基于MATLAB 和信息匹配KMP 算法的变电站二次设备定检辅助系统研究

林利祥，陈 创，王 幸，彭显刚，刘 艺

（1.广东电网有限责任公司广州供电局，广州 510000；2.广东工业大学，广州 510006）

0 引言

电力系统具有规模大、结构复杂、安全风险高等特点，其安全稳定运行直接关系到国民经济发展[1-5]。变电站继保自动化技术对于快速切除电网故障，保障电网安全可靠运行，具有至关重要的作用[6-9]。为保障继电保护装置等二次设备的稳定可靠运行，电力运维人员需对其开展定期检验工作（以下简称“定检”）。

继保自动化专业在开展二次设备定检前，需要准备诸多材料，比如工作票、二次措施单、三遥试验点表等。上述材料繁多，且由于不同材料所处位置不同，传统人工查找不方便，浪费大量时间。此外，人工制作材料也容易出现错漏，以制作三遥点表为例，由于信号数量繁多，传统的人工挑选点表，可能出现漏选或错选的问题，造成定检不完整，给设备运行带来潜在的隐患。

针对上述问题，本文提出一种基于MATLAB和信息匹配算法的变电站二次设备定检辅助系统。该系统基于MATLAB 平台开发，运用信息匹配KMP 算法快速搜索识别关键信息，并利用MSOPEN 等工具自动生成二次设备定检所需的各类型材料，包括典型工作票、典型二次措施单、三遥点表等。变电站二次专业人员可通过本系统，快速、便捷、准确地获取定检材料，显著降低定检准备的时间和人力，有助于提升电力生产信息化水平。

1 系统架构设计

变电站二次设备定检准备辅助系统（以下简称“定检辅助系统”）的主要设计框架如图1 所示。

图1 系统设计架构

2 基于MATLAB 和KMP 算法的定检辅助系统

2.1 基于KMP 算法的信息匹配模块

KMP 算法是信息匹配领域中一种改进的字符串匹配算法，该算法由D.E.Knuth，J.H.Morris和V.R.Pratt 提出，故称为“克努特—莫里斯—普拉特”算法[10-12]。KMP 算法主要通过next 函数实现，该函数本身包含了模式串的局部匹配信息。具体实现过程如下[13-14]：

采用从左往右的顺序，模式串T 与主串P 逐一开展匹配比较。

若T[i]=P[j]，则比较T[i+1]=P[j+1]；若T[i]!=P[j]，则i 值不变，j 值等于next[j]，再进行下一轮的比对。其中next[j]的值表示P[0，1，…，j-1]中最长后缀的长度。

重复上述过程，直至匹配完成或失败。

KMP 算法的关键优势在于可以利用匹配失败后的信息，当匹配失败时，模式串的指针回溯到满足限制条件之处，再重新进行比较，从而有效减少模式串与主串的匹配次数，以达到快速匹配的目的。

本文引入KMP 算法作为目标信息与定检设备数据库材料匹配搜索的工具。相较于BM 等传统算法，该算法具有更好的稳定性，在实际电力定检辅助工作中，其稳定性和快速性具有更高优先级。基于KMP 的定检信息匹配具体实施流程如下：

（1）数据读取，将设备台账、典型工作票库等数据集导入到校核数据库中，将系统界面输入的定检设备信息映射到校核数据库中。

在后方的工厂，华工最初承担最底层的体力工作。但很快，他们就成为各个工厂“第一流工人”。在法国的港口、车站、仓库等任何工作场地，只要看到有起重机，在里面操作的基本上是华工。法国海军专门声明：外籍劳工，只要华工。

（2）数据拼接，将两方数据以变电站为单位，以电压等级为基准，将相同电压等级的设备名称拼接起来，作为相互匹配的对象。

（3）数据匹配，将数据集信息作为主串P，定检设备信息作为模式串T，启用next 函数进行信息匹配，从i=j=1 开始，对比T[i]和P[j]，若T[i]=P[j]，则比较T[i+1]=P[j+1]，一直到i 达到最大值；若某一位置T[i]!=P[j]，则i 值不变，j 值等于next[ j]，转入下一轮的比对，直到i 达到最大值。

（4）结果处理，若模式串与主串匹配成功，则将数据集的目标信息存储；若匹配失败，则发出“重新检查输入信息”提示，待重输信息后返回步骤（1）。

2.2 基于MATLAB 的数据转换模块

根据相关技术规范和管理规定，变电站继电保护装置定检工作需要记录相关作业过程和试验结果，且各类材料均需依照规定的格式填写及保存。因此，为了提高作业规范性，节省定检材料准备时间，本系统开发了基于MATLAB 的数据转换模块，该模块采用MATLAB 的MSOPEN 函数以及office 句柄等加以数据转换处理。

数据转换模块的主要功能是按照工作票、二次措施单、三遥试验表等材料格式要求，将KMP算法匹配搜索到的关键信息自动填入并转化成标准工作票、二次措施单等适用于工作现场使用的材料。图2 为采用基于MATLAB 语言的电力工作票数据转换及修改的部分关键源代码。

图2 数据转换关键源代码

2.3 基于GUI 和GUIDE 的人机交互界面开发

GUI（图形用户界面）是提供用户和计算机信息交流而设计的计算机程序，可用于开发人机交互界面[15-16]。GUIDE（图形用户界面开发环境）向用户提供了一套可视化的创建图形窗口的工具，该类工具可显著简化GUI 设计与生成过程。本文利用基于GUI 和GUIDE 的人机交互界面模块，可方便地创建GUI 应用程序，并自动生成MATLAB的M 文件框架。

2.4 数据库管理

数据库管理工具采用SQL Server 2008。数据源为变电站运维基础数据，包括三遥点表数据库、两票管理数据库、二次措施单数据库和屏柜照片数据库等。

本系统需要建立5 个数据集，即变电站设备台账数据集、工作票数据集、典型二次措施单数据集、设备照片数据集和三遥点表数据集等。其中变电站设备台账集属性包括： ID 号、厂站电压等级、厂站名称、设备电压等级、设备名称、保护名称、保护型号等；工作票集属性包括设备类型、电压等级、工作票类型、典型作业类型等；典型二次措施单集属性包括设备类型、电压等级、工作方法等；屏柜照片集属性包括厂站名称、设备所属场地、屏柜号、保护装置、压板等；三遥点表集属性包括设备编码、三遥描述、量测类型编码、RTU 号、三遥点号等。设备台账数据集如图3 所示。

图3 设备台账数据集

2.5 软件界面开发

定检辅助系统开发界面如图4 所示，包含“变电站电压等级”“变电站名称”“定检设备电压等级”“定检设备名称”等4 个关键输入信息接口，以及填写关键信息后的“输入信息确认”按钮和所需生成的定检材料选项，包括“典型工作票”“典型二次措施单”“屏柜照片”和“一键导出”等。系统开发了运行成功及出错提示功能，其界面分别如图5、图6 所示。

图4 软件界面及关键组件

图5 运行成功提示

图6 运行出错提示

3 系统应用流程介绍

定检辅助系统应用流程如图7 所示。

图7 应用流程

详细应用步骤如下：

步骤1： 根据继电保护装置定检工作任务，填写定检设备的关键信息，包括“变电站电压等级”“变电站名称”“定检设备电压等级”“定检设备名称”等。确认无误后，点击“输入信息确认”，同时选择保存路径。

步骤2： 点击需要辅助软件协助生成的材料，如“典型二次措施单”，后台KMP 算法进行信息特征向量索引与匹配。

步骤3： 信息匹配结果输入数据转换模块中，数据转换模块按照规定格式自动转化与处理。

步骤4： 若数据匹配及转换成功，软件自动弹出提示弹窗，提示运行成功，并提示文件保存路径。在相应文件夹中，即可获取所需的“典型二次措施单”。若数据匹配转换失败，软件弹窗提示出错，提醒工作人员重新确认核对信息。类似的，点击“屏柜照片”，可获取定检设备的各类屏柜照片，以查看保护装置型号、压板等信息。

此外，系统开发一键导出功能，输入关键信息后点击“一键导出”，即可一次性获取所需的工作票、二次措施单、屏柜照片等材料。

4 应用效果分析

4.1 应用情况及成效

该定检辅助系统在南方电网公司某供电局试点应用，用于辅助日常各类二次设备定检工作，效果显著。以500 kV 增城站1 号主变为例，介绍系统应用效果。

首先，输入需定检设备信息“500 kV 增城站500 kV 1 号主变”，如图8 所示。

图8 输入定检设备信息

选择保存路径后，根据工作需要点击相应按钮，如“工作票样票”或“典型二次措施单”。系统运行结束后弹出对话框提示“运行成功”并显示获取路径，分别如图9、图10 所示。在文件夹中，即可获取相应的文件材料，如图11、图12 所示。

图9 工作票导出成功界面

图10 典型二次措施单导出成功界面

图11 系统生成工作票样票

图12 系统生成二次措施单

将采用常规人工方式与采用本定检辅助系统所耗费的时间和准确性加以统计，结果见表1。

表1 应用成效对比分析

由表1 可知，在500 kV 增城站1 号主变的定检准备中，传统人工挑选三遥点表、选择典型工作票、二次措施单等需费时约35 min，而采用定检辅助系统，仅需12 s 即可完成信息匹配，并生成规范准确的文件材料，耗时减少了99.43%，可显著提高工作效率；在准确性方面，同样以500 kV 增城站1 号主变定检三遥点表为例，重复200 次统计结果表明，采用人工方式的准确性仅为92.5%，而采用定检辅助系统，准确率达100%。由此可知，采用本系统可提高定检三遥点表信息准确性，避免因定检不完全而遗留设备运行隐患，保障设备健康稳定运行；此外，采用软件程序代替人工方式，也可大大提高电力生产的信息化水平。

4.2 技术指标分析

在定检信息匹配及文件生成时间方面，电压等级220 kV 及以上电力设备的平均时间为8.54 s，电压等级220 kV 以下设备的平均时间为2.17 s；三遥点表挑选准确率可达100%。

4.3 经济效益分析

采用该辅助系统可大大节约准备时间，提高工作效率（500 kV 主变定检材料准备可节约99%以上时间）。以每次定检准备节省30 min，每年班组约有2 355 套保护需定检计算，全年累计可节省工时70 650 min，每年可节省人工成本约为64 762.5 元。

4.4 安全及社会效益分析

安全效益方面，该系统提高了定检三遥点表等材料的准确性，可避免因定检不完全而遗留设备运行隐患，提高安全生产效益。社会效益方面，该系统可提高工作效率，保障供电可靠性，提升社会效益。

5 结语

本文提出一种基于MATLAB 和信息匹配KMP 算法的变电站二次设备定检辅助系统，该系统具有以下特点： 实现定检材料获取自动化，只需输入定检设备关键信息，即可自动输出各种资料，人工干预少，使用便捷；软件操作步骤简捷，运行速度快，大大降低了定检准备工作的时间和人力；可有效提高定检材料准确性，降低因定检不完全而遗留的设备运行隐患，保障安全生产。该系统借助信息化手段，显著提高工作效率，提升电力生产精益化水平。

此外，该思路也可推广应用于类似的工作方法改进上，比如闭环工作流程提醒系统、变电站消缺辅助系统等，具有较好的工程实用价值。