中文引用格式： 徐征宇，王峰，李彥. 一種適用于過程層報文的壓縮方法及其FPGA實現[J]. 電子技術應用，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.
引言
智能變電站中的智能一次設備和二次設備采用IEC61850規定的過程層的SV(Sample Value)和GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)進行通信，用于傳輸模擬量采樣、開關量數據以及變電站的重要事件，過程層報文的存儲與記錄對于分析電力系統事件、掌握負荷動態情況、監測重要電氣元件狀態非常重要[1]。
智能變電站的過程層SV網絡報文具有高周期性[2]，數據周期從1.2 kHz到10 kHz不等，過程層網絡可以是點對點模式，也可以是組網模式[3]。這一特點造成變電站的網絡報文的數據量相當可觀，以一個典型總線流量200 Mb/s的電力過程層網絡為例，其單日總數據量可以達到2 000 GB[4]。
這一數據量對變電站的故障錄波器、網絡分析儀、數據存儲器等設備而言是巨大存儲壓力。如果沒有合適的壓縮技術，變電站的過程層報文會消耗大量的存儲資源，導致設備成本以及運維成本的上升。
哈夫曼編碼壓縮方法是一種通用而有效的無損壓縮方法，在各個專業領域中有著重要的作用[5]。它通過對數據字段進行頻數頻率統計，采用給予“高頻字段短編碼、低頻字段長編碼”的方法來進行數據壓縮[6]，以期逼近信息熵的下極限。該方法在電力系統領域中有著重要的應用場景[7]。
常規的哈夫曼壓縮方法需要緩存數據、頻率統計排序、構造哈夫曼樹與產生字典、壓縮編碼輸出這四大步驟，其中，構造哈夫曼樹需要比較復雜的操作，會造成壓縮計算的延時過大，影響壓縮的整體帶寬效率，成為系統的性能瓶頸[8]。
現場可編程門陣列器件(FPGA)常用于各種算法的實現與加速。目前基于FPGA實現的哈夫曼已有多種實現[9]，也有學者提出特殊領域的優化方法[10-11]。這些基于通用的實現在普通場合可以達到良好的效果，但是針對智能變電站過程層網絡應用場景，算法還有可以優化的空間。
本文提出一種基于字符頻率特征差的改進哈夫曼壓縮方法，該方法以過程層報文字符的頻率統計特征為依據，決定是否復用前序報文生產的壓縮字典，避免了重復生產字典的操作，有效地降低壓縮計算的延時，提升壓縮系統的帶寬性能。
本文基于上述的改進算法，提出一種使用FPGA實現該算法的系統，該系統利用FPGA的高計算密度的特點，使用并行化以及流水線的技術，利用M-N分組選擇網絡、大規模除法算術運算陣列[12]等技術高效地實現壓縮算法。
本文詳細內容請下載：
http://m.tom3567.com/resource/share/2000007048
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）
