應(yīng)用于暫態(tài)波形存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)壓縮算法，需兼顧高壓縮比、低失真度和實(shí)時(shí)處理能力（適配工業(yè)級(jí)裝置算力），核心圍繞 “保留暫態(tài)事件關(guān)鍵特征（如幅值、持續(xù)時(shí)間、突變點(diǎn)）” 展開(kāi)。以下是分類梳理的主流算法及應(yīng)用場(chǎng)景：

一、無(wú)損壓縮算法：保留完整波形，無(wú)失真還原

適合對(duì)波形精度要求極高的場(chǎng)景（如電網(wǎng)故障溯源、醫(yī)療設(shè)備供電監(jiān)測(cè)），需完整還原原始采樣數(shù)據(jù)。

1. 差分編碼（DPCM 及其改進(jìn)型）

原理：利用暫態(tài)波形的時(shí)序相關(guān)性（相鄰采樣點(diǎn)幅值變化平緩），僅存儲(chǔ) “當(dāng)前采樣值與前一值的差值”，而非原始值，減少冗余。

例：若波形連續(xù)采樣值為 220V、220.1V、220.05V，僅存儲(chǔ) 220V、+0.1V、-0.05V，差值數(shù)據(jù)的幅值遠(yuǎn)小于原始值，后續(xù)可結(jié)合熵編碼進(jìn)一步壓縮。

改進(jìn)型：自適應(yīng) DPCM（ADPCM），根據(jù)波形變化動(dòng)態(tài)調(diào)整量化步長(zhǎng)（如暫態(tài)突變時(shí)減小步長(zhǎng)，平穩(wěn)時(shí)增大步長(zhǎng)），壓縮比提升 10%~20%。

應(yīng)用：安科瑞 APM 系列裝置的 “基礎(chǔ)無(wú)損壓縮” 模式，適合 16 位 ADC 采樣的波形（如每周波 256 點(diǎn)），壓縮比約 1.5:1~3:1。

2. 熵編碼（Huffman 編碼、LZ77/LZ78 算法）

Huffman 編碼：

原理：對(duì)采樣值（或差分編碼后的差值）按出現(xiàn)頻率分配不等長(zhǎng)二進(jìn)制碼（高頻值用短碼，低頻值用長(zhǎng)碼），無(wú)失真壓縮。

適配場(chǎng)景：暫態(tài)波形中 “接近額定值的采樣點(diǎn)占比高”（如 220V 系統(tǒng)中，多數(shù)采樣值集中在 215~225V），高頻值用 2~3 位短碼，壓縮比可達(dá) 2:1~4:1。

LZ77/LZ78 算法：

原理：通過(guò)滑動(dòng)窗口尋找 “重復(fù)出現(xiàn)的波形片段”，用 “位置 + 長(zhǎng)度” 替代重復(fù)片段，適合存在周期性成分的暫態(tài)波形（如含有諧波的暫升事件）。

例：LZ78 在 Elspec G4000 裝置中與 Huffman 結(jié)合，壓縮比提升至 3:1~5:1，且實(shí)時(shí)性滿足每周波 1024 點(diǎn)的采樣需求。

3. 行業(yè)專用無(wú)損算法（PQZip）

原理：針對(duì)電能質(zhì)量暫態(tài)波形優(yōu)化的專利算法，結(jié)合 “FFT 系數(shù)稀疏性” 和 “時(shí)域片段匹配”：

對(duì)波形進(jìn)行短時(shí) FFT，過(guò)濾能量占比＜0.1% 的高頻系數(shù)（暫態(tài)事件的關(guān)鍵信息集中在低頻段）；

對(duì)時(shí)域片段進(jìn)行哈希匹配，用索引替代重復(fù)片段；

最后通過(guò)熵編碼壓縮數(shù)據(jù)。

優(yōu)勢(shì)：壓縮比高達(dá) 1:1000，還原誤差≤0.1%，且支持實(shí)時(shí)處理（嵌入式芯片可在 1ms 內(nèi)完成 1 個(gè)周波的壓縮）。

應(yīng)用：Elspec G 系列、SAK2000 等高端監(jiān)測(cè)裝置，適合新能源并網(wǎng)、電網(wǎng)主站等需長(zhǎng)期存儲(chǔ)暫態(tài)波形的場(chǎng)景。

二、有損壓縮算法：優(yōu)先保留關(guān)鍵特征，平衡壓縮比與精度

適合對(duì)波形細(xì)節(jié)要求較低、僅需分析事件特征的場(chǎng)景（如工業(yè)車間電壓暫降統(tǒng)計(jì)），允許微小失真（通常≤5%）。

1. 小波變換壓縮（Wavelet Compression）

原理：將時(shí)域波形轉(zhuǎn)換為 “小波系數(shù)”（包含低頻近似系數(shù)和高頻細(xì)節(jié)系數(shù)），僅保留：

低頻近似系數(shù)（反映波形整體趨勢(shì)，如電壓暫降的幅值變化）；

高頻細(xì)節(jié)系數(shù)中 “超過(guò)閾值” 的部分（反映暫態(tài)突變點(diǎn)，如電壓驟降的起始時(shí)刻）。

優(yōu)勢(shì)：

對(duì)暫態(tài)突變點(diǎn)的保留精度高（優(yōu)于 FFT，可捕捉 μs 級(jí)突變）；

壓縮比可調(diào)（通常 5:1~20:1），失真度可控（調(diào)整閾值即可平衡）。

應(yīng)用：

中端裝置（如 CET PMC-680M）的 “標(biāo)準(zhǔn)壓縮” 模式，用于存儲(chǔ)電壓暫降、暫升波形；

符合 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站，壓縮后波形可直接用于保護(hù)裝置判據(jù)。

2. 傅里葉變換（FFT）壓縮

原理：對(duì)暫態(tài)波形進(jìn)行 FFT，保留 “前 N 次諧波系數(shù)”（暫態(tài)事件的能量主要集中在基波和低次諧波），丟棄高次諧波（能量占比＜1%），僅存儲(chǔ)基波幅值、相位及關(guān)鍵諧波系數(shù)。

局限：

對(duì)非周期性暫態(tài)（如電壓沖擊）的還原精度低（存在頻譜泄漏）；

需搭配 “加窗函數(shù)”（如漢寧窗）減少誤差，壓縮比通常 3:1~8:1。

應(yīng)用：經(jīng)濟(jì)型裝置（如 ZR-WPQ 系列）的 “諧波壓縮” 模式，適合僅需分析諧波含量的場(chǎng)景。

3. 特征提取壓縮（Feature-Based Compression）

原理：不存儲(chǔ)完整波形，僅提取暫態(tài)事件的關(guān)鍵特征參數(shù)，用參數(shù)重構(gòu)簡(jiǎn)化波形：

暫降 / 暫升：提取 “起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、最低 / 最高幅值、持續(xù)時(shí)間”；

諧波：提取 “總畸變率、各次諧波幅值”；

重構(gòu)時(shí)用 “梯形波” 或 “分段線性波” 近似原始波形。

優(yōu)勢(shì)：壓縮比極高（50:1~1000:1），數(shù)據(jù)量極小，適合海量事件統(tǒng)計(jì)（如年度暫態(tài)事件報(bào)表）。

局限：無(wú)法還原原始波形細(xì)節(jié)，僅用于非溯源性分析。

應(yīng)用：云端平臺(tái)（如 CETCloud）的 “輕量化存儲(chǔ)” 模式，用于快速查詢事件特征，不占用大量存儲(chǔ)空間。

4. 自適應(yīng)量化壓縮（Adaptive Quantization）

原理：根據(jù)波形幅值動(dòng)態(tài)調(diào)整量化精度：

平穩(wěn)段（如額定電壓附近）：采用大量化步長(zhǎng)（如 0.5V / 步），減少數(shù)據(jù)量；

暫態(tài)突變段（如電壓驟降起始點(diǎn)）：采用小量化步長(zhǎng)（如 0.01V / 步），保留細(xì)節(jié)；

優(yōu)勢(shì)：失真度集中在非關(guān)鍵段，關(guān)鍵特征（如突變點(diǎn)）精度高，壓縮比約 8:1~15:1。

應(yīng)用：工業(yè)級(jí)嵌入式裝置（如研華 UNO 系列），適配算力有限的場(chǎng)景（如 8 位 MCU 可實(shí)時(shí)處理）。

三、混合壓縮算法：結(jié)合無(wú)損與有損優(yōu)勢(shì)，適配復(fù)雜場(chǎng)景

1. “小波變換 + 熵編碼” 混合算法

流程：

小波變換分解波形，得到近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)；

對(duì)近似系數(shù)（關(guān)鍵特征）進(jìn)行無(wú)損熵編碼（Huffman）；

對(duì)細(xì)節(jié)系數(shù)（非關(guān)鍵細(xì)節(jié)）進(jìn)行有損量化后再熵編碼；

優(yōu)勢(shì)：壓縮比 5:1~30:1，還原誤差≤2%，兼顧精度與效率。

應(yīng)用：南瑞繼保 PCS-9600C、ABB PM592-ETH 等電網(wǎng)級(jí)裝置，用于存儲(chǔ)故障錄波波形。

2. “差分編碼 + 自適應(yīng)量化” 混合算法

流程：

差分編碼消除相鄰采樣點(diǎn)冗余；

對(duì)差值進(jìn)行自適應(yīng)量化（突變段小步長(zhǎng)，平穩(wěn)段大步長(zhǎng)）；

最后用 LZ77 算法壓縮量化后的數(shù)據(jù)；

優(yōu)勢(shì)：實(shí)時(shí)性強(qiáng)（嵌入式芯片可在 μs 級(jí)完成），壓縮比 3:1~10:1，適合高頻采樣（如每周波 2048 點(diǎn)）。

應(yīng)用：福祿克 1740、橫河 WT3000 等便攜式監(jiān)測(cè)儀，兼顧現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

四、算法選擇的關(guān)鍵考量因素

還原精度需求：

故障溯源、司法取證：選擇無(wú)損算法（PQZip、DPCM + 熵編碼）；

常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析：選擇有損算法（小波變換、特征提取）。

硬件算力：

嵌入式裝置（8 位 / 32 位 MCU）：優(yōu)先輕量級(jí)算法（DPCM、Huffman）；

高端裝置（ARM Cortex-A 系列）：支持復(fù)雜算法（小波變換、PQZip）。

存儲(chǔ)與傳輸場(chǎng)景：

本地存儲(chǔ)：可容忍稍低壓縮比，優(yōu)先無(wú)損；

云端傳輸：需高壓縮比，優(yōu)先有損（如特征提取、小波變換）。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容性：

需符合 IEC 60255-24（暫態(tài)數(shù)據(jù)交換格式）：選擇支持 COMTRADE 格式壓縮的算法（如 PQZip、小波變換）。

總結(jié)

實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù) “精度需求 - 硬件能力 - 存儲(chǔ)成本” 三角關(guān)系選擇算法，例如：工業(yè)車間常規(guī)監(jiān)測(cè)可選用 “小波變換”，電網(wǎng)關(guān)口故障溯源需選用 “PQZip”，云端海量數(shù)據(jù)歸檔優(yōu)先 “特征提取”

審核編輯 黃宇