一种用于波形数据的无损压缩方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种用于波形数据的无损压缩方法、系统及介质，本发明专利技术用于波形数据的无损压缩方法包括针对波形数据进行采样；针对采样点数据进行至少一次两阶差分运算，其中两阶差分运算包括前后差分运算和周期差分运算；针对周期差分运算的结果进行可变帧压缩；针对可变帧压缩的结果进行字典压缩，得到最终的无损压缩结果。本发明专利技术能够充分利用波形的连续性与周期性的特性，联合前后差分与周期差分两种运算以及可变帧压缩在最大程度上缩小采样数值范围，消除差分运算结果中的周期性分量、降低暂态波形数据的幅度变化值以提高压缩率，具有压缩率高、实现简单的优点。实现简单的优点。实现简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于波形数据的无损压缩方法、系统及介质


[0001]本专利技术涉及数据压缩领域的波形数据压缩技术，具体涉及一种用于波形数据的无损压缩方法、系统及介质。

技术介绍

[0002]为检测电力系统中的高次谐波与高频动态扰动，需要高分辨率的同步波形数据。其中，高速同步波形是指利用同步测量技术，测量所得具有高速率特点的电压与电流波形数据。然而，受电网网络带宽和网络质量的限制，实时接收如此高密度同步波形数据易出现数据丢帧，同时也占用大量存储空间，影响电网后续态势感知与事件分析。可通过对高速同步波形进行压缩来解决数据量大的问题，典型的数据压缩方法包括无损压缩与有损压缩两类。有损压缩即有损地对数据进行压缩，如奇异值分解、离散小波变换等，其压缩率高，但该方法会造成信息损失，无法保留所有频段振荡信号；无损压缩可避免信息丢失问题，常见的方法有霍夫曼算法、字典编码、差分编码等，该类方法的不足是压缩率较低。未深入挖掘同步波形自身特点，未能利用无损压缩多阶压缩的优势，是导致压缩率低的主要因素。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于波形数据的无损压缩方法、系统及介质，本专利技术能够充分利用波形的连续性与周期性的特性，联合了前后差分与周期差分两种差分运算以及可变帧压缩在最大程度上缩小采样数值范围，能够消除差分运算结果中的周期性分量、降低暂态波形数据的幅度变化值以提高压缩率，具有压缩率高、实现简单的优点。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种用于波形数据的无损压缩方法，包括：S101，针对波形数据进行采样；S102，针对采样点数据进行至少一次两阶差分运算，所述两阶差分运算包括针对波形数据中的相邻采样点数据进行的前后差分运算，并对差分运算结果进一步执行周期差分运算以消除差分运算结果中的周期性分量、降低数据幅度变化值以提高压缩率；S103，针对周期差分运算的结果进行可变帧压缩；S104，针对可变帧压缩的结果进行字典压缩，得到最终的无损压缩结果。
[0005]可选地，步骤S101中针对波形数据进行采样时，采样频率高于1kHz。
[0006]可选地，步骤S102中对差分运算结果的周期差分运算的函数表达式为：x
i+1
(n) = x
i
(n+m)
ꢀ‑ꢀ
x
i
(n)上式中，x
i+1
(n)为第n个周期差分运算的结果，x
i
(n+m)为第n+m个差分运算的结果，x
i
(n)为第n个差分运算的结果，m为波形周期对应的采样点数，且m大于0。
[0007]可选地，所述波形周期对应的采样点数m取值为波形数据的基波频率除以针对波形数据进行采样的采样频率。
[0008]可选地，步骤S102中对波形数据中的相邻采样点数据进行的前后差分运算的函数表达式为：x
i
(n) = x(n+1)
‑ꢀ
x(n)上式中，x
i
(n)为第n个差分运算的结果。
[0009]可选地，步骤S103中针对周期差分运算的结果进行可变帧压缩是指采用改进后的可变帧压缩Simple
‑
9算法对周期差分运算的结果进行可变帧压缩，且采用32位来存储数据帧，所述数据帧的32位长度中，前4位为用于表示数据位长类型的帧头，其余28位为数据位；所述改进后的可变帧压缩Simple
‑
9算法的帧头包括11种数据位长类型，除了可变帧压缩Simple
‑
9算法的1、2、3、4、5、7、9、14共八种基本数据位长类型以外，还重新设计三种存储方式以用于因暂态信号、扰动事件造成波形幅值骤变的数据，分别包括：16位和12位组合形成的28位数据位长类型，12位和16位组合形成的28位数据位长类型，以及仅含16位有效数据位的28位数据位长类型，使得32位数据帧中仅3、5、9三种数据位长类型以及仅含16位有效数据位的28位数据位长类型共计四种数据位长类型存在无效的数据位。
[0010]可选地，步骤S104中针对可变帧压缩的结果进行字典压缩是指采用LZMA算法对可变帧压缩的结果进行字典压缩。
[0011]此外，本专利技术还提供一种用于波形数据的无损压缩系统，包括：波形采样程序单元，用于针对波形数据进行采样；两阶差分程序单元，用于针对采样点数据进行至少一次两阶差分运算，所述两阶差分运算包括针对波形数据中的相邻采样点数据进行的前后差分运算，并对差分运算结果进一步执行周期差分运算以消除差分运算结果中的周期性分量、降低数据幅度变化值以提高压缩率；可变帧压缩程序单元，用于针对周期差分运算的结果进行可变帧压缩；字典压缩程序单元，用于针对可变帧压缩的结果进行字典压缩，得到最终的无损压缩结果。
[0012]此外，本专利技术还提供一种用于波形数据的无损压缩系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述用于波形数据的无损压缩方法。
[0013]此外，本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述用于波形数据的无损压缩方法。
[0014]和现有技术相比，本专利技术主要具有下述优点：1、本专利技术包括针对采样点数据进行两阶差分运算，两阶差分运算包括针对波形数据中的相邻采样点数据进行的前后差分运算，并对差分运算结果进一步执行周期差分运算，充分利用波形的连续性与周期性的特性，联合了前后差分与周期差分两种差分运算在最大程度上缩小采样数值范围，能够消除差分运算结果中的周期性分量、降低数据幅度变化值以提高压缩率。
[0015]2、本专利技术包括将差分运算、可变帧压缩、字典压缩三者有序结合，实现了针对波形数据的高压缩率压缩，相比有损方法能完整保留高速同步波形信息，极大程度减小了存储空间，保障了压缩率效果，具有计算复杂度低、压缩率高的优点，可用于改善数据传输，并便于在测量设备或服务器端嵌入式实现以完成波形数据的在线压缩计算，用于解决包括电网
高速同步波形传输丢帧的难题在内的各类高速波形数据采样时的波形传输丢帧的难题。
[0016]3、本专利技术用于波形数据的无损压缩方法实现简单，例如均可以用C语言实现，具备嵌入式在线运行优势，适用于包括电网高速同步波形在内的各类波形的在线无损压缩。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例方法的基本流程示意图。
[0018]图2为本专利技术实施例方法的压缩和解压基本原理示意图。
[0019]图3为本专利技术实施例中的两阶差分运算示例。
[0020]图4为本专利技术实施例中改进的可变帧压缩Simple
‑
9算法中的帧结构示意图。
[0021]图5为本专利技术实施例中不同采样频率下的压缩率对比曲线。
[0022]图6为本专利技术实施例方法和其他压缩方法的性能对比曲线。
具体实施方式
[0023]下文将以电网高速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于波形数据的无损压缩方法，其特征在于，包括：S101，针对波形数据进行采样；S102，针对采样点数据进行至少一次两阶差分运算，所述两阶差分运算包括针对波形数据中的相邻采样点数据进行的前后差分运算，并对差分运算结果进一步执行周期差分运算以消除差分运算结果中的周期性分量、降低数据幅度变化值以提高压缩率；S103，针对周期差分运算的结果进行可变帧压缩；S104，针对可变帧压缩的结果进行字典压缩，得到最终的无损压缩结果。2.根据权利要求1所述的用于波形数据的无损压缩方法，其特征在于，步骤S101中针对波形数据进行采样时，采样频率高于1kHz。3. 根据权利要求2所述的用于波形数据的无损压缩方法，其特征在于，步骤S102中对差分运算结果的周期差分运算的函数表达式为：x
i+1
(n) = x
i
(n+m)
ꢀ‑ꢀ
x
i
(n)上式中，x
i+1
(n)为第n个周期差分运算的结果，x
i
(n+m)为第n+m个差分运算的结果，x
i
(n)为第n个差分运算的结果，m为波形周期对应的采样点数，且m大于0。4.根据权利要求3所述的用于波形数据的无损压缩方法，其特征在于，所述波形周期对应的采样点数m取值为波形数据的基波频率除以针对波形数据进行采样的采样频率。5. 根据权利要求1所述的用于波形数据的无损压缩方法，其特征在于，步骤S102中对波形数据中的相邻采样点数据进行的前后差分运算的函数表达式为：x
i
(n) = x(n+1)
‑ꢀ
x(n)上式中，x
i
(n)为第n个差分运算的结果。6.根据权利要求1所述的用于波形数据的无损压缩方法，其特征在于，步骤S103中针对周期差分运算的结果进行可变帧压缩是指采用改进后的可变帧压缩Simple
‑
9算法对周期差分运算的结果进行可变帧压...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚文轩，邱伟，唐求，郑瑶，唐思豪，段俊峰，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：