基于移頻鍵控的無源智能鎖研究應(yīng)用提升配網(wǎng)設(shè)備安全防控水平

陸爽 金琪 王夢溪 周宇星

摘? ?要：隨著社會發(fā)展，人們對電力的需求度也越來越高，配網(wǎng)的穩(wěn)定和安全是保障人們工作生活的基本要求，這也給供電公司的配網(wǎng)安全運維工作帶來了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，供電公司的配網(wǎng)設(shè)備還在使用機械鎖具，由于設(shè)備點多面廣用鎖量大，產(chǎn)生了數(shù)量多、種類雜的鑰匙，導(dǎo)致難記錄、難追溯、難管控。為了解決上述問題，提出了基于移頻鍵控的無源智能鎖研究應(yīng)用，不僅實現(xiàn)智能鎖的無孔無源化，還建立了一套管控體系，輔助配網(wǎng)運維工作的安全防控優(yōu)化。這順應(yīng)了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在配網(wǎng)建設(shè)的方向要求，讓配電網(wǎng)運維更加穩(wěn)定安全。

關(guān)鍵詞：移頻鍵控? 無緣智能鎖? 配網(wǎng)安全

本文首先介紹了配網(wǎng)用鎖及管控過程存在的痛點問題，然后對痛點進行針對性的方法分析，提出了基于移頻鍵控結(jié)合無線供電的無源智能鎖研究和應(yīng)用，最后闡述了建立鎖具的安全防控體系，融合配網(wǎng)日常運維，提升配網(wǎng)的安全防控水平。

1? 配網(wǎng)用鎖的痛點和技術(shù)性解決方法

1.1 電力配網(wǎng)用鎖、鑰匙和安全防控的痛點

目前配網(wǎng)用鎖中機械掛鎖、防誤掛鎖等易生銹無法滿足防撬防盜要求，機械鎖無開關(guān)記錄，編碼鎖也僅記錄開鎖卻無關(guān)鎖的真實數(shù)據(jù)。有內(nèi)置電池的電子鎖試點，卻產(chǎn)生了一系列維護問題，因電池?zé)o法長期滿足戶外的溫變環(huán)境（例如共享單車）。采用接觸供電的電子鎖，接口易被破壞，使用壽命得不到保障。

配網(wǎng)同樣存在鑰匙的管理痛點，機械鑰匙繁多雜亂。一匙通電腦鑰匙體積偏大，又無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程授權(quán)，存在仿制鑰匙頭的簡單工具輕易開鎖的安全隱患。

一是鎖與設(shè)備的對應(yīng)位置不清晰，無法遠(yuǎn)程授權(quán)快速尋址找到對應(yīng)的設(shè)備;二是鎖具智能化后與鑰匙的控制交互難題，都是安全防控的痛點。

1.2 配網(wǎng)用鎖痛點的技術(shù)性解決方法

針對上述痛點，首先采集配網(wǎng)設(shè)備門柜和鎖槽尺寸，對鎖進行結(jié)構(gòu)的通用性設(shè)計。結(jié)合機械與電子電路設(shè)計，設(shè)計出滿足嵌入式安裝的多種結(jié)構(gòu)鎖具。設(shè)計智能鎖的開閉動作檢測、狀態(tài)檢測與記錄功能。從安全防控角度考慮，取消機械解鎖孔，從而確保從外部無法撬開。從便捷性考慮，閉鎖機構(gòu)應(yīng)能夠自動彈開開鎖，提高智能操作體驗。

設(shè)計搭載無線供電模塊的智能鑰匙，這樣可取消智能鎖的內(nèi)置電池，通過統(tǒng)一鎖的接口或模塊，實現(xiàn)鑰匙的通開性。智能鎖與智能鑰匙間采用穿透性強、抗干擾性強的移頻鍵控（FSK）來實現(xiàn)物聯(lián)通信，解決了鑰匙與鎖的通信的問題即可建立安全防控體系。

2? 基于移頻鍵控的無源智能鎖設(shè)計與研究

2.1 實現(xiàn)無線供電的無孔無源智能鎖

配網(wǎng)設(shè)備基本位于戶外，只有設(shè)計成無孔（無機械解鎖孔）才可滿足高防盜級別的要求，無孔無源就必須采用無線供電技術(shù)，且無線供電的過程不存在直接連接，避免了裸露導(dǎo)體和接觸火花，具有使用安全、方便的優(yōu)點。選用基于電磁感應(yīng)原理的從電源發(fā)射線圈到接收線圈的電能無線傳輸，它主要由能量發(fā)送端、無接觸變壓器和能量接收端組成。

為了獲得能量發(fā)送端與能量接受端的最佳匹配設(shè)計方案，確定傳輸效率區(qū)間，關(guān)鍵在于測算與調(diào)整能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素互感系數(shù)和共振頻率。

能量發(fā)送端主要由整流濾波電路、高頻逆變裝置和控制電路構(gòu)成，其主要功能是產(chǎn)生交流能力并使之通過分離功率變壓器傳輸?shù)侥芰拷邮掌?。能量接受端與變壓器次級連接，具有可靈活移動特點，由輸出整流濾波環(huán)節(jié)和控制電路構(gòu)成，提供負(fù)載所需的電能量。發(fā)送器和接收器之間相對獨立但又通過無接觸變壓器的磁場耦合具有能量相關(guān)性。

無線供電的最終設(shè)計方案，滿足5W的功率要求，高達(dá)84%的峰值效率。同時增加外來物體檢測（FOD）和增強型寄生金屬檢測（PMOD），從而防止由于無線電源傳輸場中錯誤放置金屬物體而導(dǎo)致電源丟失在超負(fù)荷運行，降低功率損耗。

2.2 基于移頻鍵控（FSK）通信技術(shù)實現(xiàn)鎖的信息交互

對于已實現(xiàn)無線供電的無源智能鎖，在鑰匙與鎖間沒有直接接觸的前提下，宜采用移頻鍵控（FSK）的通信技術(shù)來進行信息交互。

移頻鍵控通信基于調(diào)制解調(diào)技術(shù)。調(diào)制方式按照調(diào)制信號的性質(zhì)分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩類，而數(shù)字調(diào)制有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）和差分移相鍵控 （DPSK）等。數(shù)字調(diào)制相對模擬調(diào)制的優(yōu)點是抗干擾能力強，中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實現(xiàn)長距離傳輸。

移頻鍵控（FSK）：用數(shù)字調(diào)制信號的正負(fù)控制載波的頻率。當(dāng)數(shù)字信號的振幅為正時載波頻率為f1，當(dāng)數(shù)字信號的振幅為負(fù)時載波頻率為f2。把代表兩個以上符號的多進制頻率調(diào)制稱為移頻鍵控。移頻鍵控能區(qū)分通路，但抗干擾能力不如移相鍵控和差分移相鍵控。

綜合考慮信息的傳輸有效性和可靠性，頻譜利用率，帶外輻射，對鄰近波道的干擾等方面，采用移頻鍵控（FSK）作為無源智能鎖與鑰匙的無線通信調(diào)制方式，根據(jù)ISM頻段，選擇430MHz頻率，將足夠滿足配網(wǎng)設(shè)備的運行環(huán)境。

2.3 配網(wǎng)用鎖的安全防控架構(gòu)

基于移頻鍵控（FSK）的無源智能鎖加上智能鑰匙，結(jié)合安全管控終端軟件和后臺管理主站，建立一套配網(wǎng)智能鎖的安全防控體系。

后臺管理主站為統(tǒng)一的調(diào)度監(jiān)控指揮平臺，對智能鎖的權(quán)限實施集約化的管理，對所有數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計、分析和監(jiān)控。而智能鎖作為體系中最根基的一環(huán)，對智能鑰匙的控制指令進行交互與認(rèn)證。

體系的安全在于無源智能鎖的結(jié)構(gòu)、性能以及內(nèi)部邏輯實現(xiàn)流程;體系的防控在于管控終端軟件、主站數(shù)據(jù)架構(gòu)、流程、執(zhí)行邏輯四個環(huán)節(jié)間的交互實施。安全防控體系的目標(biāo)在于提升配網(wǎng)設(shè)備鎖具的精益化管控。

3? 應(yīng)用無源智能鎖提升配網(wǎng)安全防控水平

3.1 遠(yuǎn)程授權(quán)模式的應(yīng)用

用戶登入、權(quán)限管理、操作記錄的邏輯判斷過程，滿足配網(wǎng)的常規(guī)流程。

當(dāng)配網(wǎng)作業(yè)人員搶修，或需要臨時增加作業(yè)范圍時，可對設(shè)備用鎖申請臨時權(quán)限，管理員可在管理界面遠(yuǎn)程許可該權(quán)限，這樣就縮短了作業(yè)人員回程取鑰匙的時間，提高了效率。

3.2 輔助配網(wǎng)的精益管理

安全管控終端應(yīng)用和后臺獲取以下數(shù)據(jù)：

（1）鎖體故障：包括開關(guān)鎖失敗、模塊故障、鎖機械故障等;

（2）操作記錄：鎖具的操作人、操作時間和操作頻度;

（3）巡檢記錄：設(shè)計有巡檢模式，鎖信息與終端獲得的地理信息進行核定，匹配后方存儲到位記錄，主站可很據(jù)時間先后順序查詢配網(wǎng)設(shè)備巡檢情況。

（4）位置尋址：通過終端軟件，可快速地對計劃操作的鎖具進行定位尋址，縮短找尋時間。

以上數(shù)據(jù)，不僅對配網(wǎng)運維提供精益化輔助，更為工作核查提供了可靠依據(jù)。

3.3 建立配網(wǎng)智能鎖及鑰匙的管理模式

基于移頻鍵控的無源智能鎖適用包括配電站房、環(huán)網(wǎng)柜、分支箱、JP柜等配網(wǎng)電氣設(shè)備，供電公司可以根據(jù)各部門、班組的工作要求和現(xiàn)場情況，與有關(guān)調(diào)度規(guī)程、運行規(guī)程、反事故措施結(jié)合起來，對智能鎖進行試驗、檢查、維護，通過對鑰匙實行統(tǒng)一管理、分級負(fù)責(zé)的原則，制定一套配網(wǎng)智能鎖及鑰匙的管理辦法或?qū)嵤┘?xì)則。

4? 結(jié)語

配電網(wǎng)的可靠運行是電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基本要求。因此，基于移頻鍵控的無源智能鎖在配網(wǎng)的應(yīng)用符合發(fā)展趨勢，基于無源智能鎖作為物聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點，將來可融合配電物聯(lián)網(wǎng)平臺的運維優(yōu)化工作，為配網(wǎng)的安全高質(zhì)量生產(chǎn)運行提供保障，服務(wù)電網(wǎng)服務(wù)社會。

參考文獻

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