一种NFC无源锁的设计及其在变电站的应用

引言

随着电网规模不断扩大,电网中设备逐年增多,生产作业交叉频繁,授权难、记录难,运维人员走错设备间隔导致的人身触电、设备误动和电网事故等时有发生,引发作业风险、设备风险,影响用户供电。

以变电站爬梯为例,作为变电站工作人员的登高通道,其广泛应用于变电站内如变压器和电抗器等大型设备、母线构架以及建筑物等处,方便了设备验收、检修试验、飘浮物处理等工作的开展。但值得注意的是,高空作业情况复杂,安全距离难以掌握,作业人员因没有认真核对设备编号误登带电设备爬梯,导致直接或间接触电的事故时有发生。为了杜绝人员误攀登带电设备导致坠落、触电等风险,运行人员会在爬梯攀登处设置爬梯门并挂锁,爬梯锁因而成为阻隔高处带电部位的最后一道机械屏障,如果未落锁、锁具丢失或钥匙外泄,则任何人都可以拿着钥匙开锁,无阻碍地直接进入带电设备范围攀登爬梯,因此保证爬梯锁的稳定可靠至关重要。

当前变电站针对人员走错设备间隔的技术防御措施,根据被保护设备类型的不同,主要可以分为两种:

（1）对于主要电气设备的保护措施,以五防、检修隔离器等微机管理系统为主,利用当前站内设备运行方式和检修设备的范围提供闭锁逻辑。此方法可靠性非常高,但使用范围存在一定的局限性,且操作过程需要经过模拟预演,一般只能适用于可以操作的主要电气设备,对生产辅助设备设施无能为力。

（2）对于除主设备以外的辅助设备设施,如爬梯门、设备室门、工具柜、保护屏门等,一般采用"一匙通"机械锁,即使用一把通用钥匙可以打开全站所有机械锁的方式,钥匙由值班运行人员管理。但现实中,"一匙通"方式只能实现人防,难以实现技防,为确保安全,现场规程规定通用钥匙需要运行人员陪同施工人员至现场开锁后立刻收回,不得随意交予施工人员保管,这种做法既不安全,工作效率也较低,机械钥匙缺乏防护措施,钥匙管理粗放,易丢失、易复制。如不采用"一匙通"方式,由于机械锁数量多,所配钥匙过多,运行人员难以一一对应区分,查询取用效率低。

根据某电网公司提出的《物联安全锁具技术规范》,现有部分有源智能锁具方案可实现智能化管理,但依赖外部电源,维护难度大、可靠性低、实施复杂,且需要专用钥匙,互联网应用水平低,难以实现智能安全控制。

针对上述问题,本文研制出一套适用于变电站的基于NFC技术的无源挂锁。该NFC挂锁通过智能手机的专用App控制授权,NFC感应技术传输开锁信号并提供开锁电源,能实现对站内机械锁的智能化管理,减少作业人员的人身风险,降低电网设备故障动作风险,确保电网安全稳定运行。

1基于NFC技术的无源锁设计

1.1整体设计思路

对于现有变电站来说,尤其是户外机械锁较多的户外站,挂锁广泛采用普通的金属机械锁,结构简单,造价便宜,但其长期遭受风吹雨淋,极易生锈导致无法开锁或落锁,存在较大安全隐患。

本文提出一种基于NFC原理的无源爬梯锁装置,该装置无锁孔,每个爬梯锁相互独立,有对应编码,通过手机连接实现非接触式开锁,连接速度快,防水性能佳,无须配置电池,成本低,能适应户外变电站复杂的外界情况,有效解决机械挂锁安全性低及钥匙孔易堵塞的问题。本装置制造工艺简单,具有开锁快、设计合理、结构简单、成本低廉和防护效果好的优点,可在所有运行中变电站的爬梯以及保护屏门、汇控柜门、工具柜门、设备室门等场景中应用。

系统由锁控主机、操作终端（手机或平板电脑）、智能锁具三部分构成。其中锁控主机用于保存本地设备信息、业务逻辑、锁具数据、权限等核心数据:操作终端使用含NFC读码能力的手机或平板电脑终端均可,安装有专用App,通过App提供操作任务管理、权限鉴别、锁具识别、无线供电、逻辑管理和行为记录功能。系统的整体设计架构如图1所示。

1.2锁具的组成和原理

基于NFC原理的无源机械锁装置以防水不锈钢锁体为基础,以植入在不锈钢锁具上的NFC标签为接收源,以运行人员的手机为小型发射源,以电磁感应原理为锁具提供动力开锁。

开锁时需使用专门的NFC机械锁App,运行人员或经过授权的施工人员输入对应的密码并贴近锁具,即可快速开锁,能有效防止人员误开锁,并警示人员开锁位置,在一定程度上降低了人员走错间隔的可能性及安全事故发生的概率,保护了电网运行安全。落锁为手动按压完成,操作方便。

图1整体设计架构

NFC的工作原理是通过无线电波发送信息,也是无线数据传输的一种标准,属于最安全的通信技术之一。目前NFC功能已经成为智能手机终端设备的标准配置,广泛用于读码、身份识别、金融支付等领域[3]。在NFC中使用的技术是由旧的免接触式射频识别(RFID）演变而来,即使用电磁感应来传输信息,手机等有源NFC元件可以在机械锁具这样的无源元件中感应出电流和发送数据,这意味着机械锁具不需要自己的电源,当NFC组件进入通信范围即锁具与手机接触后,它们可以由手机等有源NFC组件产生的电磁场提供动力。锁具的外观及结构设计如图2所示。

图2锁具的外观及结构设计

该技术区别于传统NFC仅作为通信技术的应用,在NFC读写设备与受端锁具进行识别、通信的同时,通过独立的通信与取电射频前端和天线,利用NFC射频微弱的信号为锁具和传感器提供瞬时工作电源,实现通信供电一体化,解决了户外智能锁具需要提供外接或内置电源的难题,同时满足了NFC通信的性能与取电功率的高要求。内置的软件可定义NFC协议处理引擎,集成的ARM内核允许用户自定义NFC通信协议,可单片实现NFC无源应用。锁具的无源取能技术原理图与无源取能模块示意图如图3所示。

图3锁具的无源取能技术原理图与无源取能模块示意图

2NFC无源锁的性能及应用

该NFC锁具备NFC无源供电技术,支持NFC读码通信,无内置电池,可以重复使用且无污染,具备远程动态授权解密开锁及记录跟踪、开锁逻辑顺序控制等管理功能,全封闭设计,主体采用防水防锈材质,具有耐腐蚀能力,满足户外防雨、防尘、防卡涩需求,能快速、有效地达到防止运维人员走错设备间隔的目的。下面从适用性、应用灵活性和安全性等方面说明该锁具应用的可行性。

2.1适用性

该NFC锁具根据需要部署在户外设备所有需要进行安全管理的闭锁点上,手动直接上锁。当运行检修或其他原因需要解锁时,运行值班人员根据操作票或工作票的授权范围利用移动作业终端贴近对应锁具,点击App上的解锁按钮即可实现解锁,操作前闭锁状态及操作后解锁状态如图4所示。系统自动记录校核操作权限和锁间逻辑,并自动记录操作行为,将结果向中心主机上传、汇报。

2.2应用灵活性

该NFC智能机械锁具内部无须电源,免维护,部署简单:全封闭设计,户外环境适应能力强:锁具内部结构简单、安全、可靠:移动操作装置通用性强,手机App软件通用苹果、安卓等手机系统,成本低,触碰开锁,操作便捷且具有语音提示等智能化功能:支持远程网络授权,可实时交互,效率高。

图4操作前闭锁状态及操作后解锁状态

2.3安全性

该锁具移动控制终端采用含NFC读码能力的手机或平板电脑终端均可,在终端安装专用开锁App,通过App提供操作任务管理、权限鉴别、锁具识别、无线供电、逻辑管理和行为记录功能。通过移动终端与智能锁控装置实现对各类关键设备的安全控制,以替代传统机械锁具,适用于作业现场工作范围的管理,包括申请使用、授权开锁、过程记录、锁具联锁,实现维护检修作业危险点管控和安全管理。

3结语

针对电网中生产作业交叉频繁,运维人员易走错设备间隔的问题,本文研制出一套易于操作、适用性强、安全性好的基于NFC技术的无源锁,并从多方面说明了该NFC无源挂锁在变电站应用的可行性。尽管该装置还存在成本较高、开锁动力较小等缺点,但比起传统采用"一匙通"机械锁的方法,该装置确实能在很大程度上解决运行值班人员无法高效管控机械锁进而影响作业范围管控的问题,显著保障运行维护人员的安全,因而具备良好的推广价值。