变压器油光谱监测系统中的实时数据存储_曹旺.pdf

中国电工网变压器油光谱监测系统中的实时数据存储曹旺，万元，潘平衡，李橙橙，胡靖远（国家电力投资集团水电产业创新中心，湖南 长沙 ）摘要：为解决变压器油光谱监测系统实时数据量大、难以传输的问题，提出了具有针对性的 算法以实现数据压缩，节约存储数据所需的内存空间。经典 算法对数据的适应性弱，抗噪声能力不足，并存在重要数据丢失的可能。算法首先对二次谐波进行 滤波，而后对影响浓度测量的极点数据进行直接记录，最后根据允许压缩误差动态调整门限值，在保留有用信息的基础上实现了高数据压缩比。实践表明，在数据重要信息不丢失及数据误差满足要求的前提下，算法可有效降低数据冗余度，使实时数据的高效存储与传输成为可能。关键词：变压器油；实时数据；旋转门趋势算法；数据压缩中图分类号：，（，）：，（），：；收稿日期：引言 气体检测技术具备精度高、测量下限低、分析速度快等优点，被广泛应用于环境监测、煤矿石油、冶金及医药等行业。变压器油光谱监测系统将 技术运用于变压器油中溶解气体分析，为变压器故障分析提供全面的特征气体浓度数据。但在实际运用过程中，变压器油对气室的污染、激光器温度的漂移均有可能造成二次谐波数据异常，导致测量结果偏差，因此存储监测系统的实时二次谐波数据，有利于查看异常数据是否由系统本身异常造成。但系统采样频率高，数据量大，若直接存储，系统就将面临巨大的存储压力，亦难以进行远距离传输。目前，设计数据压缩方案便是解决此问题的有效方法。算法属于分段线性压缩法的一种，具有执行速度快、压缩率高的特点，常用于工业过程数据压缩。文献 提出了根据数据偏差控制门限值自控精度 算法，比传统 算法提高了压缩比；文献 提出基于容差动态调整与最优数据模型拟合的改进 算法，降低了数据的压缩误差；文献 采用曲线对数据进行拟合，取得良好的压缩效果。本文结合 二次谐波数据特点，在 算法基础上提出具有针对性的改进旋转门趋势算法（，）对数据进行压缩，并建立 数据库存储压缩后数据，以解决系统实时数据存储的问题。气体检测原理比尔朗伯（）定理是 气体检测技术的基础理论，即当单色激光射入气体吸收池时，若被测气体的吸收谱线与激光波长一致，气体就会吸收激光能量，造成激光能量的衰减，且气体浓度越大，激光衰减程度越显著，即：（）（）（）式中，为激光入射光强；为出射光强；（）为被测气体在频率为时的吸收截面，主要受测量时的压强及温度影响；为被测气体浓度；为气体吸收池光程长度。电工技术电气设备2023 1期由此可知，当温度、压力及光程确定时，吸光度正比于气体浓度。可调谐半导体激光器的噪声段主要集中于低频，为降低对测量结果的影响，通常采用波长调制的方法进行测量，即在扫描锯齿波的基础上加入高频正弦波，采用波长调制的方法对气体进行测量。在正弦波调制下，激光器在时刻的输出频率为：（）式中，为锯齿波调谐频率；为调制正弦波的振幅；为调制正弦波频率。由于为定值，因此对式（）进行傅里叶级数展开即可得激光强度随时间的变化。（，）（）（）（）式中，为傅里叶系数，代表次谐波的幅值。经变换后，表达式为：（）（）（）在测量系统各参数确定情况下，气体浓度与次谐波的幅值成正比关系。而可由锁相放大器提取，根据锁相放大器参考信号频率与的关系，输出不同阶次的谐波。相比于其他谐波，二次谐波幅值大，抗干扰能力强，且在中心频率处存在极值，便于浓度计算。就理论而言，二次谐波吸收区域内任意一点幅值与浓度均存在正比关系，但为避免系统噪声与基线影响，采用二次谐波的峰峰值作为浓度计算依据，二次谐波如图所示。在浓度测量时，将待测气体峰峰值代入标定阶段建立的浓度与峰峰值对应关系，即可求得相应浓度。050100150200250300350400100500-50幅值采样点数图 1 二次谐波信号在待测气体浓度较高时，吸收峰的峰值是二次谐波曲线中的最大值，但在浓度较小情况下，吸收峰的峰值可能小于周围干扰，故通过极值来判断吸收峰是有效方法。本文在进行 二次谐波数据存储时，对极点数据进行直接存储，降低了数据压缩对数据可靠性的影响。滤波锁相放大器输出二次谐波并不总是光滑平顺，不可避免地对数据压缩及精准测量造成不小的干扰。滤波是一种基于最小二乘思想的时域平滑滤波算法，该算法不涉及时域与频域的转换，具有简单快速的特点，且能较大程度上保留原始数据的极值特性，在高频噪声滤除的应用场景中有着广泛应用。设数据总长度为，从中取出一组长度为的数据（），其中，为 滤波器的单侧点 数。滤 波 算 法 采 用阶 多 项 式 来 拟 合 数 据（），即：（）（）其中，否则系数将无法求解。数据拟合后的误差平方为：（）（）（）的值越小，说明拟合后的数据（）越接近原始数据（）。令对系数 的一阶偏导数为，即：（）（）其中，可化解为：（）（）定义为行、列矩阵，为行、列矩阵，为输入矩阵与为输出矩阵，即：（）（）（）（）可得出的最小二乘解为：?（）（）则 滤波之后的输出矩阵为：（）（）因此，在单侧点数及阶数确定的情况下，滤波器光滑系数矩阵可求。由图可知，滤波有效去除了二次谐波中的抖动，为精准测量与提升 算法压缩性能打下基础。电气设备电工技术中国电工网050100150200250300350400幅值采样点数050100150200250300350400采样点数2001000-100幅值2001000-100图 2 SG 滤波效果 算法经典 算法的压缩原理是将间隔若干的两数据点连成一条直线，并以直线上的点来代替两点之间的所有数据点，从而达到压缩数据的目的。算法压缩时，首先设定门限值，存储起始点为第一个数据记录点，而后用直线连接记录点与待压缩的当前数据点，以此直线为中轴竖直向下、向上作平行四边形构成数据拟压缩区。若拟压缩区能囊括数据记录点与当前数据点中间的所有数据点，则认定此点可被压缩，对下一数据点进行此操作；若不能，则存储当前数据点的前一数据点作为新记录点，新记录点与上一记录点构成的平行四边形为实际压缩区。确定新记录点后，以新记录点的下一点为起点开始下一轮压缩。算法原理如图所示。采样点数数据值数据实际压缩区数据点数据记录点数据拟压缩区偏离数据拟压缩点E图 3 SDT 算法原理图在数据压缩领域，压缩比（）与压缩误差（）是衡量数据压缩算法性能的重要指标。（）式中，为原始数据点数；为压缩后的数据点数。压缩比 越大，代表算法的压缩性能越好。（）（）式中，为原始数据；为解压后的数据。压缩误差 越接近零，代表数据解压后越接近原始数据，压缩过程中丢失的信息越少。综上可知，算法达到最佳压缩效果的关键在于门限值的选取。设定数值大的时，数据记录点之间的直线将代表更多数据点，提升了数据的压缩比，但也增大了压缩误差，导致数据难以高度还原；设定数值小的时，数据压缩比降低，压缩误差减小。算法 算法加入 滤波进行数据预处理，并对极点进行直接存储。同时在 算法基础上允许根据压缩性能进行动态调整，提升 算法在 二次谐波数据压缩中的压缩性能。算法流程如图所示。开始记录点 k，调整次数 i=0经典 SDT 算法判断k 点需存储?iT&压缩误差CE调整门限值YYNN存储 k 点k=k+1kn存储 n 点结束图 4 ISDT 算法流程图YN步骤：设定单侧点数与滤波器阶数，对二次谐波进行 平滑滤波处理，提高信噪比，减小噪声对气体浓度测量及数据压缩的干扰。步骤：设 定 初 始 门 限 值 、最 大 允 许 门 限 值 、门限值调整次数及目标压缩误差，并存储数据的起始点。步骤：寻找二次谐波极大值点，并存储。步骤：两 极 点 中 的 数 据 采 用 改 进 算 法 进 行压缩。在经典 算法基础上，假如长度为的数据点 需存储，则计算上一记录点至 之间的数据压缩误差，若数据压缩误差小于目标压缩误差，则调整门限值。具体调整方式如下：（）（）式中，为第次调整门限值。若调整后 仍被判定为需存储，且数据压缩误差仍满足要求，则继续调大门限值；若 调整后不需存储，则以新门限值继续向下执行压缩。调整门限值前必须计算数据压缩误差，若数据压缩误差不满足要求，则必须存储该数据点。步骤：在门限值调整至 后，记录当前数据点，将门 限 值 重 新 置 为 ，置 为 零，而 后 开 始 新 一 轮压缩。性能测试为验证 算法在 二次谐波数据存储方面的性能，采 用 压 缩 比 与 压 缩 误 差 作 为 评 估 指 标，基 于 平台对数据进行压缩测试，并与传统 算法进行比较。数据样本采用变压器油光谱监测系统中包含浓度信息的 二 次 谐 波 点 数 据，分 别 采 用 初 始 门 限 值电工技术电气设备2023 1期 、最大允许门限值 、门限值调整次数、目标压缩误差 的 算法与门限值 的经典 算法进行压缩，压缩后计算压缩比，解压后计算压缩误差。压缩效果如图所示，压缩效果如图所示。050100150200250300350400采样点数幅值150100500-50-100图 5 经典 SDT 算法压缩050100150200250300350400采样点数幅值140120100806040200-20-40-60图 6 ISDT 算法压缩为进一步分析 算法性能，对不同的数据样本进行测试，结果见表。表算法压缩性能对比数据数据点数算法压缩比压缩误差 综上可知，的压缩率为 算法的 倍，而压缩误差仅为 算法的 倍，且 算法损失的数据精度大部分为原始数据中的噪声，真正的有用信息基本无损。结语数据压缩的本质是以最少的内存去尽可能地存储更多的数据，并避免数据较大的失真，使得数据解压后仍能保留可供分析的特征。本文提出的 算法在 二次谐波数据压缩过程中取得良好的实际效果，缓解了系统存储压力，并为远距离传输的实现打下基础。另外，通过调整 滤波参数和重要信息的存储策略，使得 算法亦可适用于其他领域。参考文献 孙文翰 气体检测系统中 控制与信号处理技术研究成都：电子科技大学，刘润根，李辉，白亮，等水泵机组在线监测系统数据压缩算法的研究与应用水利水电技术，（）：曲奕霖，王文海用于过程数据压缩的自控精度 算法计算机工程，（）：刘劲松，于东，胡毅，等改进的旋转门算法及其在数控机床监控领域的应用组合机床与自动化加工技术，（）：宁海楠一种基于 算法的新的过程数据压缩算法计算机技术与发展，（）：吕文静，李红莲，李文铎，等 技术调制参量的优化及实验研究激光技术，（）：刘紫怀，阳春华，罗旗舞，等基于多次谐波联合分析的气体浓度反演方法光学学报，（）：张宝，周麟奉，杨涛 滤波与局部均值分解相结合的滚动轴承故障诊断方法机械设计与制造，（）：张宗华，叶志佳，牛新征面向监测数据压缩的自适应 算法中国测试，（）：，（）：（上接第 页）蔡勇超变电站远程终端单元的设计与实现长沙：湖南大学，缪茸变电站 系统模型的研究才智，（）：关永前 电力系统单元分布式 相对于集中式 的优势及其应用长沙电力学院学报（自然科学版），（）：龚强 变电站 运行稳定性问题探讨 电力自动化设备，（）：王锐 变电站智能化发展趋势 民营科技，（）：高丽芳远动终端装置（）的设计 哈尔滨：哈尔滨理工大学，电气设备电工技术