序列與步驟3得到的其餘周期差值序列數據合成為一個數據序列Xu，Xu序列包含數據6000個；
[0079]Xu序列的中數據合成的順序並不限定，壓縮端按照一定順序規則對數據進行合成；只要解壓縮端獲知到該順序，並依照該順序進行逆運算，則可以正確解壓出原始數據。
[0080]可選的，合成序列Xu時，採用先A相、B相、C相的先後順序，在A相、B相、C相的每一相數據序列中，採用其採樣的先後順序，即:xu = [Xua(I)，Xua (2)，......，Xua (2000)，Xub (I)，
Xub ⑵，……，Xub (2000)，Xuc(l)，Xuc ⑵，……，Xuc (2000)];
[0081]在本實施例中，數據序列為Xu = [025F，0446，043C，044C，…，004C, 002B, 0014，FFFB, FFC9, FFA9,…，001B, 0013，001C, 002F, 002F]；
[0082]經過步驟3、4的處理，數據序列Xu中存儲的數據，其本質為原始數據與基準數據的差值，每個十六進位數據數值變化幅度很小，具有很明顯的規律性。通常的，若四位數據為正數，其高兩位多為00 ;若四位數據為負數，其高兩位多為FF。將每個數據的高兩位提取出來構成一組子數據Xul，將每個數據的低兩位提取出來構成另一組子數據Xu2。
[0083]本實施例中，Xul=[02040404...000000FFFFFF…0000000000]；
[0084]Xu2 = [5F463C40.4C2B14FBC9A9…1B131C2F2F]。
[0085]步驟6:利用huffman數據壓縮算法對分解後的兩組子數據進行壓縮；
[0086]對Xul和Xu2分別利用huffman數據壓縮算法進行壓縮，Xul中「O」和「F」字符大量重複出現，因此對其進行壓縮，壓縮率可以得到很大的提高。
[0087]圖5所示，為使用本申請所述方法與不使用本申請所述方法壓縮比對比圖；
[0088]被壓縮的數據來自某測量裝置自某變電站I 1kV母線電壓互感器二次側測量所得三相電壓數據，採樣頻率12800Hz，數據周期數10周期。
[0089]壓縮比的計算方法是，壓縮前數據字節數比壓縮後數據字節數。
[0090]由圖5可以看出，本發明所述方法相對於常用的WinRAR軟體其壓縮比有很大提高，另外本發明所述預處理環節對提高壓縮比的效果十分顯著。
[0091]圖6所示，為三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮裝置實施例的結構框圖，壓縮裝置包括順序連接的:數據接收裝置、數據壓縮模塊和數據發送裝置。
[0092]其中:數據接收裝置包括通信接口模塊，數據輸入通信類型選擇模塊、數據接收及類型轉換模塊；其中，通信接口模塊和數據輸入通信類型選擇模塊均與數據接收及類型轉換模塊相連；數據接收及類型轉換模塊以單片機、數位訊號處理器或ARM等微處理器為核心，通過雙口 RAM模塊(RAMl)與數據壓縮模塊連接，負責接收電網現有採樣設備的採樣數據，並將其轉化成字節數據存入雙口 RAMl。優選的，通信接口模塊包括串口、網絡接口、無線通信接口、USB接口等；可選的，依據電網現有測量設備的通信方式選擇相應的通信接口與測量設備連接；數據輸入通信類型選擇模塊依據電網現有測量設備的通信方式選擇相應的通信方式；數據接收及類型轉換模塊依據數據輸入通信類型選擇模塊選定的通信方式實現採樣數據的接收，並轉換成字節格式存入雙口 RAMl。
[0093]其中:數據壓縮模塊以單片機、數位訊號處理器或ARM等微處理器為核心，實現本發明所述的數據壓縮方法；通過本模塊處理器的數據總線和地址總線從雙口 RAMl讀取數據並壓縮，然後將壓縮後的數據通過本模塊處理器的數據總線和地址總線寫入雙口 RAM2並將壓縮後的字節數據存入雙口 RAM2。
[0094]其中:與數據接收裝置相對應的，數據發送裝置包括通信接口模塊，數據輸出通信類型選擇模塊、數據類型轉換及發送模塊；其中，通信接口模塊，數據輸出通信類型選擇模塊均與數據類型轉換及發送模塊相連。數據類型轉換及發送模塊以單片機、數位訊號處理器或ARM等微處理器為核心，通過雙口 RAM模塊(RAM2)與數據壓縮模塊連接，通過本模塊處理器的數據總線和地址總線從雙口 RAM2讀取數據並發送出去。優選的，通信接口模塊包括串口、網絡接口、無線通信接口、USB接口等；可選的，依據電網通信網絡的通信方式選擇相應的通信接口與電網通信網絡連接；數據輸出通信類型選擇模塊依據電網的通信方式選擇正確的通信方式；數據類型轉換及發送模塊依據數據輸出通信類型選擇模塊選定的通信方式實現壓縮數據的類型轉換，並通過電網的通信網絡發送出去。
[0095]壓縮裝置可裝設於電力系統現有的三相電壓、電流採樣設備與通信網絡之間，實現採樣數據的壓縮。
[0096]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法，其特徵在於，所述方法包含以下步驟: 步驟1:對三相電壓、電流信號波形採樣，得到三組多項序列； 步驟2:對三相電壓、電流信號波形採樣波形的相位進行歸一處理； 步驟3:選定一個周期序列為基礎周期序列，以周期為單位，將基礎周期序列數據分別與三相採樣數據的其餘周期序列數據作差，得到基礎周期序列數據和其餘周期經作差運算後的差值序列數據； 步驟4:對基礎周期序列內的數據進行相鄰作差，得到基礎差值序列；基礎差值序列包含一個原始數據和其餘數據與該原始數據的差值數據； 步驟5:將步驟4得到的基礎差值序列與步驟3得到的其餘周期差值序列數據合成為一個數據序列；該數據序列中的每個數據數值都很小，因此其高位字符變得較為穩定，變化較小；截取每個數據的高位部分構成一組數據，截取每個數據的剩餘低位部分提取構成另一組數據； 步驟6:利用huffman數據壓縮算法對分解後的兩組子數據進行壓縮。
2.根據權利要求1所述的三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法，其特徵在於，所述歸一化處理為:三相電壓、電流信號波形採樣數據中，A相數據保持不變，B相數據從首端截取三分之一周期個數的數據移至數據序列的末端，C相數據從首端截取三分之二周期個數的數據移至數據序列的末端，當出現小數時四捨五入取整。
3.根據權利要求2所述的三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法，其特徵在於，步驟3中基礎周期序列為A相數據中第一個周期序列。
4.根據權利要求3所述的三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法，其特徵在於，步驟3的作差方法為:
Xual — [Xual (l)，^Ual (2)，...，XUal (Z)，...，XUal (η)]
Xuai — [Xuai (l)，\ai (2)，...，XUai (Z)，...，XUai (Π)]
Xubj — [Xubj (I)，XlJbj (2)，...，Xybj (Z)，...，Xubj (n)]
XUcJ.— [Xucj- (I), XUcJ.(2)，...，Xucj- (z)，...，XUcJ.(n)]
X，Uai = [Xuai (I) -Xual (I)，Xuai (2) -Xual (2)，...，Xuai (z) ~XUal (Z)，...，
Xuai (n) _Xual (n)]
X』 Ubj = [Xubj (I) -Xual (I)，Xubj (2) -Xual (2)，...，Xubj (z) -Xual (Z)，...，
Xubj (n) _Xual (n)]
X，Ucj = [Xucj (I) -Xual (I)，Xucj (2) -Xual (2)，...，Xucj (z) ~XUal (Z)，...，
Xucj (n) _Xual (n)] 其中: m為每相數據中所包含的周期的個數； η為每個周期中採樣數據的個數； i > j> ζ 均為整數,且 l<i<m;li^ji^m;lXucj分別為B相、C相數據中第j個周期序列-Jubj(Z) >Xucj(Z)分別為X_、XUc;j中的第z個數據； Xubj> X』 UcJ分別為B相、C相數據中第j個周期序列經作差運算後的差值序列數據。
5.根據權利要求4所述的三相電壓、電流信號波形採樣數據的壓縮方法，其特徵在於，步驟4中的相鄰作差方法為:
X，Uai(Z) = Xual(Z)-Xual(Z-1) X，Ual ⑴=Xual ⑴ 其中: Xual (Z)為A相數據中第一個周期序列的第Z個數據； X' Ual (Z)為\ai(Z)與Xual (Z-1)作差後的差值數據； Xual (I)、X』 Ual (I)均為A相數據中第一個周期序列的第一個數據。
6.一種實現權利要求1-5任一所述方法的壓縮裝置，其特徵在於，包括數據接收裝置、數據壓縮模塊和數據發送裝置；數據接收裝置和數據發送裝置分別通過雙口 RAM模塊與數據壓縮模塊連接； 數據接收裝置包括通信接口模塊，數據輸入通信類型選擇模塊、數據接收及類型轉換模塊；通信接口模塊和數據輸入通信類型選擇模塊均與數據接收及類型轉換模塊相連；數據輸入通信類型選擇模塊依據電網現有測量設備的通信方式選擇相應的通信方式；數據接收及類型轉換模塊依據數據輸入通信類型選擇模塊選定的通信方式實現採樣數據的接收，並轉換成字節格式存入雙口 RAM ； 數據壓縮模塊按照所述數據壓縮方式實現數據的壓縮； 數據發送裝置包括通信接口模塊，數據輸出通信類型選擇模塊、數據類型轉換及發送模塊；通信接口模塊，數據輸出通信類型選擇模塊均與數據類型轉換及發送模塊相連；數據輸出通信類型選擇模塊依據電網的通信方式選擇正確的通信方式；數據類型轉換及發送模塊依據數據輸出通信類型選擇模塊選定的通信方式實現壓縮數據的類型轉換，並通過電網的通信網絡發送出去。
7.根據權利要求6所述的壓縮裝置，其特徵在於，所述數據類型轉換及接收模塊、數據壓縮模塊、數據類型轉換及發送模塊均以單片機、數位訊號處理器或ARM微處理器實現。
8.根據權利要求6所述的壓縮裝置，其特徵在於，所述壓縮裝置依據電網通信網絡的通信方式選擇相應的通信接口與電網通信網絡連接。
9.根據權利要求6所述的壓縮裝置，其特徵在於，所述壓縮裝置裝設於電力系統現有的三相電壓、電流採樣設備與通信網絡之間，實現採樣數據的壓縮。
【文檔編號】H03M7/30GK104320143SQ201410577828
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】牛勝鎖, 梁志瑞, 王慧娟, 蘇海鋒, 趙飛 申請人:華北電力大學（保定）