基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法技术

一种基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法：根据配电网同步相量量测装置的应用场景，输入压缩参数；持续获取T时间段内M个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据，构建量测数据矩阵；对量测数据矩阵标准化处理，得到标准量测数据矩阵；计算标准量测数据矩阵的需要保留的奇异值数量；进行数据压缩阶段；进行数据重构阶段；进行误差需求判断；如果需要保留的奇异值数量大于1，进行更新；发送新的分块子矩阵。本发明专利技术计算方法简单，不断优化需要保留的奇异值数量，采用递归方式快速求解恢复被压缩的元素，实现无损压缩，能够获得较高的重构数据准确度。

【技术实现步骤摘要】
基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法
本专利技术涉及一种配电网同步相量量测数据压缩方法。特别是涉及一种基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法。
技术介绍
同步相量量测装置利用全球定位系统提供的同步时间基准可实现对电力系统中电压相量、电流相量、功率和系统频率等电气量的高精度同步测量，同步相量量测数据的快速更新可大大改善电力系统状态估计的计算速度和估计准确度，从而提高电力系统的可观性。由于配电系统节点数众多、网络复杂度高，加之传统量测装置(如SCADA)由于配置数量有限、数据更新慢、缺乏时间同步性等原因，难以保证状态估计的精度和网络的可观性。同步相量量测装置可以提供的高精度同步快速测量数据，因此，在配电网中配置同步相量量测装置可以加快配电网在线应用的计算速度。一方面，由于配电线路未采用循环换位、大量不平衡的单相负荷、分布式电源的不对称集成等导致了配电网是三相不平衡的网络，配电网中同步相量量测装置需要分别采集三相的电气量，然而，同步相量量测装置的高采样频率(通常是30Hz-100Hz)将产生海量的数据，大量的数据加剧了通信网络的数据传输负担和主站的数据存储负担。另一方面，由于配电网直接面向用户，常常面临多种不同的运行场景(如分布式电源的接入、电压/无功控制、网络阻塞管理、故障后供电恢复等等)，而不同的运行场景对数据的要求也不尽相同(数据精度、响应速度、实时性等)。因此，对同步相量量测装置的量测数据进行有效的压缩处理，能保证在满足配电网不同应用场景需求的同时大大减轻通信网络的负担。然而，当前对配电系统中同步相量量测数据压缩方法的研究不多，已有的压缩方法主要有基于小波变换的压缩方法，基于旋转门的压缩方法，以及基于Haffman编码的无损压缩方法。奇异值分解技术(SingularValueDecomposition,SVD)在图像处理与压缩、降声减噪、统计学等领域应用广泛，然而，传统的奇异值分解技术由于没有考虑子矩阵的正交性，未考虑对子矩阵进一步压缩，导致压缩比相对偏低。为了在保证量测数据准确度的条件下获得最大的压缩比，从而大大减轻通信网络的数据传输负担或主站的数据存储负担，使用基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法对电力系统海量的数据进行压缩具有重要的工程意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种可同时压缩数据集中器中多个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据的基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法，包括如下步骤：1)根据配电网同步相量量测装置的应用场景，输入如下压缩参数：M个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据的期望的误差界εExp，同步相量量测装置的采样时间间隔Δt，量测总持续时间T；2)持续获取T时间段内M个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据，构建量测数据矩阵X＝[x(1),x(2)，…，x(N)]，其中，量测数据列向量x(l)＝[x1,j,x2，j，…，xM,j]T，l＝1，2，…，N，量测数据矩阵列索引的最大值N＝T/Δt；3)对量测数据矩阵标准化处理，得到标准量测数据矩阵对标准量测数据矩阵执行奇异值分解，得到第一正交矩阵对角矩阵和第二正交矩阵计算标准量测数据矩阵的需要保留的奇异值数量s；4)数据压缩阶段，从对角矩阵∑中取标准量测数据矩阵的s个需要保留的数值最大的奇异值，按降序排列构建新的矩阵并取新的矩阵∑″的分块子矩阵得到新的分块对角矩阵分别对第一正交矩阵U和第二正交矩阵VH分块处理，得到分块子矩阵和以及和压缩分块子矩阵U11的上三角元素得到新的分块子矩阵并存储，压缩分块子矩阵的下三角元素得到新的分块子矩阵并存储；5)数据重构阶段，根据第一正交矩阵U的列向量的两两正交性和第二正交矩阵VH的行向量的两两正交性，分别对第一拼接矩阵和第二拼接矩阵建立线性方程组，采用递归方式求解线性方程组，将解存放到新的分块子矩阵的上三角和新的分块子矩阵的下三角，无损地恢复新的分块子矩阵和新的分块子矩阵中的被压缩元素；将第一拼接矩阵新的分块对角矩阵和第二拼接矩阵相乘，得到标准重构数据矩阵对标准重构数据矩阵去标准化处理，得到重构数据矩阵当重构数据为相位数据时，由于相位数据的取值范围为[-π，π)，对重构数据矩阵X′添加相位约束；计算压缩比和重构误差；6)进行误差需求判断，当重构误差满足期望的误差界εExp时，转到步骤7)；否则，更新需要保留的奇异值数量s＝s+1，取新的矩阵∑″的分块子矩阵得到新的分块对角矩阵分别对第一正交矩阵U和第二正交矩阵VH分块处理，得到分块子矩阵和以及和压缩分块子矩阵U11的上三角元素得到新的分块子矩阵压缩分块子矩阵的下三角元素得到新的分块子矩阵转到步骤8)；7)如果需要保留的奇异值数量s>1，更新s＝s-1，转到步骤4)；否则，转到步骤8)；8)发送新的分块子矩阵和算法结束。本专利技术的基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法，具有如下优势：1)计算方法简单，可同时压缩数据集中器中多个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据，在发送压缩数据之前，可以先在数据集中器快速实现数据的重构，以便验证算法是否满足应用场景对重构误差的最低要求；2)不断优化需要保留的奇异值数量，在满足误差需求的前提下最大限度地压缩量测数据，故本专利技术具备平衡压缩性能与重构误差的潜能；3)充分利用奇异值分解后矩阵的正交性对子矩阵的元素进一步压缩，通过建立线性方程组，采用递归方式快速求解恢复被压缩的元素，实现无损压缩；就压缩比而言，本专利技术改进奇异值分解数据压缩方法优于传统的奇异值分解数据压缩方法；4)考虑到同步相量量测装置的相位数据的取值范围为[-π,π)，对相位重构数据添加约束，从而获得较高的重构数据准确度。附图说明图1是本专利技术基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法的流程图；图2是改进奇异值分解压缩方法的示意图；图3a是PMU#1的A相电压相位的原始图；图3b是PMU#1的A相电压相位的局部放大图；图4a是PMU#1的A相电流相位的原始图；图4b是PMU#1的A相电流相位的局部放大图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法做出详细说明。如图1所示，本专利技术的基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法，包括如下步骤：1)根据配电网同步相量量测装置的应用场景，输入如下压缩参数：M个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据的期望的误差界εExp，同步相量量测装置的采样时间间隔Δt，量测总持续时间T；2)持续获取T时间段内M个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据，构建量测数据矩阵X＝[x(1),x(2),…,x(N)]，其中，量测数据列向量x(l)＝[x1,j,x2,j,…,xM,j]T，l＝1,2,…,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)根据配电网同步相量量测装置的应用场景，输入如下压缩参数：M个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据的期望的误差界ε

【技术特征摘要】
1.一种基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据配电网同步相量量测装置的应用场景，输入如下压缩参数：M个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据的期望的误差界εExp，同步相量量测装置的采样时间间隔Δt，量测总持续时间T；
2)持续获取T时间段内M个同步相量量测装置的同类型电气量量测数据，构建量测数据矩阵X＝[x(1)，x(2),…,x(N)]，其中，量测数据列向量x(l)＝[x1,j,x2,j,…,xM,j]T，l＝1,2,…,N，量测数据矩阵列索引的最大值N＝T/Δt；
3)对量测数据矩阵标准化处理，得到标准量测数据矩阵对标准量测数据矩阵执行奇异值分解，得到第一正交矩阵对角矩阵和第二正交矩阵计算标准量测数据矩阵的需要保留的奇异值数量s；
4)数据压缩阶段，从对角矩阵∑中取标准量测数据矩阵的s个需要保留的数值最大的奇异值，按降序排列构建新的矩阵并取新的矩阵∑″的分块子矩阵得到新的分块对角矩阵分别对第一正交矩阵U和第二正交矩阵VH分块处理，得到分块子矩阵和以及和压缩分块子矩阵U11的上三角元素得到新的分块子矩阵并存储，压缩分块子矩阵的下三角元素得到新的分块子矩阵并存储；
5)数据重构阶段，根据第一正交矩阵U的列向量的两两正交性和第二正交矩阵VH的行向量的两两正交性，分别对第一拼接矩阵和第二拼接矩阵建立线性方程组，采用递归方式求解线性方程组，将解存放到新的分块子矩阵的上三角和新的分块子矩阵的下三角，无损地恢复新的分块子矩阵和新的分块子矩阵中的被压缩元素；将第一拼接矩阵新的分块对角矩阵和第二拼接矩阵相乘，得到标准重构数据矩阵对标准重构数据矩阵去标准化处理，得到重构数据矩阵当重构数据为相位数据时，由于相位数据的取值范围为[-π,π)，对重构数据矩阵X′添加相位约束；计算压缩比和重构误差；
6)进行误差需求判断，当重构误差满足期望的误差界εExp时，转到步骤7)；否则，更新需要保留的奇异值数量s＝s+1，取新的矩阵∑″的分块子矩阵得到新的分块对角矩阵分别对第一正交矩阵U和第二正交矩阵VH分块处理，得到分块子矩阵和以及和压缩分块子矩阵U11的上三角元素得到新的分块子矩阵压缩分块子矩阵的下三角元素得到新的分块子矩阵转到步骤8)；
7)如果需要保留的奇异值数量s>1，更新s＝s-1，转到步骤4)；否则，转到步骤8)；
8)发送新的分块子矩阵和算法结束。


2.根据权利要求1所述的基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法，其特征在于，步骤3)中：
(1)所述的对量测数据矩阵X标准化处理，是将量测数据矩阵的所有元素除以对应的基准值，即矩阵元素标幺化得到标准量测数据矩阵
(2)所述的计算标准量测数据矩阵的需要保留的奇异值数量s表示为：
s＝min{M,N}(1)
式中，M表示同步相量量测装置的数量，N表示量测数据矩阵列索引的最大值。


3.根据权利要求1所述的基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法，其特征在于，步骤4)中所述的压缩分块子矩阵U11，是舍弃分块子矩阵U11对角线以上的所有上三角元素，仅保留对角线及以下的所有下三角元素，得到压缩后的新的分块子矩阵并存储；所述的压缩分块子矩阵是舍弃分块子矩阵对角线以下的所有下三角元素，仅保留对角线及以上的所有上三角元素，得到压缩后的新分块子矩阵并存储。


4.根据权利要求1所述的基于改进奇异值分解的配电网同步相量量测数据压缩方法，其特征在于，步骤5)中

【专利技术属性】
技术研发人员：于浩，叶羽转，王成山，赵金利，李鹏，孔祥玉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12