林利祥，陳 創(chuàng)，王 幸，彭顯剛，劉 藝

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

0 引言

電力系統(tǒng)具有規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全風(fēng)險高等特點(diǎn)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-5]。變電站繼保自動化技術(shù)對于快速切除電網(wǎng)故障，保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，具有至關(guān)重要的作用[6-9]。為保障繼電保護(hù)裝置等二次設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，電力運(yùn)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(shè)備定檢前，需要準(zhǔn)備諸多材料，比如工作票、二次措施單、三遙試驗點(diǎn)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(fèi)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(diǎn)表為例，由于信號數(shù)量繁多，傳統(tǒng)的人工挑選點(diǎn)表，可能出現(xiàn)漏選或錯選的問題，造成定檢不完整，給設(shè)備運(yùn)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(shè)備定檢輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于MATLAB 平臺開發(fā)，運(yùn)用信息匹配KMP 算法快速搜索識別關(guān)鍵信息，并利用MSOPEN 等工具自動生成二次設(shè)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(diǎn)表等。變電站二次專業(yè)人員可通過本系統(tǒng)，快速、便捷、準(zhǔn)確地獲取定檢材料，顯著降低定檢準(zhǔn)備的時間和人力，有助于提升電力生產(chǎn)信息化水平。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

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

圖1 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

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(lǐng)域中一種改進(jìn)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(shù)實現(xiàn)，該函數(shù)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(jìn)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(fù)上述過程，直至匹配完成或失敗。

KMP 算法的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可以利用匹配失敗后的信息，當(dāng)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(jìn)行比較，從而有效減少模式串與主串的匹配次數(shù)，以達(dá)到快速匹配的目的。

本文引入KMP 算法作為目標(biāo)信息與定檢設(shè)備數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀取，將設(shè)備臺賬、典型工作票庫等數(shù)據(jù)集導(dǎo)入到校核數(shù)據(jù)庫中，將系統(tǒng)界面輸入的定檢設(shè)備信息映射到校核數(shù)據(jù)庫中。

在后方的工廠，華工最初承擔(dān)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(jī)，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(shù)據(jù)拼接，將兩方數(shù)據(jù)以變電站為單位，以電壓等級為基準(zhǔn)，將相同電壓等級的設(shè)備名稱拼接起來，作為相互匹配的對象。

（3）數(shù)據(jù)匹配，將數(shù)據(jù)集信息作為主串P，定檢設(shè)備信息作為模式串T，啟用next 函數(shù)進(jìn)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(dá)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(zhuǎn)入下一輪的比對，直到i 達(dá)到最大值。

（4）結(jié)果處理，若模式串與主串匹配成功，則將數(shù)據(jù)集的目標(biāo)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和管理規(guī)定，變電站繼電保護(hù)裝置定檢工作需要記錄相關(guān)作業(yè)過程和試驗結(jié)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(zhǔn)備時間，本系統(tǒng)開發(fā)了基于MATLAB 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，該模塊采用MATLAB 的MSOPEN 函數(shù)以及office 句柄等加以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(guān)鍵信息自動填入并轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及修改的部分關(guān)鍵源代碼。

圖2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)鍵源代碼

2.3 基于GUI 和GUIDE 的人機(jī)交互界面開發(fā)

GUI（圖形用戶界面）是提供用戶和計算機(jī)信息交流而設(shè)計的計算機(jī)程序，可用于開發(fā)人機(jī)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(shè)計與生成過程。本文利用基于GUI 和GUIDE 的人機(jī)交互界面模塊，可方便地創(chuàng)建GUI 應(yīng)用程序，并自動生成MATLAB的M 文件框架。

2.4 數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)庫管理工具采用SQL Server 2008。數(shù)據(jù)源為變電站運(yùn)維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括三遙點(diǎn)表數(shù)據(jù)庫、兩票管理數(shù)據(jù)庫、二次措施單數(shù)據(jù)庫和屏柜照片數(shù)據(jù)庫等。

本系統(tǒng)需要建立5 個數(shù)據(jù)集，即變電站設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)集、工作票數(shù)據(jù)集、典型二次措施單數(shù)據(jù)集、設(shè)備照片數(shù)據(jù)集和三遙點(diǎn)表數(shù)據(jù)集等。其中變電站設(shè)備臺賬集屬性包括： ID 號、廠站電壓等級、廠站名稱、設(shè)備電壓等級、設(shè)備名稱、保護(hù)名稱、保護(hù)型號等；工作票集屬性包括設(shè)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(shè)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(shè)備所屬場地、屏柜號、保護(hù)裝置、壓板等；三遙點(diǎn)表集屬性包括設(shè)備編碼、三遙描述、量測類型編碼、RTU 號、三遙點(diǎn)號等。設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)集如圖3 所示。

圖3 設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)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(shè)備電壓等級”“定檢設(shè)備名稱”等4 個關(guān)鍵輸入信息接口，以及填寫關(guān)鍵信息后的“輸入信息確認(rèn)”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(dǎo)出”等。系統(tǒng)開發(fā)了運(yùn)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(guān)鍵組件

圖5 運(yùn)行成功提示

圖6 運(yùn)行出錯提示

3 系統(tǒng)應(yīng)用流程介紹

定檢輔助系統(tǒng)應(yīng)用流程如圖7 所示。

圖7 應(yīng)用流程

詳細(xì)應(yīng)用步驟如下：

步驟1： 根據(jù)繼電保護(hù)裝置定檢工作任務(wù)，填寫定檢設(shè)備的關(guān)鍵信息，包括“變電站電壓等級”“變電站名稱”“定檢設(shè)備電壓等級”“定檢設(shè)備名稱”等。確認(rèn)無誤后，點(diǎn)擊“輸入信息確認(rèn)”，同時選擇保存路徑。

步驟2： 點(diǎn)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(jìn)行信息特征向量索引與匹配。

步驟3： 信息匹配結(jié)果輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊按照規(guī)定格式自動轉(zhuǎn)化與處理。

步驟4： 若數(shù)據(jù)匹配及轉(zhuǎn)換成功，軟件自動彈出提示彈窗，提示運(yùn)行成功，并提示文件保存路徑。在相應(yīng)文件夾中，即可獲取所需的“典型二次措施單”。若數(shù)據(jù)匹配轉(zhuǎn)換失敗，軟件彈窗提示出錯，提醒工作人員重新確認(rèn)核對信息。類似的，點(diǎn)擊“屏柜照片”，可獲取定檢設(shè)備的各類屏柜照片，以查看保護(hù)裝置型號、壓板等信息。

此外，系統(tǒng)開發(fā)一鍵導(dǎo)出功能，輸入關(guān)鍵信息后點(diǎn)擊“一鍵導(dǎo)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(yīng)用效果分析

4.1 應(yīng)用情況及成效

該定檢輔助系統(tǒng)在南方電網(wǎng)公司某供電局試點(diǎn)應(yīng)用，用于輔助日常各類二次設(shè)備定檢工作，效果顯著。以500 kV 增城站1 號主變?yōu)槔榻B系統(tǒng)應(yīng)用效果。

首先，輸入需定檢設(shè)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(shè)備信息

選擇保存路徑后，根據(jù)工作需要點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，如“工作票樣票”或“典型二次措施單”。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后彈出對話框提示“運(yùn)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(yīng)的文件材料，如圖11、圖12 所示。

圖9 工作票導(dǎo)出成功界面

圖10 典型二次措施單導(dǎo)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(fèi)的時間和準(zhǔn)確性加以統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 應(yīng)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(zhǔn)備中，傳統(tǒng)人工挑選三遙點(diǎn)表、選擇典型工作票、二次措施單等需費(fèi)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(zhǔn)確的文件材料，耗時減少了99.43%，可顯著提高工作效率；在準(zhǔn)確性方面，同樣以500 kV 增城站1 號主變定檢三遙點(diǎn)表為例，重復(fù)200 次統(tǒng)計結(jié)果表明，采用人工方式的準(zhǔn)確性僅為92.5%，而采用定檢輔助系統(tǒng)，準(zhǔn)確率達(dá)100%。由此可知，采用本系統(tǒng)可提高定檢三遙點(diǎn)表信息準(zhǔn)確性，避免因定檢不完全而遺留設(shè)備運(yùn)行隱患，保障設(shè)備健康穩(wěn)定運(yùn)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(chǎn)的信息化水平。

4.2 技術(shù)指標(biāo)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(shè)備的平均時間為8.54 s，電壓等級220 kV 以下設(shè)備的平均時間為2.17 s；三遙點(diǎn)表挑選準(zhǔn)確率可達(dá)100%。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用該輔助系統(tǒng)可大大節(jié)約準(zhǔn)備時間，提高工作效率（500 kV 主變定檢材料準(zhǔn)備可節(jié)約99%以上時間）。以每次定檢準(zhǔn)備節(jié)省30 min，每年班組約有2 355 套保護(hù)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(diǎn)表等材料的準(zhǔn)確性，可避免因定檢不完全而遺留設(shè)備運(yùn)行隱患，提高安全生產(chǎn)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(jié)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(shè)備定檢輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 實現(xiàn)定檢材料獲取自動化，只需輸入定檢設(shè)備關(guān)鍵信息，即可自動輸出各種資料，人工干預(yù)少，使用便捷；軟件操作步驟簡捷，運(yùn)行速度快，大大降低了定檢準(zhǔn)備工作的時間和人力；可有效提高定檢材料準(zhǔn)確性，降低因定檢不完全而遺留的設(shè)備運(yùn)行隱患，保障安全生產(chǎn)。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(chǎn)精益化水平。

此外，該思路也可推廣應(yīng)用于類似的工作方法改進(jìn)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。