一種NFC無源鎖的設計及其在變電站的應用

魏嘉隆 肖鍶睿 宋蒙蒙 謝楠 吳偉力

摘要：為解決電網中生產作業交叉頻繁，運維人員易走錯設備間隔的問題，研制出了一套基于NFC技術的無源鎖，并從結構設計和性能應用等方面說明了該NFC無源鎖的可行性，其能夠有效提高人身安全性，降低作業風險，確保電網安全穩定運行，具有良好的推廣應用價值。

關鍵詞：NFC;無源;機械鎖;變電站;一匙通

0 ? ?引言

隨著電網規模不斷擴大，電網中設備逐年增多，生產作業交叉頻繁，授權難、記錄難，運維人員走錯設備間隔導致的人身觸電、設備誤動和電網事故等時有發生，引發作業風險、設備風險，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，其廣泛應用于變電站內如變壓器和電抗器等大型設備、母線構架以及建筑物等處，方便了設備驗收、檢修試驗、飄浮物處理等工作的開展。但值得注意的是，高空作業情況復雜，安全距離難以掌握，作業人員因沒有認真核對設備編號誤登帶電設備爬梯，導致直接或間接觸電的事故時有發生。為了杜絕人員誤攀登帶電設備導致墜落、觸電等風險，運行人員會在爬梯攀登處設置爬梯門并掛鎖，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備范圍攀登爬梯，因此保證爬梯鎖的穩定可靠至關重要。

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

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

（2）對于除主設備以外的輔助設備設施，如爬梯門、設備室門、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。但現實中，“一匙通”方式只能實現人防，難以實現技防，為確保安全，現場規程規定通用鑰匙需要運行人員陪同施工人員至現場開鎖后立刻收回，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、易復制。如不采用“一匙通”方式，由于機械鎖數量多，所配鑰匙過多，運行人員難以一一對應區分，查詢取用效率低。

根據某電網公司提出的《物聯安全鎖具技術規范》，現有部分有源智能鎖具方案可實現智能化管理，但依賴外部電源，維護難度大、可靠性低、實施復雜，且需要專用鑰匙，互聯網應用水平低，難以實現智能安全控制[1]。

針對上述問題，本文研制出一套適用于變電站的基于NFC技術的無源掛鎖。該NFC掛鎖通過智能手機的專用App控制授權，NFC感應技術傳輸開鎖信號并提供開鎖電源，能實現對站內機械鎖的智能化管理，減少作業人員的人身風險，降低電網設備故障動作風險，確保電網安全穩定運行。

1 ? ?基于NFC技術的無源鎖設計

1.1 ? ?整體設計思路

對于現有變電站來說，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，結構簡單，造價便宜，但其長期遭受風吹雨淋，極易生銹導致無法開鎖或落鎖，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，有對應編碼，通過手機連接實現非接觸式開鎖，連接速度快，防水性能佳，無須配置電池，成本低，能適應戶外變電站復雜的外界情況，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、設計合理、結構簡單、成本低廉和防護效果好的優點，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、設備室門等場景中應用。

系統由鎖控主機、操作終端（手機或平板電腦）、智能鎖具三部分構成。其中鎖控主機用于保存本地設備信息、業務邏輯、鎖具數據、權限等核心數據;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提供操作任務管理、權限鑒別、鎖具識別、無線供電、邏輯管理和行為記錄功能[2]。系統的整體設計架構如圖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，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射源，以電磁感應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，運行人員或經過授權的施工人員輸入對應的密碼并貼近鎖具，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生的概率，保護了電網運行安全。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送信息，也是無線數據傳輸的一種標準，屬于最安全的通信技術之一。目前NFC功能已經成為智能手機終端設備的標準配置，廣泛用于讀碼、身份識別、金融支付等領域[3]。在NFC中使用的技術是由舊的免接觸式射頻識別（RFID）演變而來，即使用電磁感應來傳輸信息，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出電流和發送數據，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組件產生的電磁場提供動力。鎖具的外觀及結構設計如圖2所示。

該技術區別于傳統NFC僅作為通信技術的應用，在NFC讀寫設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，實現通信供電一體化，解決了戶外智能鎖具需要提供外接或內置電源的難題，同時滿足了NFC通信的性能與取電功率的高要求[4]。內置的軟件可定義NFC協議處理引擎，集成的ARM內核允許用戶自定義NFC通信協議，可單片實現NFC無源應用。鎖具的無源取能技術原理圖與無源取能模塊示意圖如圖3所示。