TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4258 ~ 4 2 6 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.141 9          4258     Re cei v ed Se ptem ber 12, 2013; Revi se d De ce m ber  11, 2013; Accepted Janu ary 14, 201 4   Improved Compressed  Sensing Matrixes for Insulator  Leakag e Current Data Compressing      Zhai Xueming* 1 , You Xia obo 2 , De w e n  Wang 3   Dep a rtment of Contro l and C o mputer Eng i n e e rin g  ,North Ch ina El ectric Po w e r Univ ersit y ,   No. 689 H u a d i an Ro ad, Bao d i ng Cit y, He bei  Provinc e , Chin *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : zxm31 6 5 @ 1 26.com 1 , ui yu2 2 @1 26.com 2 , w d e w e n @gma il.com 3       A b st r a ct   Insulator  fau l may  le ad  to th e acc i de nt of  p o w e r netw o rk thus the  o n -li n mo nitori ng  of  ins u lator   is very sign ifi c ant. Low  rates w i reless n e tw ork is used for data trans missi on of  leaka ge curr ent.   Deter m in atio n of  the me as ur ement  matrix  i s  the si gnific a nt step for re a l i z i n g the  co mpresse d se nsi n g   theory. T h is a r ticle co mes  u p  w i th new  sparse  matrices  w h ich can b e  used as c o mpresse d sens i n g   matric es to ma ke data co mpr e ssio n  an d rec onstructio n  of l eaka ge curr ent  w i th the comp ressed se nsi n g .   T h is theory ca n achi eve prett y  good res u lts. And then this  article p e rforms  that the reconstitution effect  is   al most th e sa me  usi ng t he  me asur e m ent  matrix  of T o e p lit z   matrix, circulant matrix  or  sparse   matrix,  a s   usin g a classic a l meas ure m e n t matrix.     Ke y w ords :   lea k age curr ent, d a ta co mpress io n, compresse d  sensin g, me as ure m e n t matrix     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  High p r e c isi o n detectio n  of insulato r leak age  curre n t is con ductive to improve the  reliability of t r ansmi ssion li nes.  Wi reless sensor net work i s  a si gni f i cant technol ogy  that  widel y   applie d in t he le akage  curre n t moni toring  of tra n smi ssi on li n e , whil e the  com m uni cat i on   band width i s  limited, which make the d a ta comp re ssin g of leaka ge  curre n t beco m e essential.   The mai n  tra d itional m e th od of d a ta  compressin g for le akage  current in clud es fractal   interpol ation  and pie c e w ise quantizatio n comp re ssi n g . Based on  the fractal th eory, docum en [3] applie d fractal i n terp ol ation met hod  to con s tru c t  the o r igi nal  leakage  current si gnal.  T h e   locality of thi s  method  ma kes it  quite  difficult to   refle c t  the ove r all  chara c te risti c s of the l e a k a ge  curre n t si gnal . Do cum ent [ 4 ] puts forwa r and  re alizes th e pi ece w ise q uanti z a t ion comp re ssing  algorith m , pu tting to use t he HSF  cod e  with char a c t e ri st ic of  n u meri cal  seq uen ce t o  re a lize  highly a c tive variable l engt h co mpressio n. But this  m e thod le ad s to the in stabili ty of the leakage   current frequency and makes it  impossi ble to determine the pr obability of  accuracy of the  curre n t value, runnin g  co un ter to the origi nal intention  of codin g Since the p u tting forwa r d of comp ressed  sen s i ng theory, data pro c e s sing a nd  comp re ssing  come   into a new  sta ge with  ne w te ch nology  and  n e w m entality. Do cum ent [ 5 raises a m e thod of data  comp re ssi n g  of  insulato r leakage  cu rre nt based  on co mpressed  sen s in g theo ry, whi c h i n cre a se the   comp re ssion  ratio to  a  certai n exten t, attaining t he  comp re ssion  effect for more than 10 times. A nd the reco nstructio n  effect is also  ideal.   The definitio n  of the mea s u r eme n t matrix  is  the impo rt ant step of a c hieving comp resse d   sen s in g theo ry. The tra d itional me asurement ma t r ix su ch a s  the  Gau ss  matri x  and Berno u lli   matrix can achieve high-acc uracy  reconstruction, but  it’s still diffi cul t  to realize wi th the high  cost  of storag e. By analyzing of  the princi ple  of comp re sse d  sen s in g the o ry, this pape r con s truct s  the   Top Li z matri x , cyclic mat r ix and sparse matrix  to a pply to com p resse d  sen s i ng of the d a ta   comp re ssion  of lea k a ge  curre n t, co m pare s  th e m easure m ent  result  and  th e efficie n cy  with  results from traditional measurem ent m a trix to  illustrate the advantages of these mat r ices.  In   con s id eratio n  of the characteri stics of  the leaka g e  current t hat  being pe rio d ic an d un stable,  sub s e c tion  compressio n is ad opted in  the experi m e n t. Usin g co mpre ssed  se nsin g to lea k age   curre n t data  of both pul se  area  re cogni zed a nd  st abl e zon e , the reco nstructio n  effect turns  out  to be ideal.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Im proved  Co m p ressed Se nsin g Matri x e s  for In sulator Leakage  Current Data … (Zhai Xuem ing)  4259 2. The Char a c teris t ics of  Leaka ge Cu r r ent  Pollutants in  the air dep osit on the insu lato r su rfa c for days an d  months, an d  finally  format the po llution layer. The pollutio n  layer re du ce s the electri c  strength of insulators greatl y leadin g  to th e accid ent b e ca use of th e co ntam in ation  flashove r  durin the n o rmal ope rati on.  Curre n t lea k age  cu rre nt i s  defin ed  as the flow  through th e in sulator  su rface pollutio n  la yer  measured un der op erating  voltage wh e n  filth is wet. Whe n  the op erating voltag e is co nsta nt, the  leakage  current increa se s with the le vel of po llution. Thus le a k ag e cu rrent  can be u s e d  to   cha r a c teri ze t he imp a ct of  insul a tor  cont amination,  a n d expe rien ce  sho w s that it  is  scie n tific t o   use le akage  curre n t value s  as  cha r a c te ristic valu e to  reflect the run n ing statu s  of  insulato rs [1] .     The characte ristics of lea k age current can be  summe d up a s  peri o dic an d un sta b le. The   leakage current pollution  flashove r  pro c e ss i s  di vided into 3 se ction s , safety zone (<2 0 m A ),  forecast  zo ne  (<50mA )  a n d  dan ger zone   (>5 0 mA).  Lea kag e  cur r e n t  of   saf e t y  zon e   is   v e ry  smal l,  and i s  u s e d  to re pre s e n t the cha r a c teri stics of le aka ge current th at is d r y an with lo w d egree   surfa c e   conta m ination, m o st of  whi c h  a r e th si ne  waves. L e a k ag e current  of f o re ca st  zon e  is  alway s  in sta ge of instabil i ty,  the amplitude of  the current pul se increa se s an d pulse g r o u p   appe ars eve r y now  and  then. Lea ka g e  cu rrent of  dang er  zon e  is la rge, p u lse  amplitu de  increa se ra pidly an d the  high  amplitu de p u lse  d e n sit y  al so i n cre a s ed  sig n i f icant ly .  For   t h freque ncy  do main, the  safety zon e  of  le aka ge  cu rren t is m a inly fu ndame n tal a n d  the r e i s   mu ch  high orde r ha rmoni c comp onent in the p u lse a r ea that  reflect s  the d r asti c chang e s .       3. The Comp resse d Sens ing Theor y     Comp re ssed  sen s ing th eory mainly  includ es th ree a s pe cts,  they are the sp arse  rep r e s entatio n of si gnal s,  cod e  for  me asu r em ent a nd recon s tru c tion al go rith m. If most of  the   element s a r e  ze ro i n  the   sign al, then  the  sign al is  calle spa r se . Accordi ng t o  the th eory  of  harm oni c an alysis, a di screte time si g nal  f  with length of  n  can  be expresse d as a lin ear  combi nation  of the stan da rd o r thog onal  basi s , whic is called th spa r se tra n sf orm. Th e form is  as  follows :     1 N ii i f x             ( 1 )     Or,     f x                ( 2 )     Whe r 12 ,, N   ,   i   is a  colum n  v e ct or.  The  col u mn v e ct o r   x  of  1 N  is the   weig hted coe fficient  se que nce of  f . If high co efficient  of  x  is q u ite a  few, then th sign al  f  is  calle d comp ressible. Su bstrate of tra n sformation  ma trix for sparse tran sform  can be  sele cted  ac cor d ing  t o  t he  sign al  cha r act e ri st ic s,  s u ch  a s   su bstrate of th e fa st Fou r ie r tran sform,  sub s trat e   of discrete cosin e  tran sfo r m, sub s trate  of di screte wavelet tran sform, sub s tra t e of Curvele t sub s trate of  Gabo r and  re dund ant dicti onary.   Suppo sing th at the measu r eme n t matri x   R( ) MN M N  , and the measured val ue  R M y , then the reconstructe d si gnal can be  calcul ated a s  follows:     yf              ( 3 )     The dim e n s io n of  y  is m u ch  lowe r than  the dime nsi o n  of  f , thus the  above e quat ion  has infinitely  many soluti ons, so the sign al  f   cann ot be recon s tructed. But if  f   can be   expre s sed sp arsely as  f x  , th en the expre s sion i s  as foll ows:    y fx x               ( 4 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4258 – 4 263   4260 Whe r   is a  matrix of  M N , which i s   calle d  the se nsi ng  matrix. Can d é s a nd  Tao [8] con s i der that only if   sat i sf ie s r e st ri ct ed iso m et ry ,  t he  sign al can b e  re constructe d wi th   high p r o babili ty, and the  signal  f  ca n be   recon s tru c ted  accu rately b y  solving th optimal n o rm   of the mea s u r ed valu y . Due to   have been  sel e cte d  usually, the n  the sen s in g matrix    can  be  satisfi ed fo r rest rict ed i s omet ry b y  defining  me asu r em ent m a trix  . The G auss  ran dom   matrix is u s u a lly use d  to  meet the ab o v e requi re m e nts. Pra c tice  has  prove d  th at Gau ss  ran dom  matrices  can  achi eve the a c curate  re con s tru c tion of th e sign al  f The matchin g  pursuit alg o rithm can a c hiev e the si gnal re co nstruction of co mpre ssed   sen s in g. The  basic id ea o f  classic mat c hin g  pursu it  algorithm is to select the best match i ng   element s wit h  the sig nal  usin g the me asu r em ent  m a trix in the al gorithm, go  round a nd be gin   again th e iterative, and ma ke the  maxim u m correlatio n from th e re sults i n  e a ch i t eration  with t he  origin al si gnal . In orde r to solve the probl em that  the n u mbe r  of iterations  i s  too  many du ring t he  matchin g  pu rsuit alg o rithm ,  the ortho g o nal matc hing  pursuit alg o rithm is then   prop osed. Th algorith m  sp e ed the iteratio n via orthogo nalization,  an d then to reali z e the faste r  reco nstructio n .       4. Measurem e nt Ma trixes  in Compres s e d Sensing  Theor y   The commo n  measure m e n t matrices t hat sati sfy the re stri cted  isomet ry co ndition inclu de Ga uss mea s u r em ent matrix, Berno u lli mea s urem ent matrix and Fou r ie r mea s u r em e n matrix. In the actual  appli c ation, the mo re rand om  th e matrix is, th e more difficu lt is the phy si cal  impleme n tation. In general, for matrix with r and om  elements, th e impleme n tation will be  very  high pri c e [1 0]. Bajwa pro v ides two  kin d s of me a s u r ement matri c es, Toeplit z matrix and cy clic  matrix. He al so sugg est s  that rand om T oeplit z a nd cyclic matrix can be imple m ented in vario u appli c ation s   easily, and  proves that the s e two  kin d of matrice s  h a ve the sam e  effect with  the  cla ssi cal  st oc hast i c mat r ix  in comp re s s e d  sen s in g an d rec o n s t r u c t i on pro c e s s.   Toeplitz  matrix has the fol l owin g form,  whi c h in a ddi tion to the first ro w an d the first  colum n , each  element is th e same a s  th e element on  its uppe r left corne r , that is ,1 , 1 ij i j aa    11 12 12 NN NN NM NM M aa a aa a A aa a                 ( 5 )     If meeting additional p r o pertie s , iN i ia a  , then the matrix is also a cy clic matrix.  Cyc l ic  matrix has  the following form.     11 12 12 NN N MM M aa a aa a C aa a                 ( 6 )     Bajwa [13] p r oves that fo r the Toeplit z ma trix, whe n  the measu r ed fre que ncy satisfy 2 lo g ( / ) M CK N K , then the T oeplitz m a trix  can  ba sically  satisfie s th e re stri cted i s omet ry  condition in very high probability.  In orde r to further  red u ce the numb e of inde pe ndent rand o m  variable s  in the  measurement  matrix, Yan g  put fo rward   the con c ept   of sp arse  ba nded  an sp arse  colu mn s in  the study [10 ], to further generate a sp arse ba nded matrix  and  sparse colum n matrix,  red u ce   the step s of matrix multiplication a nd to impr ove the e fficiency of co mpre ssion a n d  recovery.   The form of sparse ba nde d  rando m matrix is as follows:    11 12 1 21 2 2 2 ,1 1 0 0 l l M jM l M M j aa a aa a aa a a                  ( 7 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Im proved  Co m p ressed Se nsin g Matri x e s  for In sulator Leakage  Current Data … (Zhai Xuem ing)  4261 Kinds of sp a r se b and ed  matrix have certai n ra ndo mness. Co m pare d  to the cla ssi cal  stocha stic ma trix, Toeplitz matrix and cy clic ma trix, the indepe nde n t  random ele m ents of spa r se  mat r ix  re du c e s.  A c co rdin g t o   Yang  [1 0], comp are d  to the Ga uss rand om ma trix of whi c the  multiplicatio n  ope ration  re quire M N   step s, the multipli cation  op erat ion of  Toe p litz m a trix  only requi re 2 O( l o g ) N  steps.   Yang Hairo n g  [10] also i n trodu ce s th e con c e p t of spa r se col u mn matrix a nd sp arse  cy cli c  mat r ix .  On t h e b a si s of   ke epin g  t he o p e r atio n ste p s the  same  o r de with the  To e p litz  matrix, the method furthe r redu ce s the numbe r of in depe ndent ra ndom ele m e n t and impro v es   operation efficien cy. The form of sp arse  column  ran d o m matrix is  as follo ws:     11 1 /1 , 1 21 22 2 /2 , 2 12 /, 1, 2 , 0 0 00 0 00 p pN M p pN M pp pN M p p p Mp aa a aa a a aa a a a                             ( 8 )       5. Experimental Re sults   Select a  se ction  of lea k ag curre n t dat a with  f l ash o ver pro c e ss, and   then use  comp re ssed  sen s in g algo rithm to comp ress and  re co nstru c t the le aka ge current  data. In view of  the cha r a c teri stics of peri o dicity  and no n-statio na ry of the leakag e curre n t data, each step of the   experim ent take s the  way of pul se’ s  a u tomatic  re cognition fi rst,  sep a rate the  pulse  zon e   and  non-pul se  zo ne of lea k ag e  current, form  several se cti ons, an d the n  make co mp resse d  sen s i n g   for  d a ta  of ea ch se ction, compa r th e regen erate d   d a ta g r oup  wit h  the  ori g inal  sign al a nd fin a lly  get the re covery effect wit h  pretty high accuracy.   First  of all, choo se the  G auss m e a s ur ement mat r ix and th e Be rnoulli m e a s u r eme n ma tr ix as  th e me as u r e m en t ma tr ix for  comp re ssed  sen s in g. The n  const r u c t the To eplitz  matrix  and  cycli c   m a trix. Com p a r e th re cov e ry  cap ability with  cla s sical me asurem ent matrix  a nd  finally use th e spa r se ba nded treatm ent and  sp a r se colum n  treatment met hod s to do the   recovery of G auss mea s u r ement matrix.  The re covery  effect is ideal All the mea s urem ent mat r ice s   se le cted  in the  experi m ent have   M N elements, wh ere  N  is th e n u mb er of  coll ecte d si gnal s, a n d   M  is the  me asu r ing  nu m ber  of the  co mpre ssed   sen s in g algo rithm. Toeplitz matrix and  cyclic mat r ix are shap ed  se parately li ke t he form ula (5 )   and the form ula (6 ), whe r e each eleme n , ij a  satisfies t he Bernoulli  di stribution. Sparse banded  matrix is sh o w n a s  formul a (7), whe r non-ze ro  el e m ents o bey the Gau s s distribution an the   sub s cript  pa r a met e l  sat i s f ies  [2 * / 3 ] lN N M  [8]. Spars e  column matrix is  s h own as   formula   (8), whe r e   non ze ro eleme n ts obey  the   Ga uss di stri buti on a nd th n u mbe r  of  non zero   element s in the first colum n  also  satisfie [2 * / 3 ] pN N M  [8].  The re cove ry  effect of orig inal lea k ag e curre n t data and data m e asu r ed from  different  measurement  matrice s  a r sho w n in the i m age s belo w         Figure 1. Ra w Data   Figure 2. Re cons truc tion Effec t  of Gauss  Measurement  Matrix  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4258 – 4 263   4262       Figure 3. Reconstruction Effect of Bernoulli  Measurement  Matrix  Figure 4. Re constructio n  Effect of TopeLi Measurement  Matrix            Figure 5. Re constructio n  Effec t  of Cyc lic   Matrix  Figure 6. Re constructio n  Effect of Gauss  Measurement  Matrix   with Sparse  Banded Processing           Figure 7. Re constructio n  Effect of Gauss Measu r em en t Matrix with Sparse Colu mns Proce s si ng       Due to the varying de gre e s of ran d o m ness  of me asu r em ent matrice s , thou san d s of   times expe ri ments h a ve  been  ca rrie d   out for the  selectio n of e v ery mea s urement matrix . The   relativ e  er ro r formula of the   matrix is  s h own as  follows:    A A A A A           ( 9 )     Whe r A  represe n ts the  measured va lue of the matrix, and  A  repre s e n ts th e true value.   Re cord every  experime n tal  erro r and ta ke the aver ag e, then the re con s tru c tion  error of different  matrix duri ng  sign al re cove ring i s  obtai n ed. It is  obvio us that the  re con s tru c tion  error of diffe rent  matrix is in th e ran ge 6% t o  9%, and th e re con s tructi on effect s of  Berno u lli mea s ureme n t matrix,  Toeplitz m e a s ureme n t matrix as well a s   cycli c   matrix are better than the traditional matrix.            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Im proved  Co m p ressed Se nsin g Matri x e s  for In sulator Leakage  Current Data … (Zhai Xuem ing)  4263 Table 1. Re constructio n  Erro r of  Differe nt Measu r em ent Matrices  Measurement m a trix  Re construction error ( % )   Gauss measure m ent matrix  8.53  Ber noulli measur ement matr i x   6.65  Toeplitz matrix  6.90  Cy clic matr ix  6.68  Gauss matrix  w i t h  Spar se bande d  processing  8.66  Gauss matrix  w i t h  Sparse  columns processing   8.89      6. Conclusio n   The expe rim ental re sults  sho w  that wh en t he Toe p litz matrix and  cycli c  matrix are u s e d   as th e me asu r eme n t matri c e s  of  com p ressed  s ensi n g, the mat c hi ng de gree of  the comp re ssion  and  re storati on of in sulato r lea k a ge  current  sign al is   pretty high i n   the view  of si gnal fo rm in t h e   time domain,  and the error value s  are stable in   a rathe r  limited ran ge in  the view of the  nume r ical cal c ulatio n re sul t s of re cove ry errors.  The  restori ng effe cts are ne arly  the sa me id e a w h en  th e s p a r se  me as u r e m e n t  ma tr ice s   a r e us e d  in  th e s i gn al r e c o ver y . Co mp ar e d  to  th traditional  ran dom m e a s urement m a trix, the o p ti mal  measurement  matrix h a s le ss ind epe nde nt  rand om elem ents, whi c h m a ke s it easy to be implem e n ted in engi n eerin g.      Ackn o w l e dg ements   This  wo rk i s   supp orte d  by Natio n a l  Na tu ral S c ience Fo und ation of  Chi na (No.  6107 4078 ).       Referen ces   [1]  Gu L, Sun C. Contam inati on  insul a tio n  of el ectr ical p o w e s y stem. 1st Ed ition. Ch on gqi n g : Cho ngq in g   Univers i t y  Pr es s. 1990.   [2]  Jian g X, Shu  L, Sun C. Poll ution a nd Icin g  Insu latio n  of Po w e r S y stem . 1st Edition. Beiji ng: Ch ina   Electric Po w e r Press. 2009.   [3]  Hui A, Lin H. C u rve F i tting of Leak ag e Curre nt  on HV Insul a tors  w i t h  the  F r actal T heor y .   High Vo ltag e   Engi neer in g.  2008; 34( 1): 27- 29.   [4]  Li M, Cai W.  Data C o mpres s ion  in the Insulators'  T e lemetry  Sy stem.  Automation of  El e c tr i c  P o we System s.  20 04 ; 28(12): 70-7 4 .   [5]  Che n  Q, Huan g J, Z hu Y. Data Compress io n  of  Insulator Le akag e Curre nt Based o n  the Compress e d   Sensi ng.  Electr ic Pow e r Scien c e and En gi ne erin g . 201 0; 26 (7): 1-4.  [6]  Z hai  X. Rese arch on Insu lator  Leaka ge C u rr ent De tectio n o f  High Accurac y  a nd Dat a  Co mpressio n  fo r   T r ansmission L i nes. PhD T hesis. Beiji ng: No rth Chin a Elect r ic Po w e r U n iv ercit y ; 2 012.   [7]  Don oho D L . Compress ed se nsin g.  IEEE Tr ansactions on  Information  Theory.  2006; 5 2 (4 ): 1289-1 3 0 6 [8]  Can dés E, R o mberg J, T ao  Z .  Robust u n c e rtaint princ i pl es.  Exact sig n a l rec onstructi on fro m   hig h l y   inco mplete Th eory . 200 6; 52( 2): 489-5 09.   [9]  Yang H, Z han g  C, Ding D, W e i S.  T he  T heory of  Compr e ss ed Sens in g an d Reco nstructi on Alg o rithm.   Acta Electronic a  Sinic a . 201 1; 39(1): 142- 14 8.  [10]  Yang  H. Rese arch o n  Meas ureme n t Matri x  and  Recov e r y  Algorit hm in  Compress ive  Sensi ng. Ph D   T hesis. Hefei: Anhu i Univ ersit y ; 20 11.   [11]  W u  Y. Research on Meas urement  Matrix  for Compress iv e Sensing.  Master T hesis.  Xi ’a n: Xi dia n   Univers i t y ; 2 0 1 2 [12] Rau hut  H.   Circ u la nt a nd T o ep lit z   Matric es i n   Co mpress ed  S ensi ng.  Pr oceedings of  SPARS’09, S a int   Malo. 20 09.   [13]  Baj w a W U , H aupt JD, Raz  GM, W r ight SJ, No w a k R D T oeplit z - struct ured C o mpr e s s ed Se nsin g   Matrices. Statistical Sig nal Pr ocessi ng . SSP'07. IEEE/SP 14th Works hop  on. Madis on. 2 007.   [14]  T r opp J, Gilbe r t A. Signa l R e cover y  from   Ran dom M eas ureme n ts via  Orthogon al M a tching  Pursu i t.   IEEE Transactions on Infor m a t ion Theory.  2 0 07; 53(1 2 ): 465 5-46 66.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.