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，運維人員易走錯設(shè)備間隔的問題，研制出了一套基于NFC技術(shù)的無源鎖，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能應(yīng)用等方面說明了該NFC無源鎖的可行性，其能夠有效提高人身安全性，降低作業(yè)風(fēng)險，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：NFC;無源;機械鎖;變電站;一匙通

0 ? ?引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，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，運維人員走錯設(shè)備間隔導(dǎo)致的人身觸電、設(shè)備誤動和電網(wǎng)事故等時有發(fā)生，引發(fā)作業(yè)風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險，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)備驗收、檢修試驗、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)人員因沒有認真核對設(shè)備編號誤登帶電設(shè)備爬梯，導(dǎo)致直接或間接觸電的事故時有發(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，運行人員會在爬梯攀登處設(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，無阻礙地直接進入帶電設(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。

當前變電站針對人員走錯設(shè)備間隔的技術(shù)防御措施，根據(jù)被保護設(shè)備類型的不同，主要可以分為兩種：

（1）對于主要電氣設(shè)備的保護措施，以五防、檢修隔離器等微機管理系統(tǒng)為主，利用當前站內(nèi)設(shè)備運行方式和檢修設(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，且操作過程需要經(jīng)過模擬預(yù)演，一般只能適用于可以操作的主要電氣設(shè)備，對生產(chǎn)輔助設(shè)備設(shè)施無能為力。

（2）對于除主設(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、保護屏門等，一般采用“一匙通”機械鎖，即使用一把通用鑰匙可以打開全站所有機械鎖的方式，鑰匙由值班運行人員管理。但現(xiàn)實中，“一匙通”方式只能實現(xiàn)人防，難以實現(xiàn)技防，為確保安全，現(xiàn)場規(guī)程規(guī)定通用鑰匙需要運行人員陪同施工人員至現(xiàn)場開鎖后立刻收回，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，機械鑰匙缺乏防護措施，鑰匙管理粗放，易丟失、易復(fù)制。如不采用“一匙通”方式，由于機械鎖數(shù)量多，所配鑰匙過多，運行人員難以一一對應(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現(xiàn)智能化管理，但依賴外部電源，維護難度大、可靠性低、實施復(fù)雜，且需要專用鑰匙，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用水平低，難以實現(xiàn)智能安全控制[1]。

針對上述問題，本文研制出一套適用于變電站的基于NFC技術(shù)的無源掛鎖。該NFC掛鎖通過智能手機的專用App控制授權(quán)，NFC感應(yīng)技術(shù)傳輸開鎖信號并提供開鎖電源，能實現(xiàn)對站內(nèi)機械鎖的智能化管理，減少作業(yè)人員的人身風(fēng)險，降低電網(wǎng)設(shè)備故障動作風(fēng)險，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

1 ? ?基于NFC技術(shù)的無源鎖設(shè)計

1.1 ? ?整體設(shè)計思路

對于現(xiàn)有變電站來說，尤其是戶外機械鎖較多的戶外站，掛鎖廣泛采用普通的金屬機械鎖，結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，但其長期遭受風(fēng)吹雨淋，極易生銹導(dǎo)致無法開鎖或落鎖，存在較大安全隱患。

本文提出一種基于NFC原理的無源爬梯鎖裝置，該裝置無鎖孔，每個爬梯鎖相互獨立，有對應(yīng)編碼，通過手機連接實現(xiàn)非接觸式開鎖，連接速度快，防水性能佳，無須配置電池，成本低，能適應(yīng)戶外變電站復(fù)雜的外界情況，有效解決機械掛鎖安全性低及鑰匙孔易堵塞的問題。本裝置制造工藝簡單，具有開鎖快、設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和防護效果好的優(yōu)點，可在所有運行中變電站的爬梯以及保護屏門、匯控柜門、工具柜門、設(shè)備室門等場景中應(yīng)用。

系統(tǒng)由鎖控主機、操作終端（手機或平板電腦）、智能鎖具三部分構(gòu)成。其中鎖控主機用于保存本地設(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讀碼能力的手機或平板電腦終端均可，安裝有專用App，通過App提供操作任務(wù)管理、權(quán)限鑒別、鎖具識別、無線供電、邏輯管理和行為記錄功能[2]。系統(tǒng)的整體設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。

1.2 ? ?鎖具的組成和原理

基于NFC原理的無源機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標簽為接收源，以運行人員的手機為小型發(fā)射源，以電磁感應(yīng)原理為鎖具提供動力開鎖。

開鎖時需使用專門的NFC機械鎖App，運行人員或經(jīng)過授權(quán)的施工人員輸入對應(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間隔的可能性及安全事故發(fā)生的概率，保護了電網(wǎng)運行安全。落鎖為手動按壓完成，操作方便。

NFC的工作原理是通過無線電波發(fā)送信息，也是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N標準，屬于最安全的通信技術(shù)之一。目前NFC功能已經(jīng)成為智能手機終端設(shè)備的標準配置，廣泛用于讀碼、身份識別、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別（RFID）演變而來，即使用電磁感應(yīng)來傳輸信息，手機等有源NFC元件可以在機械鎖具這樣的無源元件中感應(yīng)出電流和發(fā)送數(shù)據(jù)，這意味著機械鎖具不需要自己的電源，當NFC組件進入通信范圍即鎖具與手機接觸后，它們可以由手機等有源NFC組件產(chǎn)生的電磁場提供動力。鎖具的外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖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)備與受端鎖具進行識別、通信的同時，通過獨立的通信與取電射頻前端和天線，利用NFC射頻微弱的信號為鎖具和傳感器提供瞬時工作電源，實現(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，可單片實現(xiàn)NFC無源應(yīng)用。鎖具的無源取能技術(shù)原理圖與無源取能模塊示意圖如圖3所示。