有哪些数据压缩算法可以应用于暂态波形存储？

应用于暂态波形存储的数据压缩算法，需兼顾高压缩比、低失真度和实时处理能力（适配工业级装置算力），核心围绕 “保留暂态事件关键特征（如幅值、持续时间、突变点）” 展开。以下是分类梳理的主流算法及应用场景：

一、无损压缩算法：保留完整波形，无失真还原

适合对波形精度要求极高的场景（如电网故障溯源、医疗设备供电监测），需完整还原原始采样数据。

1. 差分编码（DPCM 及其改进型）

原理：利用暂态波形的时序相关性（相邻采样点幅值变化平缓），仅存储 “当前采样值与前一值的差值”，而非原始值，减少冗余。

例：若波形连续采样值为 220V、220.1V、220.05V，仅存储 220V、+0.1V、-0.05V，差值数据的幅值远小于原始值，后续可结合熵编码进一步压缩。

改进型：自适应 DPCM（ADPCM），根据波形变化动态调整量化步长（如暂态突变时减小步长，平稳时增大步长），压缩比提升 10%~20%。

应用：安科瑞 APM 系列装置的 “基础无损压缩” 模式，适合 16 位 ADC 采样的波形（如每周波 256 点），压缩比约 1.5:1~3:1。

2. 熵编码（Huffman 编码、LZ77/LZ78 算法）

Huffman 编码：

原理：对采样值（或差分编码后的差值）按出现频率分配不等长二进制码（高频值用短码，低频值用长码），无失真压缩。

适配场景：暂态波形中 “接近额定值的采样点占比高”（如 220V 系统中，多数采样值集中在 215~225V），高频值用 2~3 位短码，压缩比可达 2:1~4:1。

LZ77/LZ78 算法：

原理：通过滑动窗口寻找 “重复出现的波形片段”，用 “位置 + 长度” 替代重复片段，适合存在周期性成分的暂态波形（如含有谐波的暂升事件）。

例：LZ78 在 Elspec G4000 装置中与 Huffman 结合，压缩比提升至 3:1~5:1，且实时性满足每周波 1024 点的采样需求。

3. 行业专用无损算法（PQZip）

原理：针对电能质量暂态波形优化的专利算法，结合 “FFT 系数稀疏性” 和 “时域片段匹配”：

对波形进行短时 FFT，过滤能量占比＜0.1% 的高频系数（暂态事件的关键信息集中在低频段）；

对时域片段进行哈希匹配，用索引替代重复片段；

最后通过熵编码压缩数据。

优势：压缩比高达 1:1000，还原误差≤0.1%，且支持实时处理（嵌入式芯片可在 1ms 内完成 1 个周波的压缩）。

应用：Elspec G 系列、SAK2000 等高端监测装置，适合新能源并网、电网主站等需长期存储暂态波形的场景。

二、有损压缩算法：优先保留关键特征，平衡压缩比与精度

适合对波形细节要求较低、仅需分析事件特征的场景（如工业车间电压暂降统计），允许微小失真（通常≤5%）。

1. 小波变换压缩（Wavelet Compression）

原理：将时域波形转换为 “小波系数”（包含低频近似系数和高频细节系数），仅保留：

低频近似系数（反映波形整体趋势，如电压暂降的幅值变化）；

高频细节系数中 “超过阈值” 的部分（反映暂态突变点，如电压骤降的起始时刻）。

优势：

对暂态突变点的保留精度高（优于 FFT，可捕捉 μs 级突变）；

压缩比可调（通常 5:1~20:1），失真度可控（调整阈值即可平衡）。

应用：

中端装置（如 CET PMC-680M）的 “标准压缩” 模式，用于存储电压暂降、暂升波形；

符合 IEC 61850 标准的数字化变电站，压缩后波形可直接用于保护装置判据。

2. 傅里叶变换（FFT）压缩

原理：对暂态波形进行 FFT，保留 “前 N 次谐波系数”（暂态事件的能量主要集中在基波和低次谐波），丢弃高次谐波（能量占比＜1%），仅存储基波幅值、相位及关键谐波系数。

局限：

对非周期性暂态（如电压冲击）的还原精度低（存在频谱泄漏）；

需搭配 “加窗函数”（如汉宁窗）减少误差，压缩比通常 3:1~8:1。

应用：经济型装置（如 ZR-WPQ 系列）的 “谐波压缩” 模式，适合仅需分析谐波含量的场景。

3. 特征提取压缩（Feature-Based Compression）

原理：不存储完整波形，仅提取暂态事件的关键特征参数，用参数重构简化波形：

暂降 / 暂升：提取 “起始时间、结束时间、最低 / 最高幅值、持续时间”；

谐波：提取 “总畸变率、各次谐波幅值”；

重构时用 “梯形波” 或 “分段线性波” 近似原始波形。

优势：压缩比极高（50:1~1000:1），数据量极小，适合海量事件统计（如年度暂态事件报表）。

局限：无法还原原始波形细节，仅用于非溯源性分析。

应用：云端平台（如 CETCloud）的 “轻量化存储” 模式，用于快速查询事件特征，不占用大量存储空间。

4. 自适应量化压缩（Adaptive Quantization）

原理：根据波形幅值动态调整量化精度：

平稳段（如额定电压附近）：采用大量化步长（如 0.5V / 步），减少数据量；

暂态突变段（如电压骤降起始点）：采用小量化步长（如 0.01V / 步），保留细节；

优势：失真度集中在非关键段，关键特征（如突变点）精度高，压缩比约 8:1~15:1。

应用：工业级嵌入式装置（如研华 UNO 系列），适配算力有限的场景（如 8 位 MCU 可实时处理）。

三、混合压缩算法：结合无损与有损优势，适配复杂场景

1. “小波变换 + 熵编码” 混合算法

流程：

小波变换分解波形，得到近似系数和细节系数；

对近似系数（关键特征）进行无损熵编码（Huffman）；

对细节系数（非关键细节）进行有损量化后再熵编码；

优势：压缩比 5:1~30:1，还原误差≤2%，兼顾精度与效率。

应用：南瑞继保 PCS-9600C、ABB PM592-ETH 等电网级装置，用于存储故障录波波形。

2. “差分编码 + 自适应量化” 混合算法

流程：

差分编码消除相邻采样点冗余；

对差值进行自适应量化（突变段小步长，平稳段大步长）；

最后用 LZ77 算法压缩量化后的数据；

优势：实时性强（嵌入式芯片可在 μs 级完成），压缩比 3:1~10:1，适合高频采样（如每周波 2048 点）。

应用：福禄克 1740、横河 WT3000 等便携式监测仪，兼顾现场测试与数据存储。

四、算法选择的关键考量因素

还原精度需求：

故障溯源、司法取证：选择无损算法（PQZip、DPCM + 熵编码）；

常规统计分析：选择有损算法（小波变换、特征提取）。

硬件算力：

嵌入式装置（8 位 / 32 位 MCU）：优先轻量级算法（DPCM、Huffman）；

高端装置（ARM Cortex-A 系列）：支持复杂算法（小波变换、PQZip）。

存储与传输场景：

本地存储：可容忍稍低压缩比，优先无损；

云端传输：需高压缩比，优先有损（如特征提取、小波变换）。

行业标准兼容性：

需符合 IEC 60255-24（暂态数据交换格式）：选择支持 COMTRADE 格式压缩的算法（如 PQZip、小波变换）。

总结

算法类型	代表算法	压缩比	还原误差	适用场景	典型装置案例
无损压缩	PQZip	10:1~1000:1	≤0.1%	电网故障溯源、医疗供电监测	Elspec G4000、SAK2000
无损压缩	DPCM+Huffman	1.5:1~4:1	0%	中高频采样、嵌入式装置	安科瑞 APM520、CET PMC-680M
有损压缩	小波变换	5:1~20:1	≤2%	电压暂降 / 暂升分析、数字化变电站	南瑞继保 PCS-9600C
有损压缩	特征提取	50:1~1000:1	≤10%	云端事件统计、海量数据归档	CETCloud、阿里云 OSS
混合压缩	小波 + 熵编码	5:1~30:1	≤2%	电网主站、新能源并网监测	ABB PM592-ETH

实际应用中，需根据 “精度需求 - 硬件能力 - 存储成本” 三角关系选择算法，例如：工业车间常规监测可选用 “小波变换”，电网关口故障溯源需选用 “PQZip”，云端海量数据归档优先 “特征提取”

审核编辑 黄宇