电力系统故录波数据实用压缩方法--修改稿.doc

电力系统故障录波数据实用压缩方法 摘要：针对电力系统大量故障录波数据的传输问题，以故障录波数据在整体录波文件占据较小比例为依据，提出一种立足于录波数据整体的分通道分时段数据压缩新方案。对于周期信号的压缩，快速傅里叶（FFT）算法具有压缩比高的优势，因此先对分段数据进行FFT计算，若误差较大则改用小波变换压缩。在电力系统频率偏移额定值的情况下，采用加窗傅里叶变换校正算法，保证压缩率和压缩精度。仿真研究和实际录波文件的压缩应用表明，算法能获得较高的压缩性能和较小的误差，验证了该方案的可行性和有效性。 关键词：故障录波数据；数据压缩；快速傅里叶(FFT)算法；加窗离散傅里叶(DFT)算法；小波变换 中图分类号：TM771 文献标识码：A (0 绪论 电力网络发生故障时，故障录波装置会动态记录系统电流、电压及其导出量等，用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，分析系统暂（动）态过程中各电气量的变化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性。 由于故障暂态信号是一种非平稳信号，覆盖的频谱较宽，因此要求录波装置的采样率较高，通常为kHz级，从而得到了海量的故障录波数据，使得故障信号的实时传输面临巨大困难。 文献[1-4]分别采用基于信号奇异性检测原理的自适应小波变换、基于GHM多小波变换、基于双正交小波以及基于提升格式的小波数据压缩方法，提出了小波最优分解层数的确定公式，详细分析了多种编码方式的应用；文献[5]讨论和比较了小波变换的不同预处理方法对数据压缩的影响；文献[6]区分正常数据和故障数据，对故障数据进行自适应小波压缩，而非故障数据则先进行Clark变换后自适应小波压缩。 本文立足于录波文件整体，根据故障录波数据的特点，提出了分通道分段压缩方案，即针对某一通道某一时段的录波数据，以FFT重构误差为依据，判定使用FFT压缩或者小波压缩。通过MATLAB仿真和华中电网实际故障录波数据，验证了本方案的可行性及良好的压缩性能。 1 故障录波数据特点 根据IEEE的COMTRADE标准，一个完整的录波文件通常由三个文件构成，即头文件、配 置文件和数据文件。其中数据文件包含实际录波数据，该文件按采样时间点顺序进行记录。采样时间点数取决于记录时间的长短，每一采样时间点采集的数据个数取决于录波装置。每个数据采样记录格式如图1，n为采样编号(4Byte)；timestamp为采样时标(4Byte)；A1…Ak为模拟通道采样数据，每个通道数据大小为2Byte；D1…Dm为状态通道采样数据，以每16通道2字节(16位)为单位，即16个状态通道为一组连续显示。 图1 数据采样记录格式 Fig.1 Data sampling record format 按照我国《DL/T 553-94 220~500kV电力系统故障动态记录技术准则》[7]要求，模拟量信号需按故障开始的顺序分A-B-C-D-E五个时段进行采样，其中A时段为系统大扰动（）开始前的状态数据，输出原始记录波形及分析值；B时段为系统在大扰动初期的状态数据；C时段为系统在大扰动中期的状态数据；D时段为系统动态过程数据；E时段为系统长过程的动态数据，直到故障或振荡结束，示意如图2。 图2 故障录波时段 Fig.2 Fault recording time 故障录波是从系统某一处故障前一段特定时间开始的，而其他线路是正常运行的，因此大多数模拟通道数据与故障无关或影响较小，在整个记录时段内，近似显稳态周期性变化，信号主要以基波分量为主，可能还包含高次谐波；大多数开关量（状态通道数据）在录波过程中不会发生变化，因而包含大量的冗余信息。 2 数据压缩方案 根据录波数据的上述特点，对于模拟通道数据，用FFT算法和小波变换分别对正常数据和故障数据进行压缩；对于状态通道数据，如若其在录波时段发生变化，则记录其变化起始点和结束点的时标以及各变化段的状态值；否则只需记录原始状态值。 2.1 FFT压缩方法 对模拟通道数据进行FFT计算，在某个给定的错误容限下，把小于相应阈值的FFT系数置零，减少需要传输的系数，从而可以实现压缩。对于离散的周期信号，FFT压缩效果非常好。 2.2小波变换压缩方法 小波变换压缩的基本目标是使信号在时间-频率域的分解系数所占的存储空间尽可能小，同时还要保证压缩后的系数能精确地反映原始信号所携带的信息。对于实现来讲，信号可以用近似系数加部分的细节系数来表示信号，以达到用更少的位来存储小波系数并尽量保证重建的质量的目的。压缩过程可以分为如下三步： (1)对原信号进行小波分解，得到分解系数； (2)对小波域中的系数进行处理，去除信号中的冗余（在此步中，我们可以指定压缩的一些参数，来获得需要的压缩比、误差等性能指标）； (3)利用处理后的系数，重建压缩后的信号。 2.3