闵 雄¹，赵 力²

（1.广东平方科技有限公司，广东 珠海 519000；2.国网青海海南供电公司，青海 海南 813000）

0 引言

锁具在电力能源企业安全生产中涉及大量重点设施、设备和物品管理。如户外环网柜、充电桩、风电机等，这些设备地理位置分散、种类复杂、数量繁多，借用频繁，日常运维作业中涉及工作面大、距离远、交叉频繁的问题[1-2]。特别是在电力行业中多用在防误领域。目前广泛采用传统机械锁具，利用大量机械钥匙进行管理，主要存在如下问题：（1）锁具与钥匙数量大，一一对应，查询取用效率低；（2）机械钥匙缺乏防护措施，钥匙管理粗放，易丢失、易复制；（3）生产作业交叉频繁，授权难、记录难；（4）缺乏科技手段，过程管理和监督缺乏，安全风险突出。部分有源智能锁具方案可实现智能化管理，但依赖内外部电源，维护难度大、可靠性低、实施复杂，且需要专用钥匙，互联网应用水平低，难以实现智能安全控制[3-4]。

在当今社会大力发展物联网、智能制造的趋势下。电力行业对传统锁具也提出了新的需求[5]。国网公司在2021年1月29日发布了《Q/GDW 12027-2020智能物联锁具技术规范》。主要是基于蓝牙技术路线。目前市面上蓝牙技术的锁具，分为在线和非在线两种。在线的蓝牙锁具内置电池，配合状态监测单元可以获得锁具的实时开闭状态。非在线的则无此功能。内置电池因寿命和体积限制，开锁所需功耗大，一般只作为状态供电，不作为开锁动力供电。所以通常用另外的专用锁具供电器配合手持终端进行开锁操作。手持终端先和专用锁具供电器通讯，然后专用锁具供电器通讯再和锁具通讯，执行手持终端的开锁指令。用户在使用时的体验感有待提高。特别是在北方低温地区使用，开锁可靠性及寿命问题更为突出。

南网公司也在2021年公布了《电力智能物联安全锁具技术标准》征求意见稿。包含了基于蓝牙技术和基于NFC（Near Field Communication）技术的智能锁。基于NFC技术的智能锁因为免去了电源维护，在取电比较复杂的环境下优势比较明显，但是其供电功耗低，可转换的力矩有限，和传统机械锁具结构相比，设计上若无较明显的突破，将导致开锁行程和开锁力量不够而无法开锁的问题。有些产品为平衡力矩、寿命、供能功耗的问题，常常采用减小开锁的相关行程和弹簧的弹力来实现，但却发现在户外使用或振动环境下，锁具很容易自动打开，安全性存在很大问题。也有一些仅利用NFC来通讯开锁指令，同时使用单独供能方式类型锁具。这种并不是真正意义上的NFC无源智能锁具[6-7]。

基于上述问题及行业发展趋势，为实现电力设备的安全稳定运行，避免发生误操作等安全事故，实现对电力安全防误锁具及钥匙的集中统一管理，免电池维护的无源供电智能锁具及管理系统，以提高防误运行、维护、管理水平和工作效率的需求变得急为迫切。

1 防误锁具结构组成

基于NFC无源供电技术的防误锁具通过NFC读码时，对锁具进行通信的同时供电，通过机电设计，在保证锁具安全可靠的情况下，实现开锁操作[8-9]。锁具内部无电池，也无需要通过外接供电器或供电线之类的专用设备来供电开锁，主要由锁梁及锁体、减速电机、电路模块组成。锁梁用来闭锁电力设备，如刀闸、柜门、开关等。锁体内部包括用来闭锁和释放锁梁的机械传动结构。电路模块为减速电机提供电能。减速电机动作后完成触发锁体内部用来闭锁和释放锁梁的机械传动结构工作。锁梁被释放后，作业人员即可对相应电气设备进行下一步的操作，从而实现对闭锁对象设备的有效闭锁管理。整个产品的主要技术难点体现为电路模块能量的采集和特殊的微功耗传动机构设计两方面。特别是机构传动设计的部分，直接决定产品能否成功实现开锁功能。

2 主要组成设计

2.1 电路模块

基于NFC无源电路模块使用一款通用型NFC无线MCU，支持ISO14443A标准协议。在提供通用双端口标签的通信与存储功能的同时，极大地提升和扩展了传统被动NFC接口的效能和功能。是传统被动接口2倍或更高的天线效率。还提供了无与伦比的NFC无线能量采集能力。结合安卓或者苹果手机，电路模块可无电池运行，同时提供最高达300 mW的直流电能。可驱动电机，或为超级电容充电。主要包括NFC天线、NFC主控芯片、能量存储和能量监测电路、电源控制电路、电机驱动电路。通过NFC天线获取外部电能，作为供电电源，实现锁具的解闭锁电动控制[10-11]。具体原理如图1所示。

图1 工作原理

2.2 执行机构

闭锁的执行机构形式可以多种多样，如挂锁、旋转把手锁、栓式锁等，本文以防误挂锁为例。电机带动电机凸轮作圆周运动，推动开锁盘旋转，当旋转到一定角度时，闭锁拨叉在开锁主弹簧向上的作用力及自身复位扭簧顺时针方向力作用下迅速发生顺时针旋转，进入开锁盘的避位凹处，从而放开锁梁，完成开锁动作。传感器1检测锁梁远离，即为开锁的状态。传感器2检测电机凸轮的位置状态。

上锁时，手动下压锁梁，闭锁拨叉在锁梁的压力下逆时针旋转，此时，闭锁拨叉退出开锁盘的避位凹处，开锁盘在复位扭簧2的作用下完成复位。闭锁拨叉即顶在开锁盘的外侧。完成上锁。主要力矩优化设计如下：（1）不直接对抗主开锁弹簧产生的弹力，主开锁弹簧力通过结构设计将其转化为圆弧或斜面接触点切点的压力，可减小一半以上；（2）通过杠杆原理，将上述压力利用长度比再次减小一半以上；（3）此时压力通过两个圆柱的接触面转变为摩擦力，进一步减小；（4）最后利用开锁盘与电机凸轮盘形面的齿轮副比，压力再进一步减小。

此机构通过在驱动机构和限位机构之间设置摩擦传动以及设置摩擦副的传动比，降低解锁时驱动机构转动限位机构需要输出的开锁力。同时可以在开锁的行程设计上，将传统的单点凸轮设计为2点或以上多点凸轮。从而减少开锁时的空转时间。提高开锁的响应时间及用户体验感觉。结构原理如图2所示。

2.3 应用架构

防误的主要目的是避免作业人员失误造成生命或财产安全，保障电力安全运行。所以每个电力设备开关、刀闸都有对应的锁具，并按作业需要进行开锁授权管理、开锁逻辑顺序管理。防误系统架构以受控设备为安全控制对象，系统主要由锁控云、锁控主机、移动终端（手机/PDA/iKEY）、智能锁具装置4部分构成[12-13]。具体如图3所示。

图3 应用架构

（1）锁控云是系统综合运行管理中心，提供基于云端的业务管理，包括用户权限、设备目录、操作日志、数据存储。可根据需要提供私有云应用模式、公有云应用模式或混合云应用模式进行部署。

（2）锁控主机是用户私有云或数据运行的基础设施。用于保存需要进行私有云部署的用户私有数据，包括本地设备信息、业务逻辑、锁具数据、权限等核心数据。

（3）移动终端是用户根据管理和业务目标执行开闭所操作的执行机构，根据应用规模和配置差别，可分为智能移动终端和iKEY（通开型）。含NFC读码能力的手机或PDA智能移动终端均可作为智能移动终端，安装有专用锁控App，通过锁控App与后台系统进行操作任务交互管理、权限鉴别，实现对锁具的识别、无线供电、逻辑管理和行为记录功能。iKEY（通开型）是一种简化的通开型小型开锁钥匙，可以根据需要注册锁具，并对注册的锁具实现电子化通开管理，拿到钥匙及授权。

（4）智能锁具装置是具备NFC无源供电技术的智能锁具。支持NFC读码通信和功能，无内置电池，具备全封闭设计，可以是挂锁、旋转把手锁、栓式锁等不同结构形式。

3 应用实践和分析

该技术目前已在部分供电局投入运行，主要用于主网变电站、配电网环网柜变电房等电力设施设备的安全管控与防止误操作管理。主要包括爬梯通道门安全、电气刀闸操作、检修安全隔离等，尤其是电气、通道门、操作机构、机构箱的日常检修与操作，特别是安全或解闭锁的逻辑顺序过程操作管理。可直接通过系统操作完成包括申请使用、授权开锁、过程记录、锁具联锁等生产工艺、检修作业、危险点管控、安全管理类业务。替代了传统机械锁具或传统电器电子锁具。

加林站智能安全锁控系统通过NFC智能锁具实现对变电站公共设施爬梯、通道门的安全闭锁管理，覆盖爬梯、门、把手共计40余套，使用NFC智能挂锁150把，系统通过在线授权进行管控，使用1年多以来，经历了海边潮湿、雨水、高温、高盐环境的考验，设备运行良好。

苏州吴中供电中心的智能安全锁控系统通过NFC智能锁具实现对配电环网柜门的安全闭锁管理，覆盖全区，使用NFC智能挂锁近600把，系统通过在线授权进行管控。运行良好。

黄骅港煤炭样品保密试点项目1期工程，采用150把NFC智能锁替换原有24个车间70多组集样器、样品柜所采用的300多把传统机械挂锁，彻底改变了过去样品保密管理中钥匙满天飞、管理登记无序、随意混乱的状态，加强了样品安全管控，降低了作弊风险。使用1年多以来，经历了海边潮湿、雨水、2020年超低温寒潮的考验，设备运行良好。

在实际使用及培训中，也发现一些需要优化的问题。如操作方法的问题，目前市面上手机型号较多，且不同手机品牌对操作系统及NFC功耗的优化程度不一。不同手机的信号强弱有一定区别。且操作人员需要了解自己的手机，确认手机支持NFC，并确认手机NFC的信号位置，在操作时将信号中心对准锁具中心才能进行有效操作。目前通过使用PDA来进行操作可以避免此问题。典型现场运行如图4所示。

图4 典型现场运行

4 结束语

基于NFC近场通讯技术属于最安全的通信技术之一，目前NFC功能已经成为智能手机终端设备的标准配置，广泛用于读码、身份识别、金融支付等领域。NFC无源技术路线的智能锁具的出现，改变安全锁控管理的模式。主要优点如下：（1）智能锁具内部无需电源，免维护，部署简单；（2）锁具全封闭设计，无机械开锁孔，户外环境适应能力强；（3）移动操作装置通用性强，触碰开锁，操作便捷；（4）支持远程网络授权，可实时交互，效率高。

结合防误软件授权作业管理，可自动记录追踪，增加了设备运行安全的可靠性，消除了人为安全隐患，能够有效解决设备运行管理安全管理方面存在的问题，消除运行风险。不仅在电力领域，在轨道交通安全管控领域，可用于车辆段、供电段、机务段、工务段的特种设备安全管控，包括电气安全管控、信号机安全管控、场站公共设施安全管控等。在石油化工安全管控领域，可用于油气化工等高危险行业，通过设置安全联锁系统，对操作维护的安全性、逻辑系统、系统可靠性和可用度等方面实现安全联锁，加强对管道阀门作业的安全工艺管控，能有效保障系统安全运行。在有安全管理，工艺逻辑管控的行业应用领域具有十分广阔的前景。

基于NFC近场通讯技术为无源化，不仅符合电网公司物联网的建设要求。能有效地满足智能化管理、安全管理、数据管理、集中可视化管理的需求，同时，无源供电的技术路线也符合国家能源环保节能的可持续发展战略。相信随着成本的不断降低，在工业物联网时代，基于NFC无源供电技术的防误锁具将不断扩大市场占有率，并在防误领域发挥巨大的作用和价值。