基于無線供電技術的防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙及其鎖具設計

夏圣峰, 殷自力, 陳宇星, 吳 競, 譚 義

(1. 國網福州供電公司, 福建省福州市 350000; 2. 國網福建省電力有限公司, 福建省福州市 350003; 3. 珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司, 廣東省珠海市 519000)

基于無線供電技術的防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙及其鎖具設計

夏圣峰1, 殷自力2, 陳宇星2, 吳 競2, 譚 義3

(1. 國網福州供電公司, 福建省福州市 350000; 2. 國網福建省電力有限公司, 福建省福州市 350003; 3. 珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司, 廣東省珠海市 519000)

傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)中電腦鑰匙解鎖均通過鑰匙孔進行解鎖,存在被技術解鎖的缺點。文中提出一種非接觸式解鎖的電腦鑰匙及其鎖具,電腦鑰匙通過磁耦合諧振式的無線供電技術對智能鎖具進行供電,通過短距離無線通信技術與智能鎖具進行指令交互,控制智能鎖具內部的解鎖機械結構動作,實現非接觸式解鎖。同時,描述了電腦鑰匙及其智能鎖具無線供電關鍵技術的設計方法與測試過程,測試結果與理論分析基本一致,滿足防誤閉鎖系統(tǒng)技術指標要求,解決了傳統(tǒng)防誤解鎖方式所帶來的被技術解鎖風險,提高了電力生產的安全性。

電腦鑰匙; 磁耦合諧振式; 無線供電; 智能鎖具; 非接觸式解鎖

0 引言

電腦鑰匙廣泛應用于防誤閉鎖系統(tǒng)中,操作過程中,電腦鑰匙從防誤主機中接收操作票,電腦鑰匙給出唱票操作提示,運行人員按照電腦鑰匙的唱票提示逐步進行正確解鎖操作。若運行人員的實際操作與電腦鑰匙的提示不符,則電腦鑰匙發(fā)出報警并強制閉鎖,從而有效避免誤操作事故的發(fā)生。

隨著電力運行管理模式的變化,防誤系統(tǒng)對閉鎖方式提出了新的要求,不斷有防誤閉鎖新技術被引入防誤系統(tǒng)設計當中。文獻[1]提出在集控站監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入一套防誤閉鎖系統(tǒng),實現對監(jiān)控系統(tǒng)遙控操作的閉鎖,從技術上解決了集控站監(jiān)控系統(tǒng)進行遙控操作的防誤問題。文獻[2]采用先進的計算機技術、通信技術和抗干擾技術,設計了基于網絡的防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙,可以保證對操作過程進行在線監(jiān)控,這種防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙,既能減輕運行人員發(fā)生誤操作的可能性,又為現代化運行操作方式提供了防誤閉鎖新方法。文獻[3]利用微功耗無線網絡也可以實現電腦鑰匙在線解閉鎖,解決了微機防誤閉鎖系統(tǒng)離線操作所帶來的弊端。文獻[4]提出一種以T89C51RC2為核心的非總線系統(tǒng),并闡述了在此基礎上另加繼電器等外圍器件實現電腦鑰匙的各項功能,該設計克服了總線形式下走線繁瑣的缺點,有利于電腦鑰匙小型便攜化設計,提高了電腦鑰匙的抗干擾能力與工作穩(wěn)定性。

以上文獻都通過對電腦鑰匙的技術更新,以及增加在線閉鎖的方式來提高防誤閉鎖系統(tǒng)的安全等級,卻忽略了傳統(tǒng)電腦鑰匙解閉鎖方式給防誤閉鎖系統(tǒng)帶來的安全風險。目前防誤用電腦鑰匙解閉鎖方式主要為機械式的雙桿解閉鎖方式,也有部分采用機械式單桿解閉鎖方式。單桿解閉鎖方式與雙桿解閉鎖原理上基本相同,都是通過機械的方式擰動鎖具內鎖銷來實現解鎖。如果該鎖具被安裝在戶外隔離開關閉鎖點,解鎖完成后就可以進行隔離開關的操作,由于有電腦鑰匙防誤邏輯的管理,此刻隔離開關的操作是安全的。但由于傳統(tǒng)鎖具存在被技術解鎖的可能性,也就是說如果將傳統(tǒng)電腦鑰匙的解鎖桿復制出來,它就可以變成一個萬能鑰匙,對任何雙桿機械類鎖具進行解鎖,脫離電腦鑰匙的解鎖操作極容易帶來電力生產安全事故。單桿解鎖方式的原理基本與雙桿一致,只是機械結構實現方式不同,它同樣存在被技術解鎖的風險。

因此,為消除目前防誤系統(tǒng)中因閉鎖方式缺陷所帶來的防誤操作漏洞,亟須設計一種新的解鎖方式。本文提出一種基于磁耦合諧振式無線能量傳輸技術[5-8]的電腦鑰匙及其鎖具,它提供了一種新型的電腦鑰匙防誤閉鎖方式,較好地解決了此問題。

1 電腦鑰匙與智能鎖具的設計

1.1 電腦鑰匙與智能鎖具硬件總體方案設計

方案框圖如圖1所示,由電腦鑰匙與智能鎖具(智能鎖具包括智能機械類鎖具、智能電氣類鎖具,由于鎖具類型較多,本文只以智能機械掛鎖為代表進行描述)兩部分組成。電腦鑰匙通過無線供電技術給智能鎖具提供能量,其核心在于無線供電發(fā)射模塊與接收模塊的設計。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of system principle

電腦鑰匙由微控制器(MCU)、發(fā)射線圈及其驅動電路、2.4 GHz短距離通信模塊、霍爾檢測模塊、電池等模塊組成。MCU主要完成系統(tǒng)的調度、防誤閉鎖邏輯處理、磁耦合諧振方波產生等功能;線圈驅動電路與發(fā)射線圈構成無線能量發(fā)射單元;2.4 GHz短距離通信模塊作為與鎖具進行解鎖指令交互的通道;霍爾檢測模塊用于位置(磁鋼)檢測,當有鎖具靠近時通知MCU進行無線供電;電池為可反復充電的鋰電池。

智能鎖具由接收線圈、全波整流與DC-DC電路,MCU,2.4 GHz短距離通信模塊,磁鋼,螺線管及其驅動電路組成。接收線圈、全波整流與DC-DC電路一起構成無線能量接收單元。2.4 GHz短距離通信模塊與電腦鑰匙中相同,磁鋼與電腦鑰匙中的霍爾檢測模塊構成位置檢測單元,螺線管及其驅動電路構成鎖具解鎖機構。

整個方案設計的重點在于無線供電模塊的設計,其直接關系到電腦鑰匙是否能夠提供足夠的能量給智能鎖具,以保證穩(wěn)定地完成解鎖,其能量傳輸路徑如附錄A圖A1所示。電池能量通過上述路徑傳遞給鎖具,鎖具中的螺線管在操作指令的控制下帶動鎖銷動作,從而實現解鎖。

1.2 無線供電發(fā)射模塊的設計

如附錄A圖A2所示,無線供電發(fā)射模塊位于電腦鑰匙中,它完成能量從電腦鑰匙到智能鎖具的無線傳輸。在該模塊中,采用了內部集成有一個半橋驅動器的TI CSD97376Q4M作為線圈驅動器,磁耦合諧振方波由MCU MSP430F5529產生,該諧振方波信號控制集成在CSD97376內部的場效應管(FET),將電池能量通過發(fā)射線圈以諧振頻率發(fā)送出去。

1.3 無線供電接收模塊的設計

無線能量的接收端位于鎖具內部,如附錄A圖A3所示,接收線圈與補償電容組成的諧振回路的諧振頻率保持與發(fā)射端一致。當發(fā)射端在諧振狀態(tài)下的磁場能量耦合到接收回路后,會在接收線圈上形成感應電動勢,經過全波整流與DC-DC電路形成后續(xù)負載所需的電源。

附錄A圖A4為無線供電接收線圈、補償電容與全波整流電路的原理圖,TP11與TP12接接收線圈的兩端,C16為17 nF的并聯補償電容,D4至D8組成全波整流電路,C25為10 μF的濾波電容。

1.4 無線供電線圈的設計

在本文的設計中,線圈的設計與制作是一個重要的環(huán)節(jié)。線圈的形狀、導線線徑的變化都會影響能量傳輸的質量與效率。因此在線圈制作時應遵循如下兩條規(guī)則:①在相同線圈材料的情況下,選擇圓形線圈,圓形線圈條件下的磁耦合面積比方形線圈大;②為減少趨膚效應對傳輸效率的影響,應采用雙股或多股繞線。在此基礎上制作了符合鎖具結構尺寸要求的兩組線圈A與B,參數如表1所示。

表1 兩組線圈參數Table 1 Parameters of two coils

在補償電容都為27 nF的情況下,分別對A,B線圈進行測試,B線圈的測試結果明顯優(yōu)于A線圈。如附錄A表A1所示,發(fā)射功率相同時,A線圈和B線圈條件下的最大負載功率分別為780 mW和960 mW,除去發(fā)射端與接收端的兩個DC-DC的效率,A線圈和B線圈下負載端的功率分別為631 mW和777.6 mW?？紤]實際設計中電腦鑰匙的結構尺寸要求,選擇B線圈作為使用線圈,規(guī)定鎖具最大負載功率不能超過0.5 W。

1.5 諧振頻率的計算

圖2所示為測量得到的傳輸效率與諧振頻率之間的關系曲線?？梢钥闯?306 kHz為理論諧振頻率,321 kHz為實際諧振頻率,該頻點的偏移與鎖具本身材料有關,不同的材料通過這種測試方法都可以得到實際的諧振頻率,通過軟件調整電腦鑰匙MCU的諧振頻率輸出參數就可以靈活地滿足諧振要求。上述數據均基于設計所采用的鋅合金外殼、銅質鎖芯的鎖具下得到。

圖2 傳輸效率與諧振頻率的曲線Fig.2 Curve of transmission efficiency versus resonance frequency

2 解閉鎖流程設計

解鎖控制流程如圖3所示。所有流程均由霍爾檢測模塊觸發(fā)開始,無智能鎖具靠近時,霍爾檢測模塊無輸出,電腦鑰匙處于睡眠狀態(tài);當電腦鑰匙靠近智能鎖具時,霍爾檢測模塊檢測到磁鋼,激活電腦鑰匙開始給智能鎖具無線供電,再通過2.4 GHz短距離通信獲取固化在智能鎖具內的身份ID碼,然后判斷其是否符合防誤閉鎖邏輯操作。在符合防誤閉鎖邏輯的條件下,通過2.4 GHz發(fā)送解鎖命令,并獲取解鎖狀態(tài),將其寫入防誤邏輯設備狀態(tài)表中,保證防誤邏輯設備狀態(tài)的實時更新,具體如圖3所示。

圖3 電腦鑰匙解鎖流程Fig.3 Unlocking flow chart of computer keys

電腦鑰匙設計霍爾檢測模塊的目的在于作為低功耗下激活的觸發(fā)開關,這樣電腦鑰匙可以在空閑狀態(tài)一直處于低功耗狀態(tài),因而節(jié)省出更多的電池能量用于給鎖具無線供電,增加了解鎖次數。

3 效果驗證

如附錄A圖A5所示,電腦鑰匙與鎖具之間不存在鑰匙孔,解鎖過程只需將電腦鑰匙與鎖具靠近即可,不需要將電腦鑰匙插入鎖體內。關鍵參數的選擇如下。

1)線圈參數。電感量:10 μH;直流內阻最大值:600 mΩ;尺寸:直徑15 mm,具體如附錄A表A3所示。

2)工作頻率:321 kHz。

環(huán)境溫度測試結果如表2所示。電氣特性測試結果如附錄A表A4所示。

表2 環(huán)境溫度測試結果Table 2 Test results under different temperatures

根據上述測試結果,該無線供電非接觸式解鎖方案滿足技術指標要求,測試結果基本與理論分析結果保持一致,基本滿足防誤閉鎖性能指標要求。

4 應用效果分析

本項目已在國網福州供電公司投運,閉鎖應用現場為倉山分局。設備配置情況:電腦鑰匙4把,并在倉山局大樓配電站、上三北1號至3號環(huán)網柜、蓋山糧食管理站配電室3個站房安裝智能鎖具,自2015年6月8日投運以來,運行正常。采用室外智能高壓帶電指示器、智能機械掛鎖、智能面板鎖、智能把手鎖作為環(huán)網柜與配電站門的閉鎖設備,現場閉鎖鎖具安裝示意圖見附錄A圖A6。

因為不存在解鎖鑰匙孔,只能通過電腦鑰匙才能進行解閉鎖,杜絕了技術解鎖的可能性,保障了電力的安全生產,具備推廣的價值。

5 結語

本文介紹了一種基于磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙及其鎖具,它由無源智能鎖具與電腦鑰匙兩部分組成。電腦鑰匙完成防誤邏輯判斷、無線電能傳輸控制、解鎖控制等功能;無源智能鎖具在非接觸解鎖方式下完成閉鎖功能,其解鎖距離可以保證在3～5 mm內都有效,它與電腦鑰匙配合可以組成基本的電力防誤閉鎖執(zhí)行單元,基本解決了傳統(tǒng)電力用鎖具存在被技術解鎖的安全風險,可以廣泛應用于主網防誤閉鎖、配電網防誤閉鎖系統(tǒng)中,大大提高了電力生產的安全性。

但在測試過程當中,也發(fā)現該電腦鑰匙及其鎖具在-40 ℃低溫環(huán)境下的解鎖次數偏少。因此,下一步將在無線供電線圈尺寸、形狀、輸出功率3個技術指標設計方面進行優(yōu)化,使輸出功率提高到1 W的情況下,將供電線圈外徑縮小到10 mm,這不僅促進了電腦鑰匙設計的小型化,而且可大幅提高低溫環(huán)境下防誤閉鎖的解鎖次數,可更好地滿足國內北方地區(qū)尤其是東北地區(qū)低溫環(huán)境下的防誤閉鎖操作要求。

附錄見本刊網絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 肖永利,張瑜,劉音,等.集控站遙控操作時防誤閉鎖措施的實現[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(22):97-99.

XIAO Yongli, ZHANG Yu, LIU Yin, et al. Realization of anti-maloperation interlocking measures in remote control of centralized control station[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(22): 97-99.

[2] 王義軍,王琳,涂時亮.一種基于網絡的防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙的設計[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(23):96-99.

WANG Yijun, WANG Lin, TU Shiliang. A design of computer key of anti-maloperation system based on networks[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(23): 96-99.

[3] 尤國榮.微功耗無線網絡在防誤系統(tǒng)中的應用[J].電力自動化設備,2010,30(8):139-141.

YOU Guorong. Application of micro-power wireless network in safety interlocking system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2010, 30(8): 139-141.

[4] 周水斌,楊敏,謝銀波,等.電腦鑰匙的研究與設計[J].電力自動化設備,2003,23(5):30-32.

ZHOU Shuibin, YANG Min, XIE Yinbo, et al. Study and design on computer key[J]. Electric Power Automation Equipment, 2003, 23(5): 30-32.

[5] 趙爭鳴,張藝明,陳凱楠.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術新進展[J].中國機電工程學報,2013,33(3):1-13.

ZHAO Zhengming, ZHANG Yiming, CHEN Kainan. New progress of magnetically-coupled resonant wireless power transfer technology[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(3): 1-13.

[6] 李長生,張合,曹娟,等.磁共振耦合電能傳輸系統(tǒng)功率與效率傳輸特性分析與優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(8):92-97.DOI:10.7500/AEPS20140320004.

LI Changsheng, ZHANG He, CAO Juan, et al. Analysis and optimal design for power and efficiency transmission characteristics magnetic resonance coupling power transmission systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(8): 92-97. DOI: 10.7500/AEPS20140320004.

[7] 朱忠尼,林潔,宋慶國,等.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術發(fā)展和應用研究[J].空軍預警學院學報,2014,28(1):37-43.

ZHU Zhongni, LIN Jie, SONG Qingguo, et al. Development of WPT technology with magnetic coupling resonance and its application[J]. Journal of Air Force Early Warning Academy, 2014, 28(1): 37-43.

[8] 李煒昕,王炅,張合,等.基于磁耦合諧振的無線能量傳輸系統(tǒng)[J].系統(tǒng)工程與電子技術,2014,36(4):637-642.

LI Weixin, WANG Jiong, ZHANG He, et al. Research on wireless power transmission system based on magnetic resonance coupling[J]. Systems Engineering and Electronics, 2014, 36(4): 637-642.

Design of Computer Key and Its Lock for Anti-misoperation Locking System Based on Wireless Power Supply Technology

XIAShengfeng1,YINZili2,CHENYuxing2,WUJing2,TANYi3

(1. State Grid Fuzhou Power Supply Company, Fuzhou 350000, China; 2. State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350003, China; 3. Zhuhai Unitech Power Technology Co. Ltd., Zhuhai 519000, China)

In the traditional anti-misoperation locking system, the electric locks are all unlocked through the key hole, thus causing the disadvantage of being technically unlocked. An intelligent non-contact unlocking system is proposed, in which the computer key supplies power to the intelligent lock through magnetic coupling power transmission technology, and interchanges instructions with intelligent lock through short distance wireless communication technology for controlling the internal mechanical structure of intelligent lock to realize non-contact unlocking. Meanwhile, the design method and testing process of the key technology of the wireless power supply are described. Testing results are basically identical with the results of theoretical analysis. The new design can meet the requirement on technical specifications of interlocking, thus eliminating the possibility of technical unlocking and improving the safety of electric power production.

This work is granted by Utility Model Patent (No. ZL 201520090849.2).

computer key; magnetic coupling resonance; wireless power supply; intelligent lock; non-contact unlocking

2016-12-07;

2017-03-30。

上網日期: 2017-05-26。

實用新型專利(專利號:ZL 201520090849.2)。

夏圣峰(1985—),男,通信作者,碩士,主要研究方向:配電網運行管理。E-mail： 175702086@qq.com

殷自力(1982—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)分析與控制。

陳宇星(1975—),男,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)分析與控制。

(編輯 章黎)