林利祥，陳 創(chuàng)，王 幸，彭顯剛，劉 藝

（1.廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣州 510000；2.廣東工業(yè)大學，廣州 510006）

0 引言

電力系統(tǒng)具有規(guī)模大、結構復雜、安全風險高等特點，其安全穩(wěn)定運行直接關系到國民經濟發(fā)展[1-5]。變電站繼保自動化技術對于快速切除電網故障，保障電網安全可靠運行，具有至關重要的作用[6-9]。為保障繼電保護裝置等二次設備的穩(wěn)定可靠運行，電力運維人員需對其開展定期檢驗工作（以下簡稱“定檢”）。

繼保自動化專業(yè)在開展二次設備定檢前，需要準備諸多材料，比如工作票、二次措施單、三遙試驗點表等。上述材料繁多，且由于不同材料所處位置不同，傳統(tǒng)人工查找不方便，浪費大量時間。此外，人工制作材料也容易出現(xiàn)錯漏，以制作三遙點表為例，由于信號數量繁多，傳統(tǒng)的人工挑選點表，可能出現(xiàn)漏選或錯選的問題，造成定檢不完整，給設備運行帶來潛在的隱患。

針對上述問題，本文提出一種基于MATLAB和信息匹配算法的變電站二次設備定檢輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于MATLAB 平臺開發(fā)，運用信息匹配KMP 算法快速搜索識別關鍵信息，并利用MSOPEN 等工具自動生成二次設備定檢所需的各類型材料，包括典型工作票、典型二次措施單、三遙點表等。變電站二次專業(yè)人員可通過本系統(tǒng)，快速、便捷、準確地獲取定檢材料，顯著降低定檢準備的時間和人力，有助于提升電力生產信息化水平。

1 系統(tǒng)架構設計

變電站二次設備定檢準備輔助系統(tǒng)（以下簡稱“定檢輔助系統(tǒng)”）的主要設計框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設計架構

2 基于MATLAB 和KMP 算法的定檢輔助系統(tǒng)

2.1 基于KMP 算法的信息匹配模塊

KMP 算法是信息匹配領域中一種改進的字符串匹配算法，該算法由D.E.Knuth，J.H.Morris和V.R.Pratt 提出，故稱為“克努特—莫里斯—普拉特”算法[10-12]。KMP 算法主要通過next 函數實現(xiàn)，該函數本身包含了模式串的局部匹配信息。具體實現(xiàn)過程如下[13-14]：

采用從左往右的順序，模式串T 與主串P 逐一開展匹配比較。

若T[i]=P[j]，則比較T[i+1]=P[j+1]；若T[i]!=P[j]，則i 值不變，j 值等于next[j]，再進行下一輪的比對。其中next[j]的值表示P[0，1，…，j-1]中最長后綴的長度。

重復上述過程，直至匹配完成或失敗。

KMP 算法的關鍵優(yōu)勢在于可以利用匹配失敗后的信息，當匹配失敗時，模式串的指針回溯到滿足限制條件之處，再重新進行比較，從而有效減少模式串與主串的匹配次數，以達到快速匹配的目的。

本文引入KMP 算法作為目標信息與定檢設備數據庫材料匹配搜索的工具。相較于BM 等傳統(tǒng)算法，該算法具有更好的穩(wěn)定性，在實際電力定檢輔助工作中，其穩(wěn)定性和快速性具有更高優(yōu)先級?；贙MP 的定檢信息匹配具體實施流程如下：

（1）數據讀取，將設備臺賬、典型工作票庫等數據集導入到校核數據庫中，將系統(tǒng)界面輸入的定檢設備信息映射到校核數據庫中。

在后方的工廠，華工最初承擔最底層的體力工作。但很快，他們就成為各個工廠“第一流工人”。在法國的港口、車站、倉庫等任何工作場地，只要看到有起重機，在里面操作的基本上是華工。法國海軍專門聲明：外籍勞工，只要華工。

（2）數據拼接，將兩方數據以變電站為單位，以電壓等級為基準，將相同電壓等級的設備名稱拼接起來，作為相互匹配的對象。

（3）數據匹配，將數據集信息作為主串P，定檢設備信息作為模式串T，啟用next 函數進行信息匹配，從i=j=1 開始，對比T[i]和P[j]，若T[i]=P[j]，則比較T[i+1]=P[j+1]，一直到i 達到最大值；若某一位置T[i]!=P[j]，則i 值不變，j 值等于next[ j]，轉入下一輪的比對，直到i 達到最大值。

（4）結果處理，若模式串與主串匹配成功，則將數據集的目標信息存儲；若匹配失敗，則發(fā)出“重新檢查輸入信息”提示，待重輸信息后返回步驟（1）。

2.2 基于MATLAB 的數據轉換模塊

根據相關技術規(guī)范和管理規(guī)定，變電站繼電保護裝置定檢工作需要記錄相關作業(yè)過程和試驗結果，且各類材料均需依照規(guī)定的格式填寫及保存。因此，為了提高作業(yè)規(guī)范性，節(jié)省定檢材料準備時間，本系統(tǒng)開發(fā)了基于MATLAB 的數據轉換模塊，該模塊采用MATLAB 的MSOPEN 函數以及office 句柄等加以數據轉換處理。

數據轉換模塊的主要功能是按照工作票、二次措施單、三遙試驗表等材料格式要求，將KMP算法匹配搜索到的關鍵信息自動填入并轉化成標準工作票、二次措施單等適用于工作現(xiàn)場使用的材料。圖2 為采用基于MATLAB 語言的電力工作票數據轉換及修改的部分關鍵源代碼。

圖2 數據轉換關鍵源代碼

2.3 基于GUI 和GUIDE 的人機交互界面開發(fā)

GUI（圖形用戶界面）是提供用戶和計算機信息交流而設計的計算機程序，可用于開發(fā)人機交互界面[15-16]。GUIDE（圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境）向用戶提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形窗口的工具，該類工具可顯著簡化GUI 設計與生成過程。本文利用基于GUI 和GUIDE 的人機交互界面模塊，可方便地創(chuàng)建GUI 應用程序，并自動生成MATLAB的M 文件框架。

2.4 數據庫管理

數據庫管理工具采用SQL Server 2008。數據源為變電站運維基礎數據，包括三遙點表數據庫、兩票管理數據庫、二次措施單數據庫和屏柜照片數據庫等。

本系統(tǒng)需要建立5 個數據集，即變電站設備臺賬數據集、工作票數據集、典型二次措施單數據集、設備照片數據集和三遙點表數據集等。其中變電站設備臺賬集屬性包括： ID 號、廠站電壓等級、廠站名稱、設備電壓等級、設備名稱、保護名稱、保護型號等；工作票集屬性包括設備類型、電壓等級、工作票類型、典型作業(yè)類型等；典型二次措施單集屬性包括設備類型、電壓等級、工作方法等；屏柜照片集屬性包括廠站名稱、設備所屬場地、屏柜號、保護裝置、壓板等；三遙點表集屬性包括設備編碼、三遙描述、量測類型編碼、RTU 號、三遙點號等。設備臺賬數據集如圖3 所示。

圖3 設備臺賬數據集

2.5 軟件界面開發(fā)

定檢輔助系統(tǒng)開發(fā)界面如圖4 所示，包含“變電站電壓等級”“變電站名稱”“定檢設備電壓等級”“定檢設備名稱”等4 個關鍵輸入信息接口，以及填寫關鍵信息后的“輸入信息確認”按鈕和所需生成的定檢材料選項，包括“典型工作票”“典型二次措施單”“屏柜照片”和“一鍵導出”等。系統(tǒng)開發(fā)了運行成功及出錯提示功能，其界面分別如圖5、圖6 所示。

圖4 軟件界面及關鍵組件

圖5 運行成功提示

圖6 運行出錯提示

3 系統(tǒng)應用流程介紹

定檢輔助系統(tǒng)應用流程如圖7 所示。

圖7 應用流程

詳細應用步驟如下：

步驟1： 根據繼電保護裝置定檢工作任務，填寫定檢設備的關鍵信息，包括“變電站電壓等級”“變電站名稱”“定檢設備電壓等級”“定檢設備名稱”等。確認無誤后，點擊“輸入信息確認”，同時選擇保存路徑。

步驟2： 點擊需要輔助軟件協(xié)助生成的材料，如“典型二次措施單”，后臺KMP 算法進行信息特征向量索引與匹配。

步驟3： 信息匹配結果輸入數據轉換模塊中，數據轉換模塊按照規(guī)定格式自動轉化與處理。

步驟4： 若數據匹配及轉換成功，軟件自動彈出提示彈窗，提示運行成功，并提示文件保存路徑。在相應文件夾中，即可獲取所需的“典型二次措施單”。若數據匹配轉換失敗，軟件彈窗提示出錯，提醒工作人員重新確認核對信息。類似的，點擊“屏柜照片”，可獲取定檢設備的各類屏柜照片，以查看保護裝置型號、壓板等信息。

此外，系統(tǒng)開發(fā)一鍵導出功能，輸入關鍵信息后點擊“一鍵導出”，即可一次性獲取所需的工作票、二次措施單、屏柜照片等材料。

4 應用效果分析

4.1 應用情況及成效

該定檢輔助系統(tǒng)在南方電網公司某供電局試點應用，用于輔助日常各類二次設備定檢工作，效果顯著。以500 kV 增城站1 號主變?yōu)槔?，介紹系統(tǒng)應用效果。

首先，輸入需定檢設備信息“500 kV 增城站500 kV 1 號主變”，如圖8 所示。

圖8 輸入定檢設備信息

選擇保存路徑后，根據工作需要點擊相應按鈕，如“工作票樣票”或“典型二次措施單”。系統(tǒng)運行結束后彈出對話框提示“運行成功”并顯示獲取路徑，分別如圖9、圖10 所示。在文件夾中，即可獲取相應的文件材料，如圖11、圖12 所示。

圖9 工作票導出成功界面

圖10 典型二次措施單導出成功界面

圖11 系統(tǒng)生成工作票樣票

圖12 系統(tǒng)生成二次措施單

將采用常規(guī)人工方式與采用本定檢輔助系統(tǒng)所耗費的時間和準確性加以統(tǒng)計，結果見表1。

表1 應用成效對比分析

由表1 可知，在500 kV 增城站1 號主變的定檢準備中，傳統(tǒng)人工挑選三遙點表、選擇典型工作票、二次措施單等需費時約35 min，而采用定檢輔助系統(tǒng)，僅需12 s 即可完成信息匹配，并生成規(guī)范準確的文件材料，耗時減少了99.43%，可顯著提高工作效率；在準確性方面，同樣以500 kV 增城站1 號主變定檢三遙點表為例，重復200 次統(tǒng)計結果表明，采用人工方式的準確性僅為92.5%，而采用定檢輔助系統(tǒng)，準確率達100%。由此可知，采用本系統(tǒng)可提高定檢三遙點表信息準確性，避免因定檢不完全而遺留設備運行隱患，保障設備健康穩(wěn)定運行；此外，采用軟件程序代替人工方式，也可大大提高電力生產的信息化水平。

4.2 技術指標分析

在定檢信息匹配及文件生成時間方面，電壓等級220 kV 及以上電力設備的平均時間為8.54 s，電壓等級220 kV 以下設備的平均時間為2.17 s；三遙點表挑選準確率可達100%。

4.3 經濟效益分析

采用該輔助系統(tǒng)可大大節(jié)約準備時間，提高工作效率（500 kV 主變定檢材料準備可節(jié)約99%以上時間）。以每次定檢準備節(jié)省30 min，每年班組約有2 355 套保護需定檢計算，全年累計可節(jié)省工時70 650 min，每年可節(jié)省人工成本約為64 762.5 元。

4.4 安全及社會效益分析

安全效益方面，該系統(tǒng)提高了定檢三遙點表等材料的準確性，可避免因定檢不完全而遺留設備運行隱患，提高安全生產效益。社會效益方面，該系統(tǒng)可提高工作效率，保障供電可靠性，提升社會效益。

5 結語

本文提出一種基于MATLAB 和信息匹配KMP 算法的變電站二次設備定檢輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點： 實現(xiàn)定檢材料獲取自動化，只需輸入定檢設備關鍵信息，即可自動輸出各種資料，人工干預少，使用便捷；軟件操作步驟簡捷，運行速度快，大大降低了定檢準備工作的時間和人力；可有效提高定檢材料準確性，降低因定檢不完全而遺留的設備運行隱患，保障安全生產。該系統(tǒng)借助信息化手段，顯著提高工作效率，提升電力生產精益化水平。

此外，該思路也可推廣應用于類似的工作方法改進上，比如閉環(huán)工作流程提醒系統(tǒng)、變電站消缺輔助系統(tǒng)等，具有較好的工程實用價值。