變電站智能化權限管控平臺與智能鎖具應用

國網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年國家電網公司提出建設統一堅強的智能電網戰略發展目標以來，2010年“十二五規劃”中又將智能電網的建設作為國家的發展策略。作為智能電網的重要組成部分，近幾年，文獻[1]智能變電站的建設已經從理論研究階段、試點階段進入到實質性的推廣應用階段，“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的發展方向。

經過多年的發展，變電站逐漸由常規走向智能，由有人值守走向無人值守，已基本實現全站重要環節設備的全面感知和后臺在線監控，但對于如何保障變電站設備安全運行和規范作業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大工作范圍所引起的安全事故時有發生。

目前在變電站內，出于安全運行和防盜的考慮，各個房間大門以及各類設備一直以來均是使用不同種類的傳統鎖具進行管理，隨著電網設施的增建，鎖的數量也隨之增加，而這些鎖具往往都有各自對應的鑰匙，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鑰匙開門解鎖，費時費力，如果去現場帶錯了鑰匙，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，以減少鑰匙的數量，方便現場工作，鑰匙管理簡單，但工作人員在現場的權限太大，存在管理失控的風險。存在誤入其他危險區域的安全隱患，且如果鑰匙外借給外來施工班組使用時，根本無法進行有效監管，失控風險很大。當前這兩種鎖具管理的方法，基本上都使用的是傳統掛鎖，鎖鼻等部位防盜性能極差，容易被外力破壞，變電站內無人值守，存在設備被盜和人身觸電的風險。此外在開操作票后，無法從數據信息上掌握現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用場合設計了不同的鎖具，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；對網門、端子箱、臨時接地線、刀閘的就地操作機構等設備的閉鎖采用機械編碼鎖。鎖具種類繁多對管理帶來困難。操作接口多現場一個間隔內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行遠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行解閉鎖，沒有智能功能，無法反應自身的解閉鎖狀態及運行狀態，可維護性差。鎖具的兼容性差各廠家鎖具接口規范不一致，無法做到統一兼容，互換性差。當前國內外對變電站智能化權限管控平臺的研究處于起步階段，現有論文和專利成果較少，多數以五防微機鎖控系統為主。該系統仍然存在較多缺陷：

現場用鎖還是傳統的機械鎖，只是將RFID 碼片與機械鎖相結合，取到信息識別，達到簡單的管理作用，由于特殊的工作環境機械鎖長期暴露在室外，陽光暴曬、風吹雨淋，面對如此惡劣環境機械鎖鎖孔極易受到腐蝕，生銹情況嚴重，現場運行沒多久，就出現無法開鎖的情況，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備上的鎖的RFID 碼片進行交互，想開哪把鎖就開哪把鎖，存在極大的安全隱患。

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

現場為了開鎖方便，鎖留有萬能鑰匙解鎖孔，萬能鑰匙結構簡單，極易仿造，在淘寶上可以隨處買到相關萬能鑰匙，前期實現的各種管理功能瞬間失效，長期運行整套系統“如同虛設”。

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

針對以上不足，本項目將開發一款變電站智能化權限管控平臺，基于物聯網云技術，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APP）為載體實現對變電站設備人員運維管理、設備在無電源情況監控門、鎖的狀態，以提高設備安全、運維效率、節省成本的目的。

1 研究內容

研究內容主要包括四個方面，智能化權限管控平臺、智能無源鎖具、藍牙鑰匙、手機APP 為一體的變電站智能管控系統。

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

智能藍牙鑰匙是綜合考慮電源信息、使用場所、權限識別、群識別、身份綁定和通信監控等功能于一身，設計一套與無源鎖具相對應的智能藍牙鑰匙，同時結合防控管理系統內臺帳信息，建立智能藍牙用戶權限分配機制，智能實現藍牙鑰匙的使用精確化、合理化、透明化。

設計一套無源鎖芯+鎖體結構的無源鎖具，基于復合載波供電通信技術，建立無源鎖具和藍牙鑰匙權限鑒別機制，確保開關鎖記錄功能和告警功能的準確性。

變電站內存有大量的機械鑰匙，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，因此對閉鎖設備的操作記錄缺乏信息化管理，監督與管理運行人員日常操作成為設備管理工作的盲點，一旦出現問題，無法進行有效的追溯。

2 理論依據

智能化權限管控平臺通過遠程授權，信息記錄對比得出需要的數據進行參考決斷，通過餅狀圖的型式來反映對比數據，查看一段時間內某個區域的開鎖情況，進而知道哪里的電站檢修維護頻繁，從而查找事故原因綜合性進行布局，當運行人員需進站進行解鎖時，需在客戶端電腦選擇解鎖范圍并輸入解鎖原因后，經相關領導或負責人進行網絡授權后，將需解鎖的設備內容發送至一智能藍牙鑰匙，由智能藍牙鑰匙根據操作內容進行解鎖操作，操作完畢后將信息回傳至使用端主機，生成可供查詢的操作記錄。智能藍牙鑰匙生成的解鎖任務，授權后能夠根據任務圈定的鎖具范圍打開設備的鎖具，從而進行操作檢修等工作。當運行人員在傳送了解鎖任務后拿電腦鑰匙去現場進行操作，到現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便浪費了時間，降低了工作效率。手機APP 的使用能夠應付操作多變，地域廣闊帶來的緊急問題。

智能鎖具系統是面向集控型變電站安防層面的智能鎖控系統，對站內安全生產及管理所需的設備、通道門等進行改造配置適合各自需求的智能化鎖具，并對鎖具、鑰匙等進行統一控制管理。系統將檢測鑰匙狀態、與鑰匙進行通訊傳輸數據、對鑰匙下達指令、記錄操作內容等。

集控一匙通主機：設計在集控中心站，軟件內涵蓋了整個集控系統包括主站和子站的所有一匙通鎖具信息。一匙通電腦鑰匙：電腦鑰匙為系統的執行機構，通過射頻識別進行開鎖。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，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APP）為防止突發情況操作隊可攜帶移動終端與電腦鑰匙通過藍牙進行實時的解鎖任務操作。

藍牙，是一種支持設備短距離通信（一般10m內）的無線電技術。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網Internet 之間的通信，從而數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。文獻[3]藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，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、科學、醫學）頻段。其數據速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。

智能鎖具面向間隔設計，完成單間隔內斷路器、隔離開關、接地刀閘/臨時接地線、網門等設備的手動及遠方操作的強制閉鎖功能，能實時反映閉鎖對象的閉鎖狀態；智能鎖具內置單間隔內的閉鎖邏輯，在站控層、過程網絡失效的情況下能自動的完成本間隔內設備操作的防誤邏輯判斷。對斷路器、隔離開關、接地刀閘操作的閉鎖通過在操作回路中串聯智能鎖具閉鎖接點的方式實現，對臨時接地線、網門的閉鎖通過智能鎖具閉鎖接點控制電磁鎖的方式實現。組網方面，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站控層網絡，達到與智能變電站綜合自動化系統數據信息的共享，與綜合自動化系統實時交互防誤閉鎖信息。文獻[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，也可以接入智能變電站綜合自動化系統過程層GOOSE 網，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不能采集的網門、地線等閉鎖狀態上傳給智能防誤電子裝置；從冗余設計的角度考慮，智能鎖具也能采集本間隔內斷路器、刀閘的狀態，保證在站控層、過程層網絡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標準的核心內容包括：采用面向對象建模技術對變電站功能和智能電子設備建模為實現應用與通信分離，文獻[5]采用抽象通信服務接口映射到具體通信協議棧；基于擴展標識語言（xML）的變電站配置語言（SCL）對系統和智能設備進行配置。其中，利用面向對象的統一建模技術和獨立于網絡結構的抽象通信服務接口（ACSI）對實際IED 進行建模是IEC61850標準應用的關鍵。

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

3 裝置及系統的創新點

為促進變電管理成為國際一流管理水平，在總結以往管理經驗的基礎上，做好變電站管理精益化的特點，改造站內傳統鎖具，進行全面優化升級，并采用遠程網絡授權控制等技術，以達到新的管理標準要求。

變電站一匙通就是根據變電站各類設備的特點，研制出各自相應的智能鎖具。使用智能鎖具系統操作后，實現管理的規范化，所有的開鎖操作都有詳細的跟蹤記錄。

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、沙塵進入鎖芯內部；鎖具結構簡單，主要部件采用不銹鋼或銅質材料制造，具有較好的耐腐蝕性；獨有防塵帽設計，能有效防止異物進入，保證鎖具在惡劣條件下正常應用。

為了滿足電網的安全發展需求，提高電網設備本質安全和人員行為安全管理，亟需提出一系列的創新管理思路和實施舉措，針對現有變電站權限管理體系制度研制出一套解決變電站權限管理問題的智能安全防控系統，持續提升精益化管理水平，推進多維精益化管理體系變革，為智能電網建設助力。

4 裝置及系統的優勢

為促進變電管理成為國際一流管理水平，在總結以往管理經驗的基礎上，做好變電站管理精益化的特點，改造站內傳統鎖具，進行全面優化升級，并采用遠程網絡授權控制等技術，以達到新的管理標準要求。變電站一匙通就是根據變電站各類設備的特點，研制出各自相應的智能鎖具。使用智能鎖具系統操作后，實現管理的規范化，所有的開鎖操作都有詳細的跟蹤記錄。

總之，在變電站權限管理方面，變電站智能化權限管控平臺與智能鎖具裝置發揮著至關重要的作用，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，使安全事故的發生得以降低，還使電力企業的管理成本得以降低，有利于國民經濟利益最大化，從長遠角度來說，它是智能化變電建設中一個重要組成部分，也是電力企業走上長遠發展之道的必經之路，最終走上可持續發展之路。

通過變電站智能化權限管控平臺與智能鎖具的應用節省了各個鎖具鑰匙的管理成本，降低了因為鑰匙導致的延誤錯誤等風險的幾率，為現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，遠程授權可以直接進行必要的操作，手機APP 方便處理臨時性的突發事件，后臺會對鎖具的開關狀態時間節點事情過程進行記錄，方便后期的查則處理。