一種NFC無(wú)源鎖的設(shè)計(jì)及其在變電站的應(yīng)用

魏嘉隆 肖鍶睿 宋蒙蒙 謝楠 吳偉力

摘要：為解決電網(wǎng)中生產(chǎn)作業(yè)交叉頻繁，運(yùn)維人員易走錯(cuò)設(shè)備間隔的問(wèn)題，研制出了一套基于NFC技術(shù)的無(wú)源鎖，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能應(yīng)用等方面說(shuō)明了該NFC無(wú)源鎖的可行性，其能夠有效提高人身安全性，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：NFC;無(wú)源;機(jī)械鎖;變電站;一匙通

0 ? ?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(cuò)設(shè)備間隔導(dǎo)致的人身觸電、設(shè)備誤動(dòng)和電網(wǎng)事故等時(shí)有發(fā)生，引發(fā)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，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(yàn)收、檢修試驗(yàn)、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(méi)有認(rèn)真核對(duì)設(shè)備編號(hào)誤登帶電設(shè)備爬梯，導(dǎo)致直接或間接觸電的事故時(shí)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(xiǎn)，運(yùn)行人員會(huì)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(wú)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(duì)人員走錯(cuò)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(duì)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(guò)程需要經(jīng)過(guò)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(duì)生產(chǎn)輔助設(shè)備設(shè)施無(wú)能為力。

（2）對(duì)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(shí)中，“一匙通”方式只能實(shí)現(xiàn)人防，難以實(shí)現(xiàn)技防，為確保安全，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(guò)多，運(yùn)行人員難以一一對(duì)應(yīng)區(qū)分，查詢?nèi)∮眯实汀?/p>

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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)智能安全控制[1]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研制出一套適用于變電站的基于NFC技術(shù)的無(wú)源掛鎖。該NFC掛鎖通過(guò)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(hào)并提供開鎖電源，能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiǎn)，降低電網(wǎng)設(shè)備故障動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 ? ?基于NFC技術(shù)的無(wú)源鎖設(shè)計(jì)

1.1 ? ?整體設(shè)計(jì)思路

對(duì)于現(xiàn)有變電站來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)單，造價(jià)便宜，但其長(zhǎng)期遭受風(fēng)吹雨淋，極易生銹導(dǎo)致無(wú)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(wú)源爬梯鎖裝置，該裝置無(wú)鎖孔，每個(gè)爬梯鎖相互獨(dú)立，有對(duì)應(yīng)編碼，通過(guò)手機(jī)連接實(shí)現(xiàn)非接觸式開鎖，連接速度快，防水性能佳，無(wú)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(wèn)題。本裝置制造工藝簡(jiǎn)單，具有開鎖快、設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉和防護(hù)效果好的優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)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(guò)App提供操作任務(wù)管理、權(quán)限鑒別、鎖具識(shí)別、無(wú)線供電、邏輯管理和行為記錄功能[2]。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)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(wú)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(dòng)力開鎖。

開鎖時(shí)需使用專門的NFC機(jī)械鎖App，運(yùn)行人員或經(jīng)過(guò)授權(quán)的施工人員輸入對(duì)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(cuò)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(dòng)按壓完成，操作方便。

NFC的工作原理是通過(guò)無(wú)線電波發(fā)送信息，也是無(wú)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(shí)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(shí)別（RFID）演變而來(lái)，即使用電磁感應(yīng)來(lái)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(wú)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(chǎng)提供動(dòng)力。鎖具的外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

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(shí)別、通信的同時(shí)，通過(guò)獨(dú)立的通信與取電射頻前端和天線，利用NFC射頻微弱的信號(hào)為鎖具和傳感器提供瞬時(shí)工作電源，實(shí)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(shí)滿足了NFC通信的性能與取電功率的高要求[4]。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(shí)現(xiàn)NFC無(wú)源應(yīng)用。鎖具的無(wú)源取能技術(shù)原理圖與無(wú)源取能模塊示意圖如圖3所示。