國網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司 陳張宇 喬亞興 解智剛 侯宇軒 上海四量電子科技有限公司 賀潤平 王水仙

自2009年國家電網(wǎng)公司提出建設(shè)統(tǒng)一堅強(qiáng)的智能電網(wǎng)戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)以來，2010年“十二五規(guī)劃”中又將智能電網(wǎng)的建設(shè)作為國家的發(fā)展策略。作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，近幾年，文獻(xiàn)[1]智能變電站的建設(shè)已經(jīng)從理論研究階段、試點階段進(jìn)入到實質(zhì)性的推廣應(yīng)用階段，“十二五”將新建智能變電站5100座，改造1000座，智能變電站是變電站技術(shù)的發(fā)展方向。

經(jīng)過多年的發(fā)展，變電站逐漸由常規(guī)走向智能，由有人值守走向無人值守，已基本實現(xiàn)全站重要環(huán)節(jié)設(shè)備的全面感知和后臺在線監(jiān)控，但對于如何保障變電站設(shè)備安全運行和規(guī)范作業(yè)人員行為卻一直沒有較好的解決方案，擅自變更工作地點或擴(kuò)大工作范圍所引起的安全事故時有發(fā)生。

目前在變電站內(nèi)，出于安全運行和防盜的考慮，各個房間大門以及各類設(shè)備一直以來均是使用不同種類的傳統(tǒng)鎖具進(jìn)行管理，隨著電網(wǎng)設(shè)施的增建，鎖的數(shù)量也隨之增加，而這些鎖具往往都有各自對應(yīng)的鑰匙，這就造成了大量的鑰匙管理問題。各班組人員每次巡檢、檢修、倒閘操作或抄電表時，都得先從一大串鑰匙中尋找對應(yīng)鑰匙開門解鎖，費時費力，如果去現(xiàn)場帶錯了鑰匙，不得不返回重新尋找鑰匙。通用鑰匙是一種常見的解決方案，即一把鑰匙可以打開一個變電站的所有鎖具，以減少鑰匙的數(shù)量，方便現(xiàn)場工作，鑰匙管理簡單，但工作人員在現(xiàn)場的權(quán)限太大，存在管理失控的風(fēng)險。存在誤入其他危險區(qū)域的安全隱患，且如果鑰匙外借給外來施工班組使用時，根本無法進(jìn)行有效監(jiān)管，失控風(fēng)險很大。當(dāng)前這兩種鎖具管理的方法，基本上都使用的是傳統(tǒng)掛鎖，鎖鼻等部位防盜性能極差，容易被外力破壞，變電站內(nèi)無人值守，存在設(shè)備被盜和人身觸電的風(fēng)險。此外在開操作票后，無法從數(shù)據(jù)信息上掌握現(xiàn)場工作人員所要操作的具體操作對象、操作時間、操作后的對象的狀態(tài)等，對運維人員以及運維操作的管理存在。

鎖具種類多針對不同的應(yīng)用場合設(shè)計了不同的鎖具，比如對斷路器、電動刀閘等電氣操作回路的閉鎖采用電編碼鎖；對網(wǎng)門、端子箱、臨時接地線、刀閘的就地操作機(jī)構(gòu)等設(shè)備的閉鎖采用機(jī)械編碼鎖。鎖具種類繁多對管理帶來困難。操作接口多現(xiàn)場一個間隔內(nèi)往往安裝有多套鎖具，每套鎖具均有獨立的電腦鑰匙操作接口，操作接口多增加了現(xiàn)場操作人員的工作量。鎖具的非智能化除遙控閉鎖和電磁鎖這兩種鎖具能進(jìn)行遠(yuǎn)方控制具有智能識別功能外，其他鎖具都只能通過電腦鑰匙來進(jìn)行解閉鎖，沒有智能功能，無法反應(yīng)自身的解閉鎖狀態(tài)及運行狀態(tài)，可維護(hù)性差。鎖具的兼容性差各廠家鎖具接口規(guī)范不一致，無法做到統(tǒng)一兼容，互換性差。當(dāng)前國內(nèi)外對變電站智能化權(quán)限管控平臺的研究處于起步階段，現(xiàn)有論文和專利成果較少，多數(shù)以五防微機(jī)鎖控系統(tǒng)為主。該系統(tǒng)仍然存在較多缺陷：

現(xiàn)場用鎖還是傳統(tǒng)的機(jī)械鎖，只是將RFID 碼片與機(jī)械鎖相結(jié)合，取到信息識別，達(dá)到簡單的管理作用，由于特殊的工作環(huán)境機(jī)械鎖長期暴露在室外，陽光暴曬、風(fēng)吹雨淋，面對如此惡劣環(huán)境機(jī)械鎖鎖孔極易受到腐蝕，生銹情況嚴(yán)重，現(xiàn)場運行沒多久，就出現(xiàn)無法開鎖的情況，同時，RFID 碼片只是通過一顆螺絲固定，從外部就可輕易拆除或與別的設(shè)備上的鎖的RFID 碼片進(jìn)行交互，想開哪把鎖就開哪把鎖，存在極大的安全隱患。

“一匙通”系統(tǒng)在后臺與電腦鑰匙數(shù)據(jù)傳輸過程中以及電腦鑰匙發(fā)出解鎖命令開鎖時，所有數(shù)據(jù)都未經(jīng)加密處理，并且是固定的密鑰，無法保證數(shù)據(jù)傳輸時的數(shù)據(jù)安全，只需通過技術(shù)手段讀取解鎖命令的報文，加以分析，打開鎖變得輕而易舉。

現(xiàn)場為了開鎖方便，鎖留有萬能鑰匙解鎖孔，萬能鑰匙結(jié)構(gòu)簡單，極易仿造，在淘寶上可以隨處買到相關(guān)萬能鑰匙，前期實現(xiàn)的各種管理功能瞬間失效，長期運行整套系統(tǒng)“如同虛設(shè)”。

變電站與變電站之間，存在文獻(xiàn)[2]“信息孤島”，運維人員無法實時了解變電站內(nèi)各設(shè)備箱柜門的狀態(tài)，更無法通過遠(yuǎn)程授權(quán)的方式管控下屬變電站。

針對以上不足，本項目將開發(fā)一款變電站智能化權(quán)限管控平臺，基于物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)，以智能硬件（無源智能鎖+智能鑰匙）和管理軟件（管理平臺+手機(jī)APP）為載體實現(xiàn)對變電站設(shè)備人員運維管理、設(shè)備在無電源情況監(jiān)控門、鎖的狀態(tài)，以提高設(shè)備安全、運維效率、節(jié)省成本的目的。

1 研究內(nèi)容

研究內(nèi)容主要包括四個方面，智能化權(quán)限管控平臺、智能無源鎖具、藍(lán)牙鑰匙、手機(jī)APP 為一體的變電站智能管控系統(tǒng)。

變電站智能化權(quán)限管控平臺采用多級管理模式，通過該模式實現(xiàn)對人員和裝置管理、授權(quán)管理、各裝置的操作控制和記錄分析管控，把電力系統(tǒng)的工作票制度智能化

智能藍(lán)牙鑰匙是綜合考慮電源信息、使用場所、權(quán)限識別、群識別、身份綁定和通信監(jiān)控等功能于一身，設(shè)計一套與無源鎖具相對應(yīng)的智能藍(lán)牙鑰匙，同時結(jié)合防控管理系統(tǒng)內(nèi)臺帳信息，建立智能藍(lán)牙用戶權(quán)限分配機(jī)制，智能實現(xiàn)藍(lán)牙鑰匙的使用精確化、合理化、透明化。

設(shè)計一套無源鎖芯+鎖體結(jié)構(gòu)的無源鎖具，基于復(fù)合載波供電通信技術(shù)，建立無源鎖具和藍(lán)牙鑰匙權(quán)限鑒別機(jī)制，確保開關(guān)鎖記錄功能和告警功能的準(zhǔn)確性。

變電站內(nèi)存有大量的機(jī)械鑰匙，因此給鑰匙管理帶來一定的困難。大部分變電站采用鑰匙盤或者鑰匙箱的方式存儲鑰匙，鑰匙的借用歸還采用手工記錄的方式，很容易造成鑰匙的遺失，且無據(jù)可查，帶來很大的安全隱患。

普通鑰匙不具備智能化、電子化的特點，因此對閉鎖設(shè)備的操作記錄缺乏信息化管理，監(jiān)督與管理運行人員日常操作成為設(shè)備管理工作的盲點，一旦出現(xiàn)問題，無法進(jìn)行有效的追溯。

2 理論依據(jù)

智能化權(quán)限管控平臺通過遠(yuǎn)程授權(quán)，信息記錄對比得出需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行參考決斷，通過餅狀圖的型式來反映對比數(shù)據(jù)，查看一段時間內(nèi)某個區(qū)域的開鎖情況，進(jìn)而知道哪里的電站檢修維護(hù)頻繁，從而查找事故原因綜合性進(jìn)行布局，當(dāng)運行人員需進(jìn)站進(jìn)行解鎖時，需在客戶端電腦選擇解鎖范圍并輸入解鎖原因后，經(jīng)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)或負(fù)責(zé)人進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授權(quán)后，將需解鎖的設(shè)備內(nèi)容發(fā)送至一智能藍(lán)牙鑰匙，由智能藍(lán)牙鑰匙根據(jù)操作內(nèi)容進(jìn)行解鎖操作，操作完畢后將信息回傳至使用端主機(jī)，生成可供查詢的操作記錄。智能藍(lán)牙鑰匙生成的解鎖任務(wù)，授權(quán)后能夠根據(jù)任務(wù)圈定的鎖具范圍打開設(shè)備的鎖具，從而進(jìn)行操作檢修等工作。當(dāng)運行人員在傳送了解鎖任務(wù)后拿電腦鑰匙去現(xiàn)場進(jìn)行操作，到現(xiàn)場后由于某種原因取消本次操作，而通知操作另一條線路，此時運行人員再拿電腦鑰匙回去傳送任務(wù)便浪費了時間，降低了工作效率。手機(jī)APP 的使用能夠應(yīng)付操作多變，地域廣闊帶來的緊急問題。

智能鎖具系統(tǒng)是面向集控型變電站安防層面的智能鎖控系統(tǒng)，對站內(nèi)安全生產(chǎn)及管理所需的設(shè)備、通道門等進(jìn)行改造配置適合各自需求的智能化鎖具，并對鎖具、鑰匙等進(jìn)行統(tǒng)一控制管理。系統(tǒng)將檢測鑰匙狀態(tài)、與鑰匙進(jìn)行通訊傳輸數(shù)據(jù)、對鑰匙下達(dá)指令、記錄操作內(nèi)容等。

集控一匙通主機(jī)：設(shè)計在集控中心站，軟件內(nèi)涵蓋了整個集控系統(tǒng)包括主站和子站的所有一匙通鎖具信息。一匙通電腦鑰匙：電腦鑰匙為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過射頻識別進(jìn)行開鎖。智能解鎖鑰匙：每個子站都配備一把智能解鎖鑰匙，每把智能解鎖鑰匙通過運行人員的授權(quán)，只能打開該站的一匙通鎖具，無法操作其他子站的鎖具。移動操作終端（手機(jī)APP）為防止突發(fā)情況操作隊可攜帶移動終端與電腦鑰匙通過藍(lán)牙進(jìn)行實時的解鎖任務(wù)操作。

藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet 之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。文獻(xiàn)[3]藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸。

智能鎖具面向間隔設(shè)計，完成單間隔內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘/臨時接地線、網(wǎng)門等設(shè)備的手動及遠(yuǎn)方操作的強(qiáng)制閉鎖功能，能實時反映閉鎖對象的閉鎖狀態(tài)；智能鎖具內(nèi)置單間隔內(nèi)的閉鎖邏輯，在站控層、過程網(wǎng)絡(luò)失效的情況下能自動的完成本間隔內(nèi)設(shè)備操作的防誤邏輯判斷。對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘操作的閉鎖通過在操作回路中串聯(lián)智能鎖具閉鎖接點的方式實現(xiàn)，對臨時接地線、網(wǎng)門的閉鎖通過智能鎖具閉鎖接點控制電磁鎖的方式實現(xiàn)。組網(wǎng)方面，站控層防誤工作站和間隔層智能防誤電子裝置接入智能變電站綜合自動化系統(tǒng)站控層網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到與智能變電站綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的共享，與綜合自動化系統(tǒng)實時交互防誤閉鎖信息。文獻(xiàn)[4]間隔層的智能防誤電子裝置與過程層的智能鎖具既可以單獨組成GOOSE 網(wǎng)，也可以接入智能變電站綜合自動化系統(tǒng)過程層GOOSE 網(wǎng)，智能鎖具一方面接收智能防誤電子裝置的解閉鎖命令，另一方面將綜合自動化系統(tǒng)不能采集的網(wǎng)門、地線等閉鎖狀態(tài)上傳給智能防誤電子裝置；從冗余設(shè)計的角度考慮，智能鎖具也能采集本間隔內(nèi)斷路器、刀閘的狀態(tài)，保證在站控層、過程層網(wǎng)絡(luò)失效時能自動完成本間隔的防誤邏輯判斷功能。

智能鎖具建模IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容包括：采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)對變電站功能和智能電子設(shè)備建模為實現(xiàn)應(yīng)用與通信分離，文獻(xiàn)[5]采用抽象通信服務(wù)接口映射到具體通信協(xié)議棧；基于擴(kuò)展標(biāo)識語言（xML）的變電站配置語言（SCL）對系統(tǒng)和智能設(shè)備進(jìn)行配置。其中，利用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模技術(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口（ACSI）對實際IED 進(jìn)行建模是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的關(guān)鍵。

智能藍(lán)牙鎖具是基于藍(lán)牙連接技術(shù)進(jìn)行短距離開鎖的技術(shù)解決方案，大大提高了鎖具的安全性和智能程度，通過藍(lán)牙識別可以進(jìn)行非接觸式開鎖和遠(yuǎn)程授權(quán)開鎖，非常方便，目前非常流行的共享單車掃碼開鎖大多就是應(yīng)用藍(lán)牙開鎖技術(shù)，只需通過手機(jī)APP 掃碼操作即可隨時取用，十分方便，廠商已經(jīng)完全設(shè)置好，無需用戶在使用時另行設(shè)置，操作方法簡單。

3 裝置及系統(tǒng)的創(chuàng)新點

為促進(jìn)變電管理成為國際一流管理水平，在總結(jié)以往管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，做好變電站管理精益化的特點，改造站內(nèi)傳統(tǒng)鎖具，進(jìn)行全面優(yōu)化升級，并采用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)授權(quán)控制等技術(shù)，以達(dá)到新的管理標(biāo)準(zhǔn)要求。

變電站一匙通就是根據(jù)變電站各類設(shè)備的特點，研制出各自相應(yīng)的智能鎖具。使用智能鎖具系統(tǒng)操作后，實現(xiàn)管理的規(guī)范化，所有的開鎖操作都有詳細(xì)的跟蹤記錄。

智能鎖具主要特點：安裝簡單、操作方便；全密封磁編碼鎖芯，可有效防止雨水、沙塵進(jìn)入鎖芯內(nèi)部；鎖具結(jié)構(gòu)簡單，主要部件采用不銹鋼或銅質(zhì)材料制造，具有較好的耐腐蝕性；獨有防塵帽設(shè)計，能有效防止異物進(jìn)入，保證鎖具在惡劣條件下正常應(yīng)用。

為了滿足電網(wǎng)的安全發(fā)展需求，提高電網(wǎng)設(shè)備本質(zhì)安全和人員行為安全管理，亟需提出一系列的創(chuàng)新管理思路和實施舉措，針對現(xiàn)有變電站權(quán)限管理體系制度研制出一套解決變電站權(quán)限管理問題的智能安全防控系統(tǒng)，持續(xù)提升精益化管理水平，推進(jìn)多維精益化管理體系變革，為智能電網(wǎng)建設(shè)助力。

4 裝置及系統(tǒng)的優(yōu)勢

為促進(jìn)變電管理成為國際一流管理水平，在總結(jié)以往管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，做好變電站管理精益化的特點，改造站內(nèi)傳統(tǒng)鎖具，進(jìn)行全面優(yōu)化升級，并采用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)授權(quán)控制等技術(shù)，以達(dá)到新的管理標(biāo)準(zhǔn)要求。變電站一匙通就是根據(jù)變電站各類設(shè)備的特點，研制出各自相應(yīng)的智能鎖具。使用智能鎖具系統(tǒng)操作后，實現(xiàn)管理的規(guī)范化，所有的開鎖操作都有詳細(xì)的跟蹤記錄。

總之，在變電站權(quán)限管理方面，變電站智能化權(quán)限管控平臺與智能鎖具裝置發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它的運用使變電站安全得到保障，不僅處于有序的運行之中，使安全事故的發(fā)生得以降低，還使電力企業(yè)的管理成本得以降低，有利于國民經(jīng)濟(jì)利益最大化，從長遠(yuǎn)角度來說，它是智能化變電建設(shè)中一個重要組成部分，也是電力企業(yè)走上長遠(yuǎn)發(fā)展之道的必經(jīng)之路，最終走上可持續(xù)發(fā)展之路。

通過變電站智能化權(quán)限管控平臺與智能鎖具的應(yīng)用節(jié)省了各個鎖具鑰匙的管理成本，降低了因為鑰匙導(dǎo)致的延誤錯誤等風(fēng)險的幾率，為現(xiàn)場運維人員提供了很大的方便，帶一把鑰匙就可以去到所有的站點，不用帶很多把鑰匙，也避免臨時更換站點來回開具工作票的麻煩，遠(yuǎn)程授權(quán)可以直接進(jìn)行必要的操作，手機(jī)APP 方便處理臨時性的突發(fā)事件，后臺會對鎖具的開關(guān)狀態(tài)時間節(jié)點事情過程進(jìn)行記錄，方便后期的查則處理。