《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一种适用于过程层报文的压缩方法及其FPGA实现
电子技术应用
徐征宇，王峰，李彦
南京南瑞继保电气有限公司
摘要： 无损压缩算法是智能变电站过程层网络信息处理和存储的核心算法，哈夫曼算法是一种通用的无损压缩方法，在电力系统通信网络中有广泛的应用。基于通用的哈夫曼编码压缩方法，结合智能变电站过程层网络的场景特点，采用可旁路字典计算的方式，提出一种改进的哈夫曼编码压缩方法。该方法以过程层报文字符的频率统计特征为依据，决定是否复用前序报文生产的压缩字典，可以有效地降低压缩过程的计算量和计算延迟。同时提出该方法在现场可编程门阵列器件（FPGA）中的设计实现，介绍各个模块的微架构，详细分析重点模块的设计方法，并进行仿真、验证以及结果分析。
中圖分類號：TM760 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256855
中文引用格式： 徐征宇，王峰，李彥. 一種適用于過程層報(bào)文的壓縮方法及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2026，52(4)：115-120.
英文引用格式： Xu Zhengyu，Wang Feng，Li Yan. Improved Huffman coding for process-level network message: a bypassable dictionary approach and hardware realization[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(4)：115-120.
Improved Huffman coding for process-level network message： a bypassable dictionary approach and hardware realization
Xu Zhengyu，Wang Feng，Li Yan
NR Electric Co.， Ltd.
Abstract： Lossless compression algorithms work as the core algorithms for information processing and storage in the process-level networks of smart substations. The Huffman algorithm, a universal lossless compression method, is applied in communication networks of power system. Based on the general Huffman coding compression method and the scenario characteristics of smart substation process-level networks, this paper proposes an improved Huffman coding compression method incorporating dictionary computation which can be bypassed. This method demonstrates advantages in computational latency. Furthermore, this paper presents the implementation based on Field-Programmable Gate Array (FPGA) devices, providing a detailed analysis of the design methodology for key modules, along with simulation, verification, and result analysis.
Key words : smart substation；process-level network；information processing；data compression；field-programmable gate array （FPGA）

引言

智能變電站中的智能一次設(shè)備和二次設(shè)備采用IEC61850規(guī)定的過程層的SV(Sample Value)和GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)進(jìn)行通信，用于傳輸模擬量采樣、開關(guān)量數(shù)據(jù)以及變電站的重要事件，過程層報(bào)文的存儲(chǔ)與記錄對于分析電力系統(tǒng)事件、掌握負(fù)荷動(dòng)態(tài)情況、監(jiān)測重要電氣元件狀態(tài)非常重要[1]。

智能變電站的過程層SV網(wǎng)絡(luò)報(bào)文具有高周期性[2]，數(shù)據(jù)周期從1.2 kHz到10 kHz不等，過程層網(wǎng)絡(luò)可以是點(diǎn)對點(diǎn)模式，也可以是組網(wǎng)模式[3]。這一特點(diǎn)造成變電站的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的數(shù)據(jù)量相當(dāng)可觀，以一個(gè)典型總線流量200 Mb/s的電力過程層網(wǎng)絡(luò)為例，其單日總數(shù)據(jù)量可以達(dá)到2 000 GB[4]。

這一數(shù)據(jù)量對變電站的故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等設(shè)備而言是巨大存儲(chǔ)壓力。如果沒有合適的壓縮技術(shù)，變電站的過程層報(bào)文會(huì)消耗大量的存儲(chǔ)資源，導(dǎo)致設(shè)備成本以及運(yùn)維成本的上升。

哈夫曼編碼壓縮方法是一種通用而有效的無損壓縮方法，在各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域中有著重要的作用[5]。它通過對數(shù)據(jù)字段進(jìn)行頻數(shù)頻率統(tǒng)計(jì)，采用給予“高頻字段短編碼、低頻字段長編碼”的方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮[6]，以期逼近信息熵的下極限。該方法在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用場景[7]。

常規(guī)的哈夫曼壓縮方法需要緩存數(shù)據(jù)、頻率統(tǒng)計(jì)排序、構(gòu)造哈夫曼樹與產(chǎn)生字典、壓縮編碼輸出這四大步驟，其中，構(gòu)造哈夫曼樹需要比較復(fù)雜的操作，會(huì)造成壓縮計(jì)算的延時(shí)過大，影響壓縮的整體帶寬效率，成為系統(tǒng)的性能瓶頸[8]。

現(xiàn)場可編程門陣列器件(FPGA)常用于各種算法的實(shí)現(xiàn)與加速。目前基于FPGA實(shí)現(xiàn)的哈夫曼已有多種實(shí)現(xiàn)[9]，也有學(xué)者提出特殊領(lǐng)域的優(yōu)化方法[10-11]。這些基于通用的實(shí)現(xiàn)在普通場合可以達(dá)到良好的效果，但是針對智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，算法還有可以優(yōu)化的空間。

本文提出一種基于字符頻率特征差的改進(jìn)哈夫曼壓縮方法，該方法以過程層報(bào)文字符的頻率統(tǒng)計(jì)特征為依據(jù)，決定是否復(fù)用前序報(bào)文生產(chǎn)的壓縮字典，避免了重復(fù)生產(chǎn)字典的操作，有效地降低壓縮計(jì)算的延時(shí)，提升壓縮系統(tǒng)的帶寬性能。

本文基于上述的改進(jìn)算法，提出一種使用FPGA實(shí)現(xiàn)該算法的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用FPGA的高計(jì)算密度的特點(diǎn)，使用并行化以及流水線的技術(shù)，利用M-N分組選擇網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模除法算術(shù)運(yùn)算陣列[12]等技術(shù)高效地實(shí)現(xiàn)壓縮算法。


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作者信息：

徐征宇，王峰，李彥

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

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