一種NFC無源鎖的設(shè)計及其在變電站的應(yīng)用

引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,電網(wǎng)中設(shè)備逐年增多,生產(chǎn)作業(yè)交叉頻繁,授權(quán)難、記錄難,運(yùn)維人員走錯設(shè)備間隔導(dǎo)致的人身觸電、設(shè)備誤動和電網(wǎng)事故等時有發(fā)生,引發(fā)作業(yè)風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險,影響用戶供電。

以變電站爬梯為例,作為變電站工作人員的登高通道,其廣泛應(yīng)用于變電站內(nèi)如變壓器和電抗器等大型設(shè)備、母線構(gòu)架以及建筑物等處,方便了設(shè)備驗收、檢修試驗、飄浮物處理等工作的開展。但值得注意的是,高空作業(yè)情況復(fù)雜,安全距離難以掌握,作業(yè)人員因沒有認(rèn)真核對設(shè)備編號誤登帶電設(shè)備爬梯,導(dǎo)致直接或間接觸電的事故時有發(fā)生。為了杜絕人員誤攀登帶電設(shè)備導(dǎo)致墜落、觸電等風(fēng)險,運(yùn)行人員會在爬梯攀登處設(shè)置爬梯門并掛鎖,爬梯鎖因而成為阻隔高處帶電部位的最后一道機(jī)械屏障,如果未落鎖、鎖具丟失或鑰匙外泄,則任何人都可以拿著鑰匙開鎖,無阻礙地直接進(jìn)入帶電設(shè)備范圍攀登爬梯,因此保證爬梯鎖的穩(wěn)定可靠至關(guān)重要。

當(dāng)前變電站針對人員走錯設(shè)備間隔的技術(shù)防御措施,根據(jù)被保護(hù)設(shè)備類型的不同,主要可以分為兩種:

（1）對于主要電氣設(shè)備的保護(hù)措施,以五防、檢修隔離器等微機(jī)管理系統(tǒng)為主,利用當(dāng)前站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行方式和檢修設(shè)備的范圍提供閉鎖邏輯。此方法可靠性非常高,但使用范圍存在一定的局限性,且操作過程需要經(jīng)過模擬預(yù)演,一般只能適用于可以操作的主要電氣設(shè)備,對生產(chǎn)輔助設(shè)備設(shè)施無能為力。

（2）對于除主設(shè)備以外的輔助設(shè)備設(shè)施,如爬梯門、設(shè)備室門、工具柜、保護(hù)屏門等,一般采用"一匙通"機(jī)械鎖,即使用一把通用鑰匙可以打開全站所有機(jī)械鎖的方式,鑰匙由值班運(yùn)行人員管理。但現(xiàn)實中,"一匙通"方式只能實現(xiàn)人防,難以實現(xiàn)技防,為確保安全,現(xiàn)場規(guī)程規(guī)定通用鑰匙需要運(yùn)行人員陪同施工人員至現(xiàn)場開鎖后立刻收回,不得隨意交予施工人員保管,這種做法既不安全,工作效率也較低,機(jī)械鑰匙缺乏防護(hù)措施,鑰匙管理粗放,易丟失、易復(fù)制。如不采用"一匙通"方式,由于機(jī)械鎖數(shù)量多,所配鑰匙過多,運(yùn)行人員難以一一對應(yīng)區(qū)分,查詢?nèi)∮眯实汀?

根據(jù)某電網(wǎng)公司提出的《物聯(lián)安全鎖具技術(shù)規(guī)范》,現(xiàn)有部分有源智能鎖具方案可實現(xiàn)智能化管理,但依賴外部電源,維護(hù)難度大、可靠性低、實施復(fù)雜,且需要專用鑰匙,互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用水平低,難以實現(xiàn)智能安全控制。

針對上述問題,本文研制出一套適用于變電站的基于NFC技術(shù)的無源掛鎖。該NFC掛鎖通過智能手機(jī)的專用App控制授權(quán),NFC感應(yīng)技術(shù)傳輸開鎖信號并提供開鎖電源,能實現(xiàn)對站內(nèi)機(jī)械鎖的智能化管理,減少作業(yè)人員的人身風(fēng)險,降低電網(wǎng)設(shè)備故障動作風(fēng)險,確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1基于NFC技術(shù)的無源鎖設(shè)計

1.1整體設(shè)計思路

對于現(xiàn)有變電站來說,尤其是戶外機(jī)械鎖較多的戶外站,掛鎖廣泛采用普通的金屬機(jī)械鎖,結(jié)構(gòu)簡單,造價便宜,但其長期遭受風(fēng)吹雨淋,極易生銹導(dǎo)致無法開鎖或落鎖,存在較大安全隱患。

本文提出一種基于NFC原理的無源爬梯鎖裝置,該裝置無鎖孔,每個爬梯鎖相互獨立,有對應(yīng)編碼,通過手機(jī)連接實現(xiàn)非接觸式開鎖,連接速度快,防水性能佳,無須配置電池,成本低,能適應(yīng)戶外變電站復(fù)雜的外界情況,有效解決機(jī)械掛鎖安全性低及鑰匙孔易堵塞的問題。本裝置制造工藝簡單,具有開鎖快、設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和防護(hù)效果好的優(yōu)點,可在所有運(yùn)行中變電站的爬梯以及保護(hù)屏門、匯控柜門、工具柜門、設(shè)備室門等場景中應(yīng)用。

系統(tǒng)由鎖控主機(jī)、操作終端（手機(jī)或平板電腦）、智能鎖具三部分構(gòu)成。其中鎖控主機(jī)用于保存本地設(shè)備信息、業(yè)務(wù)邏輯、鎖具數(shù)據(jù)、權(quán)限等核心數(shù)據(jù):操作終端使用含NFC讀碼能力的手機(jī)或平板電腦終端均可,安裝有專用App,通過App提供操作任務(wù)管理、權(quán)限鑒別、鎖具識別、無線供電、邏輯管理和行為記錄功能。系統(tǒng)的整體設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。

1.2鎖具的組成和原理

基于NFC原理的無源機(jī)械鎖裝置以防水不銹鋼鎖體為基礎(chǔ),以植入在不銹鋼鎖具上的NFC標(biāo)簽為接收源,以運(yùn)行人員的手機(jī)為小型發(fā)射源,以電磁感應(yīng)原理為鎖具提供動力開鎖。

開鎖時需使用專門的NFC機(jī)械鎖App,運(yùn)行人員或經(jīng)過授權(quán)的施工人員輸入對應(yīng)的密碼并貼近鎖具,即可快速開鎖,能有效防止人員誤開鎖,并警示人員開鎖位置,在一定程度上降低了人員走錯間隔的可能性及安全事故發(fā)生的概率,保護(hù)了電網(wǎng)運(yùn)行安全。落鎖為手動按壓完成,操作方便。

NFC的工作原理是通過無線電波發(fā)送信息,也是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N標(biāo)準(zhǔn),屬于最安全的通信技術(shù)之一。目前NFC功能已經(jīng)成為智能手機(jī)終端設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置,廣泛用于讀碼、身份識別、金融支付等領(lǐng)域[3]。在NFC中使用的技術(shù)是由舊的免接觸式射頻識別(RFID）演變而來,即使用電磁感應(yīng)來傳輸信息,手機(jī)等有源NFC元件可以在機(jī)械鎖具這樣的無源元件中感應(yīng)出電流和發(fā)送數(shù)據(jù),這意味著機(jī)械鎖具不需要自己的電源,當(dāng)NFC組件進(jìn)入通信范圍即鎖具與手機(jī)接觸后,它們可以由手機(jī)等有源NFC組件產(chǎn)生的電磁場提供動力。鎖具的外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2  鎖具的外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計

該技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)NFC僅作為通信技術(shù)的應(yīng)用,在NFC讀寫設(shè)備與受端鎖具進(jìn)行識別、通信的同時,通過獨立的通信與取電射頻前端和天線,利用NFC射頻微弱的信號為鎖具和傳感器提供瞬時工作電源,實現(xiàn)通信供電一體化,解決了戶外智能鎖具需要提供外接或內(nèi)置電源的難題,同時滿足了NFC通信的性能與取電功率的高要求。內(nèi)置的軟件可定義NFC協(xié)議處理引擎,集成的ARM內(nèi)核允許用戶自定義NFC通信協(xié)議,可單片實現(xiàn)NFC無源應(yīng)用。鎖具的無源取能技術(shù)原理圖與無源取能模塊示意圖如圖3所示。

2NFC無源鎖的性能及應(yīng)用

該NFC鎖具備NFC無源供電技術(shù),支持NFC讀碼通信,無內(nèi)置電池,可以重復(fù)使用且無污染,具備遠(yuǎn)程動態(tài)授權(quán)解密開鎖及記錄跟蹤、開鎖邏輯順序控制等管理功能,全封閉設(shè)計,主體采用防水防銹材質(zhì),具有耐腐蝕能力,滿足戶外防雨、防塵、防卡澀需求,能快速、有效地達(dá)到防止運(yùn)維人員走錯設(shè)備間隔的目的。下面從適用性、應(yīng)用靈活性和安全性等方面說明該鎖具應(yīng)用的可行性。

2.1適用性

該NFC鎖具根據(jù)需要部署在戶外設(shè)備所有需要進(jìn)行安全管理的閉鎖點上,手動直接上鎖。當(dāng)運(yùn)行檢修或其他原因需要解鎖時,運(yùn)行值班人員根據(jù)操作票或工作票的授權(quán)范圍利用移動作業(yè)終端貼近對應(yīng)鎖具,點擊App上的解鎖按鈕即可實現(xiàn)解鎖,操作前閉鎖狀態(tài)及操作后解鎖狀態(tài)如圖4所示。系統(tǒng)自動記錄校核操作權(quán)限和鎖間邏輯,并自動記錄操作行為,將結(jié)果向中心主機(jī)上傳、匯報。

2.2應(yīng)用靈活性

該NFC智能機(jī)械鎖具內(nèi)部無須電源,免維護(hù),部署簡單:全封閉設(shè)計,戶外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng):鎖具內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單、安全、可靠:移動操作裝置通用性強(qiáng),手機(jī)App軟件通用蘋果、安卓等手機(jī)系統(tǒng),成本低,觸碰開鎖,操作便捷且具有語音提示等智能化功能:支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)授權(quán),可實時交互,效率高。

2.3安全性

該鎖具移動控制終端采用含NFC讀碼能力的手機(jī)或平板電腦終端均可,在終端安裝專用開鎖App,通過App提供操作任務(wù)管理、權(quán)限鑒別、鎖具識別、無線供電、邏輯管理和行為記錄功能。通過移動終端與智能鎖控裝置實現(xiàn)對各類關(guān)鍵設(shè)備的安全控制,以替代傳統(tǒng)機(jī)械鎖具,適用于作業(yè)現(xiàn)場工作范圍的管理,包括申請使用、授權(quán)開鎖、過程記錄、鎖具聯(lián)鎖,實現(xiàn)維護(hù)檢修作業(yè)危險點管控和安全管理。

3結(jié)語

針對電網(wǎng)中生產(chǎn)作業(yè)交叉頻繁,運(yùn)維人員易走錯設(shè)備間隔的問題,本文研制出一套易于操作、適用性強(qiáng)、安全性好的基于NFC技術(shù)的無源鎖,并從多方面說明了該NFC無源掛鎖在變電站應(yīng)用的可行性。盡管該裝置還存在成本較高、開鎖動力較小等缺點,但比起傳統(tǒng)采用"一匙通"機(jī)械鎖的方法,該裝置確實能在很大程度上解決運(yùn)行值班人員無法高效管控機(jī)械鎖進(jìn)而影響作業(yè)范圍管控的問題,顯著保障運(yùn)行維護(hù)人員的安全,因而具備良好的推廣價值。