（电路与系统专业论文）基于数据压缩与GPRS的配变数据采集与监控系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着配电自动化的不断推广，巨量数据的通信与存储问题已成为电力系统 中一个非常重要且急待解决的问题，而解决这一难题的首要任务是对录波数据 进行压缩。本文针对这一现状，对电力系统录波数据的压缩、远传及解压缩等 相关问题进行理论研究和仿真分析。 首先分析了常见数据压缩算法，随后介绍了g p r s 技术特点及优势，介绍 了g p r s 的网络结构，还对g p r s 在电力通信网中的可行性进行了分析。 对稳态录波数据，论述了两种压缩方法：第一种方法为线性预测差分编码 和静态固定哈夫曼编码相结合的无损压缩算法，首先采用线性预测差分编码减 小录波数据采样点之间的相似性，然后利用静态固定哈夫曼编码对差分编码后 的录波数据进步消除冗余。第二种方法采用传统的傅立叶变换把原始信号从 时域变换到频域，舍弃2 0 次及其以上的高次谐波成分，然后对保留的直流分量、 基波和各次谐波的幅值和相角数据量化后和量化时分别乘以的倍数系数构成 个数组，以字符形式保存，采用静态哈夫曼编码对变换数据进行压缩j 对暂态 录波数据，采用小波变换和字典压缩编码( l z w ) 相结合的有损压缩算法，小波 变换在时域和频域都有着良好的局部化能力，因而它对录波数据的压缩能力非 常强，该算法对小波变换阀值量化后的小波系数采用字典压缩编码进一步压缩， 提高了压缩性能。 对稳态和暂态同时存在的录波数据，提出一种基于傅立叶变换和小波变换 的录波数据压缩新方法。该方法先对录波信号进行分段扰动类型检测，然后根 据各段信号的扰动类型分别选择合适的压缩方法：对稳态录波信号用傅立叶变 换与静态哈夫曼编码相结合的方法进行数据压缩；对暂态录波信号用小波变换 进行数据压缩，然后对阀值量化后的系数采用字典压缩编码进步压缩。 对几种压缩方法都作了大量的仿真分析，实验证明了基于傅立叶变换和小 波变换的录波数据压缩新方法的有效性。证明了该方法对解决电力系统录波数 据的压缩问题理论上是行得通的。最后，g p r s 数据传输测试通过压缩前后文 件的传输效果的比较分析，证明了数据压缩的必要性。 关键词：数据压缩，傅立叶变换，哈夫曼编码，小波变换，字典压缩 一1 一 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t sv e r yi m p o r t a n ta n du r g e n tt ob es o l v e do fl a r g eq u a n t i t yo fm e a s u r e dd a t a s c o m m u n i c a t i o na n ds t o r a g ei n p o w e rs y s t e m 、撕mt h eg r a d u a l l ys p r e a do f t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na u t o m a t i z a t i o na n dt h ek e yw a yt ot h i sp r o b l e mi sc a r r y i n g o u td a t ac o m p r e s s i o n t ot h i sa c t u a l i t yi no u rc o u i r r y , t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e d t h e o r e t i c a l l ya n dm a d em a s ss i m u l a t i o n so nt h er e l a t e dp r o b l e m st ot h ec o m p r e s s i o n ， r e m o t et r a n s m i s s i o na n dd e c o m p r e s s i o no fm e a s u r e dd a t ao fp o w e rs y s t e m f i r s t l y ，t h ep o p u l a rd a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d t h e nt h ea r t i c l e b r i e f l yi n t r o d u c e dt h eg p r st e c h n o l o g y c h a r a c t e r i s t i ca n dt h e s u p e r i o r i t y , i n t r o d u c e dt h eg p r sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，b u ta l s oh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i st o g p r si nt h ee l e c t r i cp o w e rc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kf e a s i b i l i t y f o rt h er e c o r d e dd a t ao fs t a b l es t a t e ，t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt w oc o m p r e s s i o n a p p r o a c h e si nd e t a i l t h ef i r s to n ei sal o s s l e s sa l g o r i t h mc a l l e dl i n e rp r e d i c t i o n d i f f e r e n t i a la n ds t a t i ch u f f m a nj o i n te n c o d i n g t h ea l g o r i t h mf i r s tr e m o v e st h ed a t a c o r r e l a t i v eb e t w e e nt h es a m p l e sb yr e p l a c i n gt h es a m p l i n gd a t ab yt h ed i f f e r e n t i a l v a l u ea n dt h e nr e d u c e st h ed a t ar e d u n d a n c yb yh u f f m a ne n c o d i n g t h es e c o n do n e i st ou s ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o nt oc o n v e r tt h es o u r c es i g n a lf r o mt i m ed o m a i nt o f r e q u e n c yd o m a i na n dt od i s c a r dh i g hf r e q u e n c yh a r m o n i o u sc o m p o n e n t su p w a r d s o f9 ，t h e nt ou s es t a t i ch u f f m a nc o d i n gt oe n c o d et h eq u a n t i z e dc h a r a c t e ra r r a y w h i c hi sc o m p o s e do fr e s e r v e dd i r e c tc u r r e n tc o m p o n e n ta n db a s i cw a v ea n de a c h h i g hf r e q u e n c y sa m p l i t u d e sa n da n g l e s f o rt h er e c o r d e dd a t ao ft r a n s i e n ts t a t e t h e a l g o r i t h m c a l l e dw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o na n dl z wj o i n t e n c o d i n g w a v e l e t t r a n s f o r m a t i o nh a sg o o dm u l t i - r e s o l u t i o na b i l i t yb o t ho nt h et i m ed o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i n ，s oi ti sv e r yu s e f u lf o rr e c o r d e dd a t ac o m p r e s s i o n i no r d e rt og e t b e t t e rc o m p r e s s i o ne f f e c t ，l z wa l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oe n c o d et h eq u a n t i z e d w a v e l e tc o e f f i c i e n t s f o rt h er e c o r d e dd a t aw i t hb o t hs t a b l es t a t ed a t aa n dt r a n s i e n ts t a t ed a t a , an o v e l s y n t h e s i sa l g o r i t h mf o rc o m p l e xe l e c t r i cs i g n a l ，b a s e do nf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o na n d 一2 一 浙江大学硕士学位论文 w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，i sp r o p o s e dt oc o m p r e s st h ep o w e rr e c o r d e dd a t ai n t h i s p a p e r i tf i r s tc l a s s i f i e sp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e si n t os t a b l eo n ea n dt r a n s i e n to n e b yw a v e l e t sm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i s ，a n dt h e nc o m p r e s s e st h es t a b l ea n dt r a n s i e n t r e c o r d e ds i g n a l sb yf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o na n do r t h o g o n a lw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n r e s p e c t i v e l y t h e nt h el z wa n dh u f f m a na l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oe n c o d et h e q u a n f i z e dw a v e l e ta n df o u r i e rc o e f f i c i e n t sr e s p e c t i v e l y m a s ss i m u l a t i o n sa n da n a l y s i su n d e rs e v e r a lc i r c u m s t a n c e sh a v eb e e nd o n et o s h o wt h a tt h ed a t ac o m p r e s s i o na p p r o a c hb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o na n d w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，a r ep e r f o r m e dt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h en o v e l s y n t h e s i sa l g o r i t h m l a s t l y , t h ee x p e r i m e n to ff i l et r a n s m i s s i o nb yg p r sh a sb e e n d o n e t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft r a n s p o r te f f e c t i v e n e s sb e t w e e nt h es o u r c ef i l e a n dt h e c o m p r e s s e d s o u r c ef i l ei st o v e r i f y t h a t t h ed a t ac o m p r e s s i o ni s i n d i s p e n s a b l e k e y w o r d s ：d a t ac o m p r e s s i o n ，f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ，h u f f m a nc o d i n g ， w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，l z w 一3 一 浙江大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着配电网的不断发展，有关电网的数据、信息资料越来越多，同时配电网 日趋复杂、馈线间相互关系错综复杂，给配电网管理工作提出越来越高的要求。 作为配电自动化系统重要组成部分的配电数据采集越来越受到人们的关注。 配变具有分布分散、数量众多、所处地理环境复杂的特点【l 】，对其实现远程 数据采集与监控，既满足实时性、可靠性的要求，又节约成本、经济合理，通信 方式的选择就变得尤为重要。目前国内配电监控歪缠采用的通信左直有电信电 缆、电话拨号、电力载波、微波通信、光纤、g s m 等，上匕较常用的有电力载波、 微波通信、光纤等。 电力线载波通信【2 】：使用电力线作为载波信号的传输介质，因此具有信息 传输路由合理、可同时复用远动信号等特点，是不需要线路投资的有线通信方式， 但是数字载波通信需要购置集中器。电力载波技术由于配电网结构复杂，干扰噪 声显著，使得信号衰减较大，通信的可靠性难以得到保证。数字电力载波通信提 高了可靠性，但技术复杂。 微波通信：它多应用于自动抄表、故障定位、负荷控制等。微波通信中，微 波通信设备投资太大，不适合于配电网的多点通信；普通电台无线电通信的可靠 性不高，不适用于多山地区和高建筑物密集的地区，而且超出一定范围后，需要 建立中继站，所以在配电系统中也没有大量普及。 光纤通信 3 1 ：光纤通信的优点是容量大、抗电磁干扰能力强、铺设方便，缺 点是铺设光纤和购置光端机的一次性投入和维护费用高。因此，在配电系统中， 光纤一般只作为主干线路的通信方式，还需要有其他通信方式作为补充。 这些通信方式应用于配电自动化系统都有其局限性，因此需要多种通信方式 相结合。近几年无线移动通信技术发展迅速，基于g s m 系统的g p r s 具有覆盖 面广、按流量收费、基于i p 协议可以访问整个i n t e m e t 、永远在线、传输速率较 高、易于维护和扩展j 连接速度快、费用低廉、可靠性赢+ 、适盒丕定期和长时期 数据传输的特点【4 】【5 1 。它能够弥补g s m 在实时性上面的不足，不必承担光纤通 信的高成本。因此g p r s 比较适合应用于配电自动化系统。 一1 一 浙江大学硕士学位论文 电能质量问题日益成为电力部门和用户普遍关注的问题，人们经常需要测量 电力系统电压、电流等数据，以便进行波动、闪变、谐波状况、阻抗频率特性和 电能质量的分析。而作为一个热门课题的暂态波形分析，其频带范围往往超过 1 m h z l 6 ，为了对它进行准确的分析，必须高速采样，这将产生大量的数据，只 有进行压缩才便于存储和压缩。 对于录波数据，一个很重要的特点就是数据量非常大，以一个具有典型1 6 个测量通道的录波装置为例，假设采样频率为6 0 0 0 h z ，即对交流工频5 0 h z 信号 每个周期采样1 2 0 点，如果采用】2 位的a d 转换器，每个采样数据占2 b y t e ，则 1 秒钟内的采样值数据总量为： 1 6 1 2 0 x 2 5 0 = 1 9 2 0 0 0 b y t e 如此大量的数据，如果按照a s c i i 码存储，数据量更大。由此可见，无论 是存储还是传送录波数据，都应作适当的处理。如果数据可以压缩后再存储和传 输，这就可以使存储和传输的数据量变得很小，也就可以增加通信能力【7 】，所以， 如何能提取出故障信号中的有效部分，将巨量的故障信号压缩，是一个急待解决 的且非常有意义的问题。 一方面，在数据量很大的情况下，仅靠提高配变终端硬件传输速率是不现实 的，这样，我们就要寻求高压缩比的方法且压缩后的信号要有合适的信噪比，在 压缩传输后还要能够恢复原始信号，这就要有高复现度，并且在压缩、存储、传 输、恢复的过程中，还要保持信号的特征不改变，以便进行信号处理。另一方面， 尽管计算机存储器的价格有降低的趋势，太量数据存储在配电终端仍然占有相当 大的额外费用，所以，对数据进行压缩，是减少存储费用和提高性能的一个最为 有效办法。 因此，电力供配电系统的数据通信和存储问题，是一个迫切需要解决的问题， 而若要解决这一问题，首先就必须对数据进行压缩。 1 2 国内外研究现状与发展 迄今为止，数据压缩技术在国内外都己得到非常广泛的应用，尤其是在视频、 雷达等方面【8 】，己取得显著成效，但是，在电力系统领域的应用研究，却是刚刚 起步。文献【9 】提出基于傅立叶变换编码的录波数据压缩方法，利用周波的有效 值和初始相位作为基准，对后续周波的数据按基准周波的数据进行压缩，由于这 一2 一 浙江大学硕士学位论文 是一种有损压缩的方法，因而压缩效果有一定的提高，但是文中没有讨论如何控 制数据的失真以获得理想的压缩效果；文献 1 0 1 介绍了自适应h u f f m a n 算法用于 录波数据的压缩，虽然该算法具有通用性，适合各种类型的数据，但是它并没有 考虑电力录波信号频率空间分布相对集中的特点，因而压缩效果不是很明显；文 献【1 1 】也只对电力系统正常运行状态下的稳态录波信号进行了探讨，而没有涉及 到故障暂态录波信号的压缩问题；文献 1 2 】 1 3 】【1 4 】 1 5 】介绍了离散小波变换对故 障暂态录波信号的压缩，它只对高频分量进行了阀值量化，没有对低频系数采取 任何压缩措施，所以达不到最佳压缩效果，其实，任何信号经过小波变换后生成 的小波系数的个数与原信号的数据个数相等，所以系数编码与变换后系数的编码 是小波变换用于压缩的核心，压缩的实质是对系数的量化编码；文献 1 6 1 7 1 8 1 9 仅介绍了数字图像的压缩。文献【2 0 】提出基于小波包变换的电力 系统暂态信号的压缩方法，从理论上讲，由于小波包变换不仅在信号的低频部分 进行分解，而且还对高频部分进行分解，因而比小波变换有更强的时频分析能力， 压缩效果也更为理想。但是基于小波包的信号重构是非常复杂的过程，因而难以 在实际中得到应用。 总的来说，现有的关于电力系统数据压缩的研究文献，它们研究的只是电力 系统中具有某一特定性质的信号的压缩问题，还不全面，而且，基本上都没有考 虑一次变换后被保留系数之间的相关性，通常它们之间存在较大的冗余，还可以 采用适当方法对这些系数进行二次压缩，随着配电自动化的不断推广，巨量数据 的压缩和存储己成为电力系统中一个急待解决的问题。 1 3 论文研究的主要内容、目标与方法 配电网络是以配电变压器为中心构成的供电网络，因此配变的运行数据是整 个配电网基础数据的重要组成部分。随着我国配电自动化建设的广泛开展，配变 数据采集与监控系统的建设成为配电自动化系统的重要组成部分之一。通过实时 采集配电变压器运行中的各种参数，并对采集的数据进行分析，来监视变压器的 运行状况，以优化配网运行方式；及时发现配电变压器运行中出现的异常情况， 迅速报警，及时恢复供电正常，可以减少停电时间；计算电压合格率，从而合理 控制电压水平，改善供电质量。 本文分别对电力系统稳态录波信曼獭暂态录波信号韵妊辫栅进行了理论 一3 一 浙江大学硕士学位论文 硒究和太量_ 肭笾裹分扳：虽后利用g r r s 实现了远程文件传输和接收数据的反 量化与还原。其中稳态录波信号采用两种压缩方法进行对比研究：( 1 ) 采用传统 的傅立叶变换把原始信号从时域变换到频域，舍弃一些不必要的高次谐波成分， 然后对幅值和相角乘以的倍数、保留的直流分量、基波和高次谐波系数量化后构 成一个字符数组，采用静态哈夫曼编码对变换系数进行压缩：( 2 ) 根据稳态录波 信号相邻采样点之间的相似性，采用一阶线性预测差分编甩拄报掘差分编码后 的录波数据的特点，采用静态哈去曼编码实现对稳态录波信号的进一步压缩，这 种压缩方法是一种无损压缩左法。暂态录波信号的压缩左法魏；采用小波变换 和字典压缩编码( l z w ) 相结合的有损压缩算法，小波变换在对域和频域都有着良 好白蝎部化龇因而它对录波数据的压缩能力非常强，该算法对小波变换阀值 莲北后的小波系数采用字典压缩编码进步压缩，提高了压缩性能。实际的录波 信号即包含稳态信号同时也包含暂态信号，采用的压缩方法为：采用傅立叶变换 与离散小波变换相结合的方法，首先通过小波变换对模极大值的枪测，来判断是 否是突变点，从而判断录波信号属于稳态还是暂态：然后根据不同状态采用不同 的压缩算法进行处理2 数据通讯部分的实现方法为：采用g p r s 网络通信技术和 i n t e r n e t 技术相结合的方法，实现网络间的远程文件传输；解压缩是压缩的逆过 程，就是把接收到的编码文件译码后生成原文件，再按照构成编码数据时采用的 量化方法( 如乘以的倍数等) 以及数据排列顺序来重构原始波形，包括反量化和译 码两个方面。论文从理论上实现了在电力系统误差允许范围内对稳态录波信号和 暂态录波信号进行大幅度的压缩、远程文件传输以及解压缩来重构出原始信号。 1 4 本文结构 本文工作主要针对配变自动化系统中录波数据量大、远传时间长这一问题展 开。在对现有录波数据分析和研究的基础上，本文采用了对电力系统稳态和暂态 录波信号分别进行压缩和解压缩。对稳态录波信号的压缩讨论了傅立叶变换有损 压缩和一阶线性预测编码无损压缩，并采用静态哈夫曼编码对其进一步编码。对 暂态录波信号采用基于小波变换的有损压缩方法，首先对录波采样数据进行小波 变换，然后对小波分解后的系数进行阀值量化，最后对量化后的系数采用字典压 缩编码( l z w ) 算法进一步压缩。对实际包含稳态和暂态的录波信号，采用基于傅 立叶变换和小波变换相结合的压缩方法进行压缩。 一4 一 浙江大学硕士学位论文 第一章为绪论，介绍配电自动化系统数据采集，压缩，传输的研究现状和发 展，并对本文研究的主要内容和研究方法做了简要的描述。 第二章详细介绍了配电自动化系统中数据压缩传输的技术，简述了几种常用 的数据压缩方法的基本原理，并由此分析适合于电力系统录波信号压缩的方法。 并介绍了g p r s 技术的特点和系统功能，并研究了该技术在配变自动化系统中应 用的可行性。 第三章首先详细介绍了基于线性预测差分编码和基于傅立叶变换的录波信 号的压缩方法，并提出利用静态固定哈夫曼编码对编码后的录波数据进一步压 缩，对整个的编码过程做了详细的介绍。并进一步对两种压缩方法进行了仿真对 比分析。 第四章首先介绍了小波变换的原理，然后对基于小波变换的录波数据压缩方 法做了详细的介绍，并对阀值量化后的小波系数采用l z w 算法进一步压缩。然 后提出了线性预测编码与小波变换相结合的对录波信号进行压缩的方法。最后对 压缩算法做了仿真分析，根据实验结果得出相关的结论。 第五章讨论了基于g p r s 的配电自动化系统的数据传输，通过远程数据传输 测试，测试了g p r s 网络的网络延时，传输速率，实现了录波信号的压缩传输和 还原，并对压缩前后传输的效果进行了比较。 第六章总结和展望。 一5 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章相关技术介绍 本章主要介绍常用的几种数据压缩方法的基本原理，并比较这几种压缩算法 各自的特点，为下面章节采用合适的数据压缩算法对录波数据进行压缩垫定坚实 的基础。然后讨论g p r s 技术的主要技术特点，网络结构以及系统的功能，并对 g p r s 在配电自动化系统应用的可行性行了进行分析。 2 1 数据压缩 所谓数据压缩，就是以最少的数码表示信源所发的信号，减少容纳给定信息 集合和数据采样集合的信号空间。数据压缩的本质就是想法去掉各种冗余( 如空 间冗余、时间冗余、信息熵冗佘等) ，保留真正有用的信息。从数学的角度来说， 就是将原始数据转换为从统计角度尽可能不相关的数据集，这个转换要在对数据 进行存储、处理和传输前进行，而在这之后需要将压缩了的原始数据解压缩以重 构原始数据。 2 1 1 数据压缩的原理 数据压缩，就是以最少的码字表示信源所发的信号，减少容纳集合或数据采 样集合的信号空间。所谓信号空间亦即被压缩对象是指【2 1 】f 2 2 】： ( 1 ) 物理空间，如存储器、磁盘、磁带等数据存储介质。 ( 2 ) 时间区间，如传输给定消息集合所需要的时间。 ( 3 ) 电磁频谱区域，如为传输给定消息集合所要求的带宽等。 由于信源特征千差万别，每一种信源所包含信息的相关性或冗余不尽相同， 所以在编码时，应当根据各种信源的特点，选择不同的压缩方法使得压缩性能尽 可能高，时间开销尽可能短，易于实现，获得最佳果1 2 3 1 2 4 1 。 在信息论中用“熵”来测量信息量的大小。 设离散信源的输出五，k = 1 ，2 ，) 取值于有限符号集a 彳= q ，a ：，q ，口 而该集合中每个对应符号出现的概率为： 尸= a ，p ：，只，肌) 一6 一 ( 公式2 1 ) 浙江大学硕士学位论文 其中仍= l , o p i - 3 ，才有数据压缩效益。于是 编码时要先判断r l 值，在决定是否做r l c ；而解码时则需要根据紧跟每一x 后 的码子是否为只，再决定其下一个字的含义。 游程编码的压缩效果取决于整个数据流中重复信号出现的次数、平均游程长 度及所采用的编码结构。在实际数据流中，游程是一个变化的数值，各种长度游 - 9 浙江大学硕士学位论文 程出现的频率不同，经过游程编码后的信息仍具有一定的冗余度，因此在许多场 合下，对游程采用哈夫曼编码进一步压缩，以进一步去除相关性，提高压缩比。 对于电力录波数据，由于它主要是按照正弦规律在变化，相邻采样点的值都 不一样，所以显然是不适合采用游程编码方法来直接进行压缩，但是可以利用游 程编码来作为变换编码中量化后进一步压缩的工具。 2 1 2 2 字典压缩编码( l z w ) 字典编码方法是以类似查字典的方式进行编码。这种方法的基本原理是以较 长的字符串或经常出现的字母组合构成字典中的各个词条，并且用相对较短的数 字或符号来表示。l z w 编码算法是典型的动态字典编码方案。 字典模型的主要方法是将已经编码过的信息作为原字典，如果需要编码过的 信息曾经出现过，就输出该字符串的出现位置及长度，否则就输出一个新的字符 串。如果使用静态字典模型方式，首先是适应性不强，其次是必须维护一个信息 量并不算小的字典，从而影响了最终的压缩效果。以字典压缩模型为主要思路的 算法有l z 7 7 、l z 7 8 和l z w 等几种。l z w 算法压缩的原理在于用字典中词条 的编码代替被压缩数据中的字符串。 l z w 编码是围绕字典的转换表来完成的，这张转换表用来存放前缀的字符 序列，并且为每个表项分配一个序号。l z w 编码器就是通过管理这个字典完成 输入与输出之间的转换。l z w 编码器的输入是字符流，字符流可以是用8 位 a s c i i 字符组成的字符串，而输出是用n 位( 例如1 2 位) 表示的码字流，码字代表 单个字符或多个字符组成的字符串。 l z w 算法可简单描述如下【2 5 】： ( 1 ) 字典初始化，使字典中包含所有由单个字符组成的词条，有汉字的情况 下一般为2 5 6 个字符； ( 2 ) 读取输入数据流中的第一个字符作为前缀串s ； ( 3 ) 读取下一个输入字符作为后缀字符c ； ( 4 ) 如果词条s c 不在字典中则转到( 5 ) 执行；把s c 放人s ，回到( 3 ) 执行； ( 5 ) 输出s 的编码，并把s c 存人字典，c 放人s ，回到( 3 ) 执行。 上述算法d 0 ( 3 ) - - - ( 6 ) 循环执行，直到被压缩数据流输人完毕。压缩的程序流 程图如图2 3 所示： 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 图2 - 3l z w 的压缩流程图 解压缩算法刚好是压缩算法的逆过程，也是动态生成一个串表，然后根据读 入的代码将压缩数据还原，其输入流是压缩算法的编码输出流，其输出流是压缩 算法的输入流。解压缩流程图如图2 4 所示： 浙江大学硕士学位论文 图2 - 4l z w 解压缩程序流程图 2 1 2 3 算术编码( a c ) 算术编码跳出了分组编码的范畴，从全序列出发，采用递推形式的连续编码。 一1 2 浙江大学硕士学位论文 将单个信源符号根据出现的概率映射到实数轴( 0 ，1 ) 区间内的一个小区间，其 长度等于该序列的概率，再在该小区间内选择一个代表性的二进制小数，作为实 际的编码输出，从而达到了高效编码的目的1 2 6 】。 算术编码的压缩比一般较高，尤其是当信源各符号的概率比较接近时，它比 哈夫曼编码效率高。但是从运算的速度以及算法实现的复杂度来考虑，算术编码 存在下列问题： ( 1 ) 算术编码是一种对错误很敏感的编码方法，如果有一位发生错误就会导 致整个消息译码的失败。 ( 2 ) 算术编码的实现方法要比哈夫曼编码复杂。 2 1 2 4 预测编码 预测编码是数据压缩技术的重要分支，其理论基础主要是现代统计学和控制 论。在信源数据流中，由于相邻数据点之间存在相关性，因此前面的数据和当前 点的数据之间存在某种相似性，预测编码就是试图用以前数据的某种函数表达式 来替代当前点，以降低信源的不确定性，减小编码率。 真正实用的预测编码方案是差分脉冲编码调制( d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d e d m o d u l a t i o n ，简称d p c m ) 的编码方案。其编码框图如图2 5 所示。 d p c m 系统工作时，发送端先发送数据流的前面n 个数据t ，毛，屯，x n ， 然后利用这n 个数据来预测第n + i 点h + l ，得到预测值h + l ，真实值与预测值 之间的误差e m ，经量化后直接传输或经编码器编码后传输。在d p c m 系统中， 有一个反馈结构，实际上是一个预测解码器，它将量化后预测误差与预测值相加 作为预测器的输入以预测下一个值。 一蹬2 2 驾 7 ，、 - _ h _ _ 一 - 吒 赢翮。一 图2 - 5d p c m 编解码示意图 一1 3 浙江大学硕士学位论文 在上面的图2 5 中，接收端的输出与输入端的输入是不同的。 一t = 砟一( 毫+ 色) = ( 稚一氟) 一色= 气一色 ( 公式2 - 1 0 ) 由公式2 1 0 可以看出，这种误差是由量化器造成的。如果不用量化器，则 可以无失真解码。 预测编码的性能主要取决于预测器，对于一个n 阶的预测器可用公式2 1 1 表示： 五= f ( x k 1 ，五- 2 ，x k 一) ( 公式2 1 1 ) 这里的t 书吱巾毫一是经过量化后得到的预测值，如果不进行量化，则公 式2 1 1 可以简化为： x “k = f ( x k - l ，x k 2 ，耳一| ) ( 公式2 1 2 ) 根据函数厂的不同，预测编码可分为线性预测和非线性预测，对于线性预测， 可根据信源数据的统计特性给出最佳预测器。电力系统录波数据是以正弦信号为 基础构成的，因而数据之间存在较强的相关性，正是由于录波数据的相关性，就 为我们对其进行压缩提供了可行性的依据。对于录波数据，其采样点数据之间存 在较强的相关性，如果我们存储或传输的不是每个采样点数据本身，而是当前采 样点数据与预测值之间的差值，数据量会大大地减小，从而减少了数据之间的相 关性，使数据得到了有效的压缩。这就是线性预测差分压缩算法的基本思想。 2 1 2 5 哈夫曼编码( h u f f m a n ) 哈夫曼编码方法完全依据字符出现的概率来构造平均长度的最短的异字头 码字。其主要思想是对于出现次数高即概率大的符号用较少的位数来表示，而对 于出现概率小的符号用较多的位数来表示。其编码效率主要取决于需编码的符号 出现的概率分布，分布越集中则压缩比越高。 h u f f m a n 编码步骤如下 2 t i z 8 】： ( 1 ) 将各个符号及其出现频率作为权值分别作为不同的d - - 叉树 ( 2 ) 找出在( 1 ) 中得到的二叉树的集合里权值最小和次小的二叉树。将他们分 别作为左、右子树连成一棵更大的二叉树，该二叉树根节点的权值为两棵子树权 一1 4 浙江大学硕士学位论文 值之和。再将新的二叉树加入到集合中； ( 3 ) 重复操作步骤( 2 ) ，直到集合中只剩下一棵二叉树，该二叉树即为哈夫曼 树； ( 4 ) 生成哈夫曼树之后，从树根遍历到每个叶子节点，树的左右分枝上赋值 0 和l ，得到的一个二进制序列即哈夫曼编码； 译码的过程是，分解原文中字符串，从根结点出发，按字符0 或1 确 定访问子结点的路径，直至叶结点，便求得该子串相对应的字符。 上述编码方法称为静态哈夫曼算法，它利用压缩对象中字符出现频率的概率 进行编码，是一种常用的无损数据压缩方法。不论从算法的复杂度还是在实现的 难度以及对数据压缩的效果来看，哈夫曼编码都不失为一种较好的数据压缩算 法。 2 2g p r s 技术介绍 2 2 1g p r s 的主要技术特点 g p r s 是一种移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连 接，给移动用户提供高速无线i p 或x 2 5 服务。g p r s 采用分组交换技术，每个 用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有 效的利用，数据传输速率高达1 6 0 k b p s 。使用g p r s 技术实现数据分组发送和接 收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。其具有如下主要特点： 1 采用分组交换技术 电路交换、报文交换和分组交换是目前通信网上的三大交换技术。而分组交 换技术是数据通信的理想选择，它极大地提高了网络带宽利用率。因此，g p r s 采用分组交换技术可以高效传输高速或低速数据和信令，优化对网络资源和无线 资源的利用。同时，也使得用户可长时间保证与外部数据网的连接，而不必进行 频繁的连接和断开操作，真正实现“永远在线，永远连接”。 2 支持中、高速率数据传输 g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 一1 、c s 一2 、c s 一3 和c s 一4 四种编码方案，并采用附加虚拟时隙技术，使多用户共享一时隙的多 时隙合并传输技术，且向上链路和向下链路的分配是独立的。可为用户提供 一15 浙江人学硕十学位论文 9 0 5 171 2 k b i t s 的数据传输速率。 3 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接 g p r s 的核心网络层采用i p 技术，支持基于标准数据通信协议的应用。因 此可与其他分组数据网络( 如i n t e r n e t 网、x 2 5 网) 进行无缝、商接连接，能够快 速建立连接。 4 既支持间歇的突发式数据传输，又支持偶尔的大量数据的传输。 g p r s 支持四种不同的q o s 级别，能在0 5 1 秒之内恢复数据的重新传输。 可基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费，计费方式更加合理， 用户使用更加方便。 5 数据在m s 和外部数据网络之间透明地传输。 使用封装和隧道技术：数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s ( 移动台) 和g g s n ( g p r s 网关支持节点) 之间传输。这种透明的传输方法缩减了 g p r s p l m n 对外部数据协议解释的需求，而且易于在将来引入新的互通协议。 用户数据能够压缩，并有重传协议保护，因此数据传输高效且可靠。 2 2 2g p r s 网络结构 g p r s 是g s mp h a s e2 + 阶段引入的一种基于分组的数据业务，它能够实现从 空中接口n # i - 部网络之间的分组数据传输，g p r s 可以接入基于t c p i p 的外部 网络和x 2 5 网络。g p r s 的系统结构如图2 - 6 所示： 图2 - 6g p r s 系统结构 一l6 一 浙江大学硕士学位论文 与g s m 相比，g p r s 主要增加了两个节点( g g s n 和s g s n ) 1 2 9 1 。 g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 为网关支持节点，可提供与其它g p r s 网 络以及外部数据网( 如i n t e m e t 、i s d n 、p s p d n ) 的接口，起到网关的作用。 s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 为服务g p r s 支持节点，它为本区( 服务区) 内的g p r s 用户提供分组路由，记录移动台当前位置，并在m s 与g g s n 之间 完成移动分组数据收发，可将g p r s 分组数据包通过协议转换送到远端t c p i p 或x 2 5 网络，直至到达路由器。 2 2 3g p r s 的协议模型 g p r s 中u m 接口上通信协议分为5 层【3 0 】，如图2 - 7 所示： ( 1 ) 物理层：分为物理射频层i 强和物理链路层，定义结构单元编码、译码、 纠检错和空中的逻辑信道。 ( 2 ) 媒质接入控$ 0 ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层：定义与分配空中接口的 g p r s 逻辑信道，使这些信道可被不同移动台共享。 ( 3 ) 逻辑链路控$ 0 ( l o g i cl i n kc o n t r o l ，l l c ) 层：将上层子网依赖层( s n d c ) 发 出的s n d c 数据单元进行封装，加入l l c 地址，构成帧字段，进而形成 完整的l l c 帧，在b s 中的l l c 层负责转发移动台与s g s n 之间的l l c 帧，它不对s n d c 数据单元进行处理。 ( 4 ) 子网依赖层( s u bn e t w o r kd e p e n d a n tc o n v e r g e n c e ，s n d c ) 层：将移动用户 产生的分组数据单元( p d u ) 进行分组、打包，确定i p 地址和加密方式。 ( 5 ) 网络层：提供移动台和s g s n 之间的可靠逻辑信道连接，支持数据逐层传 输，支持不同长度数据结构的传输以及用户身份保密功能等。 一1 7 一 浙江大学硕士学位论文 i l i 应用 ili i p ，x 2 5li i p ，x 2 5 l l l- 中继i - - l7 s n d c p - i l 。 s n d c pg t p g t p l l i i l l c l i i l l l cu d p ，t c p u d p 厂r c p i史燮 i i i r l c l p i l r l c b s s g p i b s s g pl pi i m | a c i l l m l a c n s ( f r )h i s ( f i r ) l 2l 2 i i i i p l l ip l l i l i l 物理链路 l 物理链路物理链路 l 物理链路 i r f lr f l ilil b s s g p ：b s sg p r s 协议 f r ： 帧中继 l l c ：逻辑链路控制 队c ：媒体接入控制 p l l ：物理链路层 r l c ：无线链路控制 t c p ：传输控制协议 g t p ： g p r s 隧道协议 n s ：网络业务 r f l ：无线物理层 s n d c p ：子网从属会聚 u d p ： 用户数据报协议 图2 7g p r s 协议模型 2 2 4g p r s 在配电自动化系统应用可行性分析 配变自动化系统特点：( 1 ) 配变分布分散，所处地理位置复杂；( 2 ) 配变数量 大；( 3 ) 要求通信实时性高；( 4 ) 数据传输频繁，突发性强；( 5 ) 每次传输的数据流 量不大。 g p r s 网络稳定可靠、覆盖面广、数据传输速度快，能够提供4 0 1 0 0 k b i t s 带宽，所以对地处偏远的配变也能实现监控，甚至以通过i n t e m e t 对分布在跨越 多个省市范围的配电变压器实施监控，而且能满足配电自动化系统对通信速度的 要求；而对于配变数量大，并发地传输数据可能使网络拥塞，这方面可以通过错 开发送时间，采用轮询方式，或沿不同传输路径来加以解决；g p r s 按流量计算 资费方式，非常适合于数据传输频繁、突发