基于移频键控的无源智能锁研究应用提升配网设备安全防控水平
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作者:陆爽 金琪 王梦溪 周宇星
摘 要：随着社会发展，人们对电力的需求度也越来越高，配网的稳定和安全是保障人们工作生活的基本要求，这也给供电公司的配网安全运维工作带来了新的挑战。当前，供电公司的配网设备還在使用机械锁具，由于设备点多面广用锁量大，产生了数量多、种类杂的钥匙，导致难记录、难追溯、难管控。为了解决上述问题，提出了基于移频键控的无源智能锁研究应用，不仅实现智能锁的无孔无源化，还建立了一套管控体系，辅助配网运维工作的安全防控优化。这顺应了泛在电力物联网在配网建设的方向要求，让配电网运维更加稳定安全。
关键词：移频键控 无缘智能锁 配网安全
本文首先介绍了配网用锁及管控过程存在的痛点问题，然后对痛点进行针对性的方法分析，提出了基于移频键控结合无线供电的无源智能锁研究和应用，最后阐述了建立锁具的安全防控体系，融合配网日常运维，提升配网的安全防控水平。
1 配网用锁的痛点和技术性解决方法
1.1 电力配网用锁、钥匙和安全防控的痛点
目前配网用锁中机械挂锁、防误挂锁等易生锈无法满足防撬防盗要求，机械锁无开关记录，编码锁也仅记录开锁却无关锁的真实数据。有内置电池的电子锁试点，却产生了一系列维护问题，因电池无法长期满足户外的温变环境（例如共享单车）。采用接触供电的电子锁，接口易被破坏，使用寿命得不到保障。
配网同样存在钥匙的管理痛点，机械钥匙繁多杂乱。一匙通电脑钥匙体积偏大，又无法实现远程授权，存在仿制钥匙头的简单工具轻易开锁的安全隐患。
一是锁与设备的对应位置不清晰，无法远程授权快速寻址找到对应的设备;二是锁具智能化后与钥匙的控制交互难题，都是安全防控的痛点。
1.2 配网用锁痛点的技术性解决方法
针对上述痛点，首先采集配网设备门柜和锁槽尺寸，对锁进行结构的通用性设计。结合机械与电子电路设计，设计出满足嵌入式安装的多种结构锁具。设计智能锁的开闭动作检测、状态检测与记录功能。从安全防控角度考虑，取消机械解锁孔，从而确保从外部无法撬开。从便捷性考虑，闭锁机构应能够自动弹开开锁，提高智能操作体验。
设计搭载无线供电模块的智能钥匙，这样可取消智能锁的内置电池，通过统一锁的接口或模块，实现钥匙的通开性。智能锁与智能钥匙间采用穿透性强、抗干扰性强的移频键控（FSK）来实现物联通信，解决了钥匙与锁的通信的问题即可建立安全防控体系。
2 基于移频键控的无源智能锁设计与研究
2.1 实现无线供电的无孔无源智能锁
配网设备基本位于户外，只有设计成无孔（无机械解锁孔）才可满足高防盗级别的要求，无孔无源就必须采用无线供电技术，且无线供电的过程不存在直接连接，避免了裸露导体和接触火花，具有使用安全、方便的优点。选用基于电磁感应原理的从电源发射线圈到接收线圈的电能无线传输，它主要由能量发送端、无接触变压器和能量接收端组成。
为了获得能量发送端与能量接受端的最佳匹配设计方案，确定传输效率区间，关键在于测算与调整能量转换效率的关键因素互感系数和共振频率。
能量发送端主要由整流滤波电路、高频逆变装置和控制电路构成，其主要功能是产生交流能力并使之通过分离功率变压器传输到能量接收器。能量接受端与变压器次级连接，具有可灵活移动特点，由输出整流滤波环节和控制电路构成，提供负载所需的电能量。发送器和接收器之间相对独立但又通过无接触变压器的磁场耦合具有能量相关性。
无线供电的最终设计方案，满足5W的功率要求，高达84%的峰值效率。同时增加外来物体检测（FOD）和增强型寄生金属检测（PMOD），从而防止由于无线电源传输场中错误放置金属物体而导致电源丢失在超负荷运行，降低功率损耗。
2.2 基于移频键控（FSK）通信技术实现锁的信息交互
对于已实现无线供电的无源智能锁，在钥匙与锁间没有直接接触的前提下，宜采用移频键控（FSK）的通信技术来进行信息交互。
移频键控通信基于调制解调技术。调制方式按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类，而数字调制有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）、移相键控（PSK）和差分移相键控 （DPSK）等。数字调制相对模拟调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。
移频键控（FSK）：用数字调制信号的正负控制载波的频率。当数字信号的振幅为正时载波频率为f1，当数字信号的振幅为负时载波频率为f2。把代表两个以上符号的多进制频率调制称为移频键控。移频键控能区分通路，但抗干扰能力不如移相键控和差分移相键控。
综合考虑信息的传输有效性和可靠性，频谱利用率，带外辐射，对邻近波道的干扰等方面，采用移频键控（FSK）作为无源智能锁与钥匙的无线通信调制方式，根据ISM频段，选择430MHz频率，将足够满足配网设备的运行环境。
2.3 配网用锁的安全防控架构
基于移频键控（FSK）的无源智能锁加上智能钥匙，结合安全管控终端软件和后台管理主站，建立一套配网智能锁的安全防控体系。
后台管理主站为统一的调度监控指挥平台，对智能锁的权限实施集约化的管理，对所有数据进行记录、统计、分析和监控。而智能锁作为体系中最根基的一环，对智能钥匙的控制指令进行交互与认证。
体系的安全在于无源智能锁的结构、性能以及内部逻辑实现流程;体系的防控在于管控终端软件、主站数据架构、流程、执行逻辑四个环节间的交互实施。安全防控体系的目标在于提升配网设备锁具的精益化管控。
3 应用无源智能锁提升配网安全防控水平
3.1 远程授权模式的应用
用户登入、权限管理、操作记录的逻辑判断过程，满足配网的常规流程。
当配网作业人员抢修，或需要临时增加作业范围时，可对设备用锁申请临时权限，管理员可在管理界面远程许可该权限，这样就缩短了作业人员回程取钥匙的时间，提高了效率。
3.2 辅助配网的精益管理
安全管控终端应用和后台获取以下数据：
（1）锁体故障：包括开关锁失败、模块故障、锁机械故障等;
（2）操作记录：锁具的操作人、操作时间和操作频度;
（3）巡检记录：设计有巡检模式，锁信息与终端获得的地理信息进行核定，匹配后方存储到位记录，主站可很据时间先后顺序查询配网设备巡检情况。
（4）位置寻址：通过终端软件，可快速地对计划操作的锁具进行定位寻址，缩短找寻时间。
以上数据，不仅对配网运维提供精益化辅助，更为工作核查提供了可靠依据。
3.3 建立配网智能锁及钥匙的管理模式
基于移频键控的无源智能锁适用包括配电站房、环网柜、分支箱、JP柜等配网电气设备，供电公司可以根据各部门、班组的工作要求和现场情况，与有关调度规程、运行规程、反事故措施结合起来，对智能锁进行试验、检查、维护，通过对钥匙实行统一管理、分级负责的原则，制定一套配网智能锁及钥匙的管理办法或实施细则。
4 结语
配电网的可靠运行是电网系统安全稳定运行的基本要求。因此，基于移频键控的无源智能锁在配网的应用符合发展趋势，基于无源智能锁作为物联网的终端节点，将来可融合配电物联网平台的运维优化工作，为配网的安全高质量生产运行提供保障，服务电网服务社会。
参考文献
[1] 沈保锁，侯春萍.现代通信原理[M].北京：国防工业出版社2002.
[2] 晁冰，李东生，雍爱霞.最小频移键控系统实现技术的仿真研究[J].现代电子技术，2002（12）：88-89.
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