基于移頻鍵控的無源智能鎖研究應用提升配網設備安全防控水平

陸爽 金琪 王夢溪 周宇星

摘? ?要：隨著社會發展，人們對電力的需求度也越來越高，配網的穩定和安全是保障人們工作生活的基本要求，這也給供電公司的配網安全運維工作帶來了新的挑戰。當前，供電公司的配網設備還在使用機械鎖具，由于設備點多面廣用鎖量大，產生了數量多、種類雜的鑰匙，導致難記錄、難追溯、難管控。為了解決上述問題，提出了基于移頻鍵控的無源智能鎖研究應用，不僅實現智能鎖的無孔無源化，還建立了一套管控體系，輔助配網運維工作的安全防控優化。這順應了泛在電力物聯網在配網建設的方向要求，讓配電網運維更加穩定安全。

關鍵詞：移頻鍵控? 無緣智能鎖? 配網安全

本文首先介紹了配網用鎖及管控過程存在的痛點問題，然后對痛點進行針對性的方法分析，提出了基于移頻鍵控結合無線供電的無源智能鎖研究和應用，最后闡述了建立鎖具的安全防控體系，融合配網日常運維，提升配網的安全防控水平。

1? 配網用鎖的痛點和技術性解決方法

1.1 電力配網用鎖、鑰匙和安全防控的痛點

目前配網用鎖中機械掛鎖、防誤掛鎖等易生銹無法滿足防撬防盜要求，機械鎖無開關記錄，編碼鎖也僅記錄開鎖卻無關鎖的真實數據。有內置電池的電子鎖試點，卻產生了一系列維護問題，因電池無法長期滿足戶外的溫變環境（例如共享單車）。采用接觸供電的電子鎖，接口易被破壞，使用壽命得不到保障。

配網同樣存在鑰匙的管理痛點，機械鑰匙繁多雜亂。一匙通電腦鑰匙體積偏大，又無法實現遠程授權，存在仿制鑰匙頭的簡單工具輕易開鎖的安全隱患。

一是鎖與設備的對應位置不清晰，無法遠程授權快速尋址找到對應的設備;二是鎖具智能化后與鑰匙的控制交互難題，都是安全防控的痛點。

1.2 配網用鎖痛點的技術性解決方法

針對上述痛點，首先采集配網設備門柜和鎖槽尺寸，對鎖進行結構的通用性設計。結合機械與電子電路設計，設計出滿足嵌入式安裝的多種結構鎖具。設計智能鎖的開閉動作檢測、狀態檢測與記錄功能。從安全防控角度考慮，取消機械解鎖孔，從而確保從外部無法撬開。從便捷性考慮，閉鎖機構應能夠自動彈開開鎖，提高智能操作體驗。

設計搭載無線供電模塊的智能鑰匙，這樣可取消智能鎖的內置電池，通過統一鎖的接口或模塊，實現鑰匙的通開性。智能鎖與智能鑰匙間采用穿透性強、抗干擾性強的移頻鍵控（FSK）來實現物聯通信，解決了鑰匙與鎖的通信的問題即可建立安全防控體系。

2? 基于移頻鍵控的無源智能鎖設計與研究

2.1 實現無線供電的無孔無源智能鎖

配網設備基本位于戶外，只有設計成無孔（無機械解鎖孔）才可滿足高防盜級別的要求，無孔無源就必須采用無線供電技術，且無線供電的過程不存在直接連接，避免了裸露導體和接觸火花，具有使用安全、方便的優點。選用基于電磁感應原理的從電源發射線圈到接收線圈的電能無線傳輸，它主要由能量發送端、無接觸變壓器和能量接收端組成。

為了獲得能量發送端與能量接受端的最佳匹配設計方案，確定傳輸效率區間，關鍵在于測算與調整能量轉換效率的關鍵因素互感系數和共振頻率。

能量發送端主要由整流濾波電路、高頻逆變裝置和控制電路構成，其主要功能是產生交流能力并使之通過分離功率變壓器傳輸到能量接收器。能量接受端與變壓器次級連接，具有可靈活移動特點，由輸出整流濾波環節和控制電路構成，提供負載所需的電能量。發送器和接收器之間相對獨立但又通過無接觸變壓器的磁場耦合具有能量相關性。

無線供電的最終設計方案，滿足5W的功率要求，高達84%的峰值效率。同時增加外來物體檢測（FOD）和增強型寄生金屬檢測（PMOD），從而防止由于無線電源傳輸場中錯誤放置金屬物體而導致電源丟失在超負荷運行，降低功率損耗。

2.2 基于移頻鍵控（FSK）通信技術實現鎖的信息交互

對于已實現無線供電的無源智能鎖，在鑰匙與鎖間沒有直接接觸的前提下，宜采用移頻鍵控（FSK）的通信技術來進行信息交互。

移頻鍵控通信基于調制解調技術。調制方式按照調制信號的性質分為模擬調制和數字調制兩類，而數字調制有振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）、移相鍵控（PSK）和差分移相鍵控 （DPSK）等。數字調制相對模擬調制的優點是抗干擾能力強，中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實現長距離傳輸。

移頻鍵控（FSK）：用數字調制信號的正負控制載波的頻率。當數字信號的振幅為正時載波頻率為f1，當數字信號的振幅為負時載波頻率為f2。把代表兩個以上符號的多進制頻率調制稱為移頻鍵控。移頻鍵控能區分通路，但抗干擾能力不如移相鍵控和差分移相鍵控。

綜合考慮信息的傳輸有效性和可靠性，頻譜利用率，帶外輻射，對鄰近波道的干擾等方面，采用移頻鍵控（FSK）作為無源智能鎖與鑰匙的無線通信調制方式，根據ISM頻段，選擇430MHz頻率，將足夠滿足配網設備的運行環境。

2.3 配網用鎖的安全防控架構

基于移頻鍵控（FSK）的無源智能鎖加上智能鑰匙，結合安全管控終端軟件和后臺管理主站，建立一套配網智能鎖的安全防控體系。

后臺管理主站為統一的調度監控指揮平臺，對智能鎖的權限實施集約化的管理，對所有數據進行記錄、統計、分析和監控。而智能鎖作為體系中最根基的一環，對智能鑰匙的控制指令進行交互與認證。

體系的安全在于無源智能鎖的結構、性能以及內部邏輯實現流程;體系的防控在于管控終端軟件、主站數據架構、流程、執行邏輯四個環節間的交互實施。安全防控體系的目標在于提升配網設備鎖具的精益化管控。

3? 應用無源智能鎖提升配網安全防控水平

3.1 遠程授權模式的應用

用戶登入、權限管理、操作記錄的邏輯判斷過程，滿足配網的常規流程。

當配網作業人員搶修，或需要臨時增加作業范圍時，可對設備用鎖申請臨時權限，管理員可在管理界面遠程許可該權限，這樣就縮短了作業人員回程取鑰匙的時間，提高了效率。

3.2 輔助配網的精益管理

安全管控終端應用和后臺獲取以下數據：

（1）鎖體故障：包括開關鎖失敗、模塊故障、鎖機械故障等;

（2）操作記錄：鎖具的操作人、操作時間和操作頻度;

（3）巡檢記錄：設計有巡檢模式，鎖信息與終端獲得的地理信息進行核定，匹配后方存儲到位記錄，主站可很據時間先后順序查詢配網設備巡檢情況。

（4）位置尋址：通過終端軟件，可快速地對計劃操作的鎖具進行定位尋址，縮短找尋時間。

以上數據，不僅對配網運維提供精益化輔助，更為工作核查提供了可靠依據。

3.3 建立配網智能鎖及鑰匙的管理模式

基于移頻鍵控的無源智能鎖適用包括配電站房、環網柜、分支箱、JP柜等配網電氣設備，供電公司可以根據各部門、班組的工作要求和現場情況，與有關調度規程、運行規程、反事故措施結合起來，對智能鎖進行試驗、檢查、維護，通過對鑰匙實行統一管理、分級負責的原則，制定一套配網智能鎖及鑰匙的管理辦法或實施細則。

4? 結語

配電網的可靠運行是電網系統安全穩定運行的基本要求。因此，基于移頻鍵控的無源智能鎖在配網的應用符合發展趨勢，基于無源智能鎖作為物聯網的終端節點，將來可融合配電物聯網平臺的運維優化工作，為配網的安全高質量生產運行提供保障，服務電網服務社會。

參考文獻

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