電能計(jì)量箱用智能鎖具的研究與應(yīng)用

田瑞，劉朋遠(yuǎn)，金旭榮，周媛奉，胡婷婷

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司營銷服務(wù)中心，寧夏 銀川 750011)

自國家電網(wǎng)公司建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)以來，電網(wǎng)變化日新月異[1]。隨著供、輸、配、用電等設(shè)備的造價(jià)和運(yùn)維成本不斷提高，電網(wǎng)公司對安全防盜、資產(chǎn)精細(xì)化管理及智能化管控的要求也隨之提高。在營銷計(jì)量領(lǐng)域，每年因用戶竊電給電網(wǎng)公司造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失，部分電力設(shè)備也遭到了損壞，增加了安全隱患和用電事故[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)發(fā)展日趨成熟，給電能計(jì)量資產(chǎn)的運(yùn)維和管理帶來了先進(jìn)的理念與方法。

1 存在問題

電能計(jì)量資產(chǎn)[3](包括電能表、互感器、采集終端、電能計(jì)量箱、通信單元、封印等)具有數(shù)量龐大、涉及面廣、可靠性要求高等特點(diǎn)。作為尺寸最大的電能計(jì)量附屬設(shè)備，電能計(jì)量箱內(nèi)主要安裝有電能表、互感器、采集終端等電能計(jì)量設(shè)備以及空氣開關(guān)、斷路器等，電能計(jì)量箱外安裝有鎖具以便對各計(jì)量設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。隨著供電網(wǎng)絡(luò)不斷延伸，電力客戶數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)電能計(jì)量箱用機(jī)械鎖具對電能計(jì)量箱的開閉時(shí)間信息、解鎖人員信息、業(yè)務(wù)巡檢信息等無法做到有跡可循，這制約了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高和優(yōu)質(zhì)服務(wù)工作的開展，主要表現(xiàn)在：

(1)在資產(chǎn)管理方面，因分布廣泛，難以統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場運(yùn)行電能計(jì)量箱鎖具的安裝數(shù)量及現(xiàn)狀，對鎖具的缺陷只能發(fā)現(xiàn)一只，整改一只，資產(chǎn)精細(xì)化管理難度大。

(2)在安全管理方面，因電能計(jì)量箱鎖具的使用環(huán)境復(fù)雜、點(diǎn)多面廣，鑰匙存在易私配以及萬能鑰匙的問題，一旦被非法分子拿到鑰匙，將會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

(3)在業(yè)務(wù)管理方面，對鎖具的開啟、關(guān)閉情況缺乏有效的監(jiān)控手段，無法實(shí)時(shí)掌握人員、設(shè)備的狀態(tài)信息，業(yè)務(wù)精細(xì)化難度大。

面對資產(chǎn)管理、安全管理、業(yè)務(wù)管理方面的問題，本文基于研發(fā)全新的智能鎖具及管理方式，從而實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量箱鎖具的智能化和信息化，使電能計(jì)量設(shè)備資產(chǎn)管理更加安全、可靠和便捷。

2 總體方案設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種電能計(jì)量箱用智能鎖具,提出了整體架構(gòu)由感知層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層構(gòu)成的方案，如圖1所示。

圖1 電能計(jì)量箱用智能鎖具整體方案

其中，感知層的智能鎖具可用于低壓居民計(jì)量箱、專變用戶、分界室等設(shè)備門禁管理。同時(shí)移動(dòng)作業(yè)終端通過與智能鎖具之間的交互保存數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至云平臺。云平臺對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、計(jì)算，支撐各類業(yè)務(wù)功能的運(yùn)用。電能計(jì)量箱用智能鎖具應(yīng)用方案是由云平臺、APP和智能鎖具建立的立體化管理方式，通過密鑰動(dòng)態(tài)生成、人員操作過程管控、遠(yuǎn)程無線授權(quán)開鎖等方式，實(shí)現(xiàn)對智能鎖具從開鎖到閉鎖的全過程可視化管理，為提升電能計(jì)量設(shè)備資產(chǎn)精細(xì)化和智能化水平起到支撐作用。

2.1 應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)

電能計(jì)量箱用智能鎖具應(yīng)用方案主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]，建立云、管、端的應(yīng)用方案。在端側(cè)，通過智能鎖具和設(shè)備的綁定，形成底層設(shè)備感知網(wǎng)絡(luò)，通過與APP交互，實(shí)時(shí)上傳鎖具、設(shè)備等狀態(tài)信息。在平臺側(cè)，通過廣泛覆蓋的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接入智能鎖具云平臺，平臺對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯，并經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選、處理，為業(yè)務(wù)應(yīng)用做數(shù)據(jù)支撐。在云端，通過在垂直細(xì)分領(lǐng)域的業(yè)務(wù)沉淀，為用戶提供專業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用及云計(jì)算服務(wù)，同時(shí)滿足用戶的定制化需求。

智能鎖具采用NFC技術(shù)在改變解鎖方式的同時(shí)，有效控制了智能鎖具的成本。智能鎖具通過業(yè)務(wù)上云的方式，能夠?yàn)橛脩籼峁┛焖佟⒈憬?、專業(yè)的服務(wù)。

2.2 智能鎖具性能要求

智能鎖具內(nèi)置NFC芯片，工作人員可使用移動(dòng)作業(yè)終端[5]通過NFC技術(shù)進(jìn)行解鎖。每把智能鎖具都存有獨(dú)立密鑰，且具備運(yùn)算功能。解鎖時(shí)，智能鎖具通過與云平臺下發(fā)的動(dòng)態(tài)密鑰驗(yàn)證開鎖，整個(gè)密鑰傳輸過程加密,計(jì)算機(jī)制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)了一密一鑰的解鎖方式，但整體開鎖時(shí)間與機(jī)械鑰匙無異，真正做到了安全便捷;同時(shí)，智能鎖具需要適用于各種復(fù)雜的環(huán)境，因此對智能鎖具的性能也有著較高的要求，本文研制的智能鎖具滿足以下性能要求：

(1)建立連接速度。智能鎖具采用NFC通訊方式，具有高速率、高帶寬和低功耗的特點(diǎn)，且與移動(dòng)作業(yè)終端建立連接速度在3 s之內(nèi)。

(2)工作溫度。智能鎖具工作溫度具備工業(yè)級產(chǎn)品條件，適用于各種復(fù)雜環(huán)境中。

(3)防護(hù)等級。智能鎖具防護(hù)等級為IP67，具備在室內(nèi)外使用的條件。

(4)待機(jī)壽命。內(nèi)置一次性鋰亞電池，采用低功耗設(shè)計(jì)，待機(jī)壽命大于5年。

(5)開閉次數(shù)。智能鎖具設(shè)計(jì)開鎖次數(shù)大于10 000次。

2.3 云平臺功能實(shí)現(xiàn)

云平臺基于云存儲技術(shù)[6]，主要用于海量的終端數(shù)據(jù)存儲維護(hù)和基礎(chǔ)設(shè)置，同時(shí)，云平臺基于典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，對下為APP和智能鎖具的使用提供數(shù)據(jù)和功能上的支撐，對上支撐各業(yè)務(wù)應(yīng)用的有效開展。云平臺通過與APP的信息交互共享，實(shí)現(xiàn)解鎖權(quán)限有效管控，工作人員和移動(dòng)作業(yè)終端可靠綁定，解鎖密鑰動(dòng)態(tài)生成，作業(yè)過程可視化管理等功能，幫助電網(wǎng)公司實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量資產(chǎn)的閉環(huán)管理，提升精細(xì)化管控水平。云平臺主要功能如下：

(1)人機(jī)綁定。云平臺可對工作人員、APP賬號、移動(dòng)作業(yè)終端進(jìn)行同步綁定，每次登陸時(shí)驗(yàn)證相關(guān)權(quán)限，確保解鎖的安全性。

(2)權(quán)限管理。云平臺可根據(jù)業(yè)務(wù)需求、職權(quán)進(jìn)行分級授權(quán)，實(shí)現(xiàn)審核、開鎖權(quán)限的逐級管控。工作人員可申請轄區(qū)外的解鎖權(quán)限，通過自動(dòng)審批，可更加有效、便捷地處理應(yīng)急事件。

(3)作業(yè)過程管控。平臺可與巡檢任務(wù)相關(guān)聯(lián)，通過實(shí)時(shí)記錄解鎖人員、時(shí)間、工作記錄等信息，實(shí)現(xiàn)人員信息與解鎖信息綁定，操作行為與操作地點(diǎn)綁定，作業(yè)過程可視化管理的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)巡檢相關(guān)考核。

(4)密鑰動(dòng)態(tài)生成。通過隨機(jī)生成的動(dòng)態(tài)密鑰，確保同一把智能鎖具每次開鎖密鑰的不同，防止盜竊開啟、隨意開啟，保證解鎖安全性。

(5)資產(chǎn)復(fù)核。智能鎖具安裝時(shí)與設(shè)備同步綁定，對上傳的鎖具位置信息、設(shè)備異常信息和表計(jì)異常信息與系統(tǒng)(營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng))內(nèi)的資產(chǎn)進(jìn)行校核，每次開鎖過程實(shí)現(xiàn)營配貫通數(shù)據(jù)復(fù)核。

2.4 APP功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)總體方案，移動(dòng)作業(yè)終端需具備NFC功能。通過內(nèi)置的NFC功能，實(shí)現(xiàn)與智能鎖具的交互解鎖操作，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)[7]，實(shí)現(xiàn)與云平臺的數(shù)據(jù)交互。

用戶還可通過APP進(jìn)行權(quán)限申請審核、開鎖記錄查詢、密鑰下裝等操作，實(shí)現(xiàn)便捷高效的體驗(yàn)。APP具備以下主要功能：

(1)開鎖。用于解鎖操作，有正常和離線兩種解鎖模式：正常模式下解鎖，APP自動(dòng)記錄解鎖時(shí)間、解鎖人員等信息并同步至云平臺；離線模式下解鎖，需提前將設(shè)備解鎖密鑰下載到APP，即可進(jìn)行解鎖操作，密鑰有效時(shí)長為8 h。

(2)鎖具管理。通過移動(dòng)作業(yè)終端實(shí)現(xiàn)對鎖具的管理操作，可完成密鑰下裝、鎖具安裝、鎖具更換和鎖具解綁操作。

(3)記錄查詢。通過記錄查詢，可實(shí)時(shí)掌控解鎖人員 、解鎖時(shí)間、解鎖類型等信息，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動(dòng)辦公，方便快捷。

3 智能鎖具應(yīng)用場景

3.1 低壓居民用戶的應(yīng)用

電能計(jì)量箱用智能鎖具可應(yīng)用在低壓居民用戶的計(jì)量箱中，有效實(shí)現(xiàn)對智能鎖具以及設(shè)備開啟、關(guān)閉過程的掌控，并準(zhǔn)確了解到每個(gè)設(shè)備的詳細(xì)解鎖信息，提升了業(yè)務(wù)管理水平。

3.2 專變用戶的應(yīng)用

專變用戶因用電量大，發(fā)生竊電現(xiàn)象較多，在電能計(jì)量箱用智能鎖具的基礎(chǔ)上加裝物聯(lián)網(wǎng)卡可實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)的實(shí)時(shí)報(bào)警(如：暴力撬鎖、剪斷鎖鉤等)，當(dāng)發(fā)生異常報(bào)警時(shí)，工作人員可及時(shí)收到報(bào)警信息并處理，有效地提升了鎖具、設(shè)備的安全水平。

3.3 特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

(1)智能性。通過APP智能高效地實(shí)現(xiàn)開鎖、鎖具管理、記錄查詢等功能。

(2)可靠性。通過云平臺、APP的信息交互共享，能夠?qū)崿F(xiàn)對人員、終端和過程的可靠閉環(huán)管控。

(3)安全性。通過權(quán)限和密鑰管理，有效防止了違規(guī)操作和盜竊開啟，保證了鎖具使用的安全性。

經(jīng)過理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的電能計(jì)量箱用智能鎖具能夠?qū)崿F(xiàn)安全、可靠、便于使用的目的。

4 效益分析

通過從智能鎖具性能以及管理模式的改進(jìn)，防止了低壓計(jì)量箱等設(shè)備的隨意開啟，有效保障了電網(wǎng)的設(shè)備安全及用戶的用電安全，同時(shí)也減少了電網(wǎng)企業(yè)因竊電造成的經(jīng)濟(jì)損失。

通過系統(tǒng)運(yùn)行鎖具統(tǒng)計(jì)功能，查看鎖具缺失和鎖具故障數(shù)量，有效地堵絕了鎖具管理混亂，私自拆挪鎖具，減少鎖具遺失造成的損失。

通過智能鎖具與設(shè)備的相互綁定，每次工作人員開啟鎖具的過程就是對營配數(shù)據(jù)同步校核的過程，不必再為了提高營配數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性而單獨(dú)派出隊(duì)伍巡查，既降低了成本，又提高了工作效率。

5 結(jié) 論

本文研制的電能計(jì)量箱用智能鎖具以機(jī)械鎖具所面臨的問題為出發(fā)點(diǎn)，以當(dāng)前迅速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和云存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)設(shè)計(jì)了智能鎖具、云平臺和APP，實(shí)現(xiàn)了電能計(jì)量箱的精準(zhǔn)開鎖、閉鎖、周期巡視、資產(chǎn)管理，提高了電能計(jì)量設(shè)備的現(xiàn)場安全運(yùn)行水平，提升了電能計(jì)量設(shè)備的精益化管控水平，為電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。