电能计量箱用智能锁具的研究与应用

田瑞，刘朋远，金旭荣，周媛奉，胡婷婷

(国网宁夏电力有限公司营销服务中心，宁夏 银川 750011)

自国家电网公司建设坚强智能电网以来，电网变化日新月异[1]。随着供、输、配、用电等设备的造价和运维成本不断提高，电网公司对安全防盗、资产精细化管理及智能化管控的要求也随之提高。在营销计量领域，每年因用户窃电给电网公司造成了巨大经济损失，部分电力设备也遭到了损坏，增加了安全隐患和用电事故[2]。随着物联网技术、无线通信技术及云计算技术发展日趋成熟，给电能计量资产的运维和管理带来了先进的理念与方法。

1 存在问题

电能计量资产[3](包括电能表、互感器、采集终端、电能计量箱、通信单元、封印等)具有数量庞大、涉及面广、可靠性要求高等特点。作为尺寸最大的电能计量附属设备，电能计量箱内主要安装有电能表、互感器、采集终端等电能计量设备以及空气开关、断路器等，电能计量箱外安装有锁具以便对各计量设备进行保护。随着供电网络不断延伸，电力客户数量不断增加，传统电能计量箱用机械锁具对电能计量箱的开闭时间信息、解锁人员信息、业务巡检信息等无法做到有迹可循，这制约了企业经济效益的提高和优质服务工作的开展，主要表现在：

(1)在资产管理方面，因分布广泛，难以统计现场运行电能计量箱锁具的安装数量及现状，对锁具的缺陷只能发现一只，整改一只，资产精细化管理难度大。

(2)在安全管理方面，因电能计量箱锁具的使用环境复杂、点多面广，钥匙存在易私配以及万能钥匙的问题，一旦被非法分子拿到钥匙，将会造成很大的经济损失。

(3)在业务管理方面，对锁具的开启、关闭情况缺乏有效的监控手段，无法实时掌握人员、设备的状态信息，业务精细化难度大。

面对资产管理、安全管理、业务管理方面的问题，本文基于研发全新的智能锁具及管理方式，从而实现电能计量箱锁具的智能化和信息化，使电能计量设备资产管理更加安全、可靠和便捷。

2 总体方案设计

基于物联网技术、无线传输技术和云计算技术，设计并研发了一种电能计量箱用智能锁具,提出了整体架构由感知层、传输层、平台层和应用层构成的方案，如图1所示。

图1 电能计量箱用智能锁具整体方案

其中，感知层的智能锁具可用于低压居民计量箱、专变用户、分界室等设备门禁管理。同时移动作业终端通过与智能锁具之间的交互保存数据信息，通过网络上传数据至云平台。云平台对各类数据进行存储、分析、计算，支撑各类业务功能的运用。电能计量箱用智能锁具应用方案是由云平台、APP和智能锁具建立的立体化管理方式，通过密钥动态生成、人员操作过程管控、远程无线授权开锁等方式，实现对智能锁具从开锁到闭锁的全过程可视化管理，为提升电能计量设备资产精细化和智能化水平起到支撑作用。

2.1 应用技术实现

电能计量箱用智能锁具应用方案主要基于物联网技术[4]，建立云、管、端的应用方案。在端侧，通过智能锁具和设备的绑定，形成底层设备感知网络，通过与APP交互，实时上传锁具、设备等状态信息。在平台侧，通过广泛覆盖的移动通信网络接入智能锁具云平台，平台对海量数据进行存贮，并经过数据筛选、处理，为业务应用做数据支撑。在云端，通过在垂直细分领域的业务沉淀，为用户提供专业的业务应用及云计算服务，同时满足用户的定制化需求。

智能锁具采用NFC技术在改变解锁方式的同时，有效控制了智能锁具的成本。智能锁具通过业务上云的方式，能够为用户提供快速、便捷、专业的服务。

2.2 智能锁具性能要求

智能锁具内置NFC芯片，工作人员可使用移动作业终端[5]通过NFC技术进行解锁。每把智能锁具都存有独立密钥，且具备运算功能。解锁时，智能锁具通过与云平台下发的动态密钥验证开锁，整个密钥传输过程加密,计算机制复杂，实现了一密一钥的解锁方式，但整体开锁时间与机械钥匙无异，真正做到了安全便捷;同时，智能锁具需要适用于各种复杂的环境，因此对智能锁具的性能也有着较高的要求，本文研制的智能锁具满足以下性能要求：

(1)建立连接速度。智能锁具采用NFC通讯方式，具有高速率、高带宽和低功耗的特点，且与移动作业终端建立连接速度在3 s之内。

(2)工作温度。智能锁具工作温度具备工业级产品条件，适用于各种复杂环境中。

(3)防护等级。智能锁具防护等级为IP67，具备在室内外使用的条件。

(4)待机寿命。内置一次性锂亚电池，采用低功耗设计，待机寿命大于5年。

(5)开闭次数。智能锁具设计开锁次数大于10 000次。

2.3 云平台功能实现

云平台基于云存储技术[6]，主要用于海量的终端数据存储维护和基础设置，同时，云平台基于典型的物联网架构，对下为APP和智能锁具的使用提供数据和功能上的支撑，对上支撑各业务应用的有效开展。云平台通过与APP的信息交互共享，实现解锁权限有效管控，工作人员和移动作业终端可靠绑定，解锁密钥动态生成，作业过程可视化管理等功能，帮助电网公司实现电能计量资产的闭环管理，提升精细化管控水平。云平台主要功能如下：

(1)人机绑定。云平台可对工作人员、APP账号、移动作业终端进行同步绑定，每次登陆时验证相关权限，确保解锁的安全性。

(2)权限管理。云平台可根据业务需求、职权进行分级授权，实现审核、开锁权限的逐级管控。工作人员可申请辖区外的解锁权限，通过自动审批，可更加有效、便捷地处理应急事件。

(3)作业过程管控。平台可与巡检任务相关联，通过实时记录解锁人员、时间、工作记录等信息，实现人员信息与解锁信息绑定，操作行为与操作地点绑定，作业过程可视化管理的同时，实现业务巡检相关考核。

(4)密钥动态生成。通过随机生成的动态密钥，确保同一把智能锁具每次开锁密钥的不同，防止盗窃开启、随意开启，保证解锁安全性。

(5)资产复核。智能锁具安装时与设备同步绑定，对上传的锁具位置信息、设备异常信息和表计异常信息与系统(营销业务应用系统)内的资产进行校核，每次开锁过程实现营配贯通数据复核。

2.4 APP功能实现

根据总体方案，移动作业终端需具备NFC功能。通过内置的NFC功能，实现与智能锁具的交互解锁操作，通过移动互联网[7]，实现与云平台的数据交互。

用户还可通过APP进行权限申请审核、开锁记录查询、密钥下装等操作，实现便捷高效的体验。APP具备以下主要功能：

(1)开锁。用于解锁操作，有正常和离线两种解锁模式：正常模式下解锁，APP自动记录解锁时间、解锁人员等信息并同步至云平台；离线模式下解锁，需提前将设备解锁密钥下载到APP，即可进行解锁操作，密钥有效时长为8 h。

(2)锁具管理。通过移动作业终端实现对锁具的管理操作，可完成密钥下装、锁具安装、锁具更换和锁具解绑操作。

(3)记录查询。通过记录查询，可实时掌控解锁人员 、解锁时间、解锁类型等信息，可实现远程移动办公，方便快捷。

3 智能锁具应用场景

3.1 低压居民用户的应用

电能计量箱用智能锁具可应用在低压居民用户的计量箱中，有效实现对智能锁具以及设备开启、关闭过程的掌控，并准确了解到每个设备的详细解锁信息，提升了业务管理水平。

3.2 专变用户的应用

专变用户因用电量大，发生窃电现象较多，在电能计量箱用智能锁具的基础上加装物联网卡可实现异常状态的实时报警(如：暴力撬锁、剪断锁钩等)，当发生异常报警时，工作人员可及时收到报警信息并处理，有效地提升了锁具、设备的安全水平。

3.3 特点及优点

(1)智能性。通过APP智能高效地实现开锁、锁具管理、记录查询等功能。

(2)可靠性。通过云平台、APP的信息交互共享，能够实现对人员、终端和过程的可靠闭环管控。

(3)安全性。通过权限和密钥管理，有效防止了违规操作和盗窃开启，保证了锁具使用的安全性。

经过理论分析和实践验证，所设计的电能计量箱用智能锁具能够实现安全、可靠、便于使用的目的。

4 效益分析

通过从智能锁具性能以及管理模式的改进，防止了低压计量箱等设备的随意开启，有效保障了电网的设备安全及用户的用电安全，同时也减少了电网企业因窃电造成的经济损失。

通过系统运行锁具统计功能，查看锁具缺失和锁具故障数量，有效地堵绝了锁具管理混乱，私自拆挪锁具，减少锁具遗失造成的损失。

通过智能锁具与设备的相互绑定，每次工作人员开启锁具的过程就是对营配数据同步校核的过程，不必再为了提高营配数据的准确性而单独派出队伍巡查，既降低了成本，又提高了工作效率。

5 结 论

本文研制的电能计量箱用智能锁具以机械锁具所面临的问题为出发点，以当前迅速发展的物联网技术、无线传输技术和云存储技术为基础，开发设计了智能锁具、云平台和APP，实现了电能计量箱的精准开锁、闭锁、周期巡视、资产管理，提高了电能计量设备的现场安全运行水平，提升了电能计量设备的精益化管控水平，为电网公司智能电网、泛在电力物联网的发展打下了坚实基础。