物聯網技術在電力行業機柜、機箱管理中的應用探討

王子暢　許純愷　朱丹燕　壽佳玨　程玉

【摘 要】物聯網技術得益于互聯網技術、無線通訊技術、傳感器技術、云平臺及大數據處理技術的發展，近年來在各行業中的應用取得了良好的效果。在電力行業中，有企業將物聯網技術應用到機箱機柜的安全管理領域，開發了NB-IoT物聯網智能電力箱鎖，成功解決了目前日常管理中遇到的一些問題，借助物聯網技術，能夠做到遠程監控、異常事件記錄、開閉鎖控制等。該技術理念先進、應用潛力巨大，值得行業內進一步進行探討和研究。

【關鍵字】物聯網;電力機柜;智能鎖

中圖分類號： TP391.44;TN929.5;TP277文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）34-0246-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.116

Discussion on Application of Internet of Things Technology in Cabinet and Cabinet Management in Power Industry

WANG Zi-chang XU Chun-kai ZHU Dan-yan SHOU Jia-jue CHENG Yu

（State grid Shanghai electric power company qingpu power supply company， Shanghai 201799， China）

【Abstract】IOT technology has benefited from the development of Internet technology， wireless communication technology， sensor technology， cloud platform and big data processing technology. In recent years， it has achieved good results in various industries. In the power industry， some enterprises have applied the IOT technology to the security management field of chassis cabinets， and developed the NB-IOT intelligent optical box lock， which successfully solved some problems encountered in daily management. With the help of IOT technology， the managers can achieve remote monitoring， abnormal event recording， open and close lock control.The advanced technology concept and huge application potential are worthy of further exploration and research in the industry.

【Key words】IOT; Power cabinets; Smart locks

1 電力行業機箱機柜日常管理現狀

電力系統在由于自身發展的特點，在數量龐雜的輸變電線路上，密布著各種控制單元，控制單元往往安置在機箱及機柜中。這些機箱、機柜在傳統管理中，存在以下問題：

（1）指揮調度難，作業不及時，故障處置延宕。

（2）配變電量采集箱分布廣泛，設備被損壞、遷移，管理人員不能及時獲知設備狀態。

（3）配變電量采集箱數量大，且不斷增長，對大量箱體的鑰匙人工管理困難。

（4）施工、巡檢人員頻繁更換，無法對開箱人員和時間進行有效管理。

（5）由于監管困難，大多數電力箱的門禁遭到破壞，或門鎖常年處于開啟狀態無人問津，造成設備的故障。

2 電力柜智能鎖設計目標及思路研究

2.1 電力柜智能鎖設計目標

鑒于配電箱、配電柜的上述管理特點，想要研發出一套電力柜智能鎖，必須解決這些問題，并且實現物理鎖的機械部分功能。因此，電力柜智能鎖設計目標定位為研發一種具備數據互聯功能的智能鎖具，其必須要具備的特點如下：

（1）安全性高，其秘鑰設置能夠達到或超越傳統機械鎖芯，并且不會對輸變電配電柜本身運行造成干擾。

（2）具備數據傳輸及控制空能，通過加裝數字模塊及傳感器，能夠實現數據上傳、授權管理，無鑰匙開關鎖等功能。

（3）安裝方便，完全模塊化設計，不需要對配電柜進行大修改，充分利用原有鎖孔。

（4）操作簡便，設計多平臺的操縱方式，可以使用PDA、手機或其他移動終端直接操作，操作可視化程度高。

（5）功耗較低，滿足智能鎖長時間運行，提高經濟性。

2.2 電力柜智能鎖設計思路

要實現上述設計目標，按照軟硬件分離的原則，可以將設計且分為硬件部分設計及軟件部分設計，并由硬件設計部分考慮信號接口設計，實際上智能鎖部分可以考慮為一種物控聯防系統，因此設計思路及研發路線如下圖1所示。

其中，硬件部分主要實現分功能分為物理機械鎖芯及聯網控制器，作為鎖具最終動作部分，物理機械鎖芯部分主要實現的功能可以進一步細分為四塊，即遠程控制開鎖、本地開鎖、應急開鎖、鎖舌狀態上報。聯網控制器需要實現的功能有基于傳感器和設計邏輯實時報告異常、本地休眠喚醒、實時上報開鎖事件信息、定時自檢等。

軟件部分包括信息管理、安全控防、日常維護三個模塊。信息管理為基礎級模塊，主要功能包括地圖顯示及定位功能、站點信息管理、物聯設備信息管理、人員ID管理等。安全防護模塊主要功能有物聯設備狀態監測和顯示、開關鎖授權管理和信息呈現、告警信息提示及推送。日常維護模塊主要為管理性信息推送，包括工單信息、巡檢信息、人員信息及告警信息等。

3 電力柜智能鎖硬件部分介紹

3.1 物理機械部分介紹

由于傳統的老式機械鎖不具備電控功能，因此需要對原鎖進行升級改造，但改造的幅度不大，主要需要增加的內容包括物聯監控模塊、電控門鎖、門磁感應，及按照顧客需求增加的各種傳感器模塊。

其中，除電控門鎖需要對電力柜柜門原鎖孔進行擴孔工作，其余部分均可采用掛載或格架固定的方式安裝至原有電力柜中，不會破壞原電力柜結構及布線、功能等。

其中，鎖體采用電機不采用電磁鐵，主要特點為：

（1）功耗低：電機工作電壓3V，工作電流≤100mA，電磁體工作電壓3V，工作電流≤400mA。

（2）極限溫度下工作穩定性好：電磁鐵在接近-40℃或者70℃時，穩定性沒電機好。

（3）抗干擾性強：電磁鐵在強磁環境下不穩定或失去作用。

內部控制器的主要特點為：

（1）尺寸小巧，電池獨立封盒，無需打開控制盒即可更換電池，可選鋰離子和鋰亞電池，容量根據客戶對壽命要求。

（2）真一拖二設計，獨立控制兩把鎖。

（3）超低功耗休眠設計，整機休眠電流小于50μA。

（4）在NB-IoT信號滿足覆蓋條件（RSRP>-110dBm且SINR>10dB）的情況下，每次開鎖時間<4秒。

傳感器模塊部分包括：柜門開關傳感、柜內浸水傳感、柜內溫濕度傳感、柜體傾斜震動傳感、柜內煙霧傳感器。另外，在安裝時可通過GPS精確定位電力柜位置。

3.2 電力柜智能鎖聯網控制部分介紹

3.2.1 內部控制器網絡選擇

由于電機柜的離散分布，且長時間無人值守的特點，要求數字控制模塊及網絡部分需要數據連接穩定，且待機時間要長，考慮到上述原因，選用NB-IOT技術作為基礎就顯得十分合理。

NB-IOT即窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）已成為萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。[1]

另外，NB-IoT是IoT領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。[2]

3.2.2 內部控制器模塊部分設計

在內部控制器進行設計時，由于電力柜尺寸限制，控制結構必須緊湊，因此整個內部控制部分分為五個主要模塊，業務處理器，NB聯網模塊，SIM卡模塊、藍牙模塊及電池模塊，架構框圖如下：

硬件規格包括：

（1）真一拖二設計，獨立控制2把鎖

（2）內置NB-IOT模組

（3）內置高性能NB-IOT天線

（4）支持SIM插槽或焊接eSIM

（5）內置藍牙4.2芯片

（6）可選內置高精度溫濕度芯片

（7）可選內置高精度陀螺儀芯片

傳感器模塊包括了標配傳感器及選配傳感器：其中，標配傳感器包括柜門開關傳感（外接行程開關或門磁） 以及柜內浸水傳感（外接浸水傳感器）。除此之外還有3款選配傳感器，分別為柜內溫濕度傳感（內置溫濕度傳感器）、柜體傾斜震動傳感（內置陀螺儀）、柜內煙霧傳感器（外接低功耗煙感傳感器）。顧客可以根據自身的實際需要進行模塊選配。

3.3 智能聯網控制模塊設計特點

上述設計的主要特點主要包括四方面：

一是全面支持NB-IOT網絡，目前電信、移動、聯通頻段均可以選擇，極大提高的顧客的自由度。

二是采用可了超低功耗休眠設計，整機休眠電流小于50μA，根據已有機型實測，單控制器實測待機功耗為45μA左右，每日耗電1mAH左右 。

三是電路耐高低溫防潮防霉，內置看門狗，保障最大可用性。

四是顧客可以選擇鋰離子和鋰亞電池電池，容量根據客戶對壽命要求。

4 電力柜智能鎖軟件部分介紹

4.1 帶有加密算法的遠程授權的實時藍牙電子密鑰

作為安全模塊的核心，密鑰的安全性與否決定了整個系統的可靠性，因此，企業選擇開發帶有加密算法的遠程授權的藍牙電子秘鑰，這種方式通過特定的規則及算法來保證密碼生成與校驗的非對稱性，同時通過NB-IoT和BLE來傳輸的密碼來保證交互的功耗。

具體步驟如下：

步驟1：操作員在移動端APP上選擇需要獲取一次性藍牙電子密鑰的智能電力箱鎖。

步驟2：移動端APP箱云服務器發起獲取一次性藍牙電子密鑰請求。

步驟3：云服務器將當前時間按年、月、日、時、分、秒分組后組合成32bit的元數據，然后利用AES對稱加密算法對result進行打包，并返回給移端APP。

步驟4：移動端APP開啟藍牙，一旦同步成功就向智能電力箱鎖發送前面從云服務器獲取到的密碼。

步驟5：智能電力箱鎖通過私鑰先對密碼進行解密，若有效便開啟智能電力箱鎖。根據門鎖本地算法及密碼特征，一旦成功開啟，密碼便失效不能第二次使用。

通過上述設計，整個電子秘鑰具備以下三個特點。

（1）時效性約束：規定密鑰的有效時間為1天，云服務器以精確到秒的時間來生成密鑰，這樣即使移動端APP未使用從云服務器獲取的密鑰進行開鎖，在有效時間到期后密鑰同樣會失效。

（2）使用次數受限：通過智能電力箱本地算法，APP從云服務器獲取到的密鑰在使用一次后便失效。

（3）密碼唯一：密鑰生成以鎖的IMEI以及時間（精確到秒）作為元數據，并通過算法稀釋碰撞幾率來保證密碼的唯一性。

4.2 手機APP遠程控制模塊介紹

考慮到現有智能手機的普及，從考慮投入成本的角度出發，沒有必要重新開發物理計算機平臺，只需在現有手機基礎上開發APP模塊即可，APP管理模塊可實現遠程開鎖、手機藍牙開鎖、更換設備、開鎖記錄查詢，分級管理、遠程授權以及與運維派單平臺對接等功能。

該APP開發時，充分考慮到一線操作人員的實際使用需要，優化了人機交互界面，降低了誤操作的可能性，并對相關人員采取了分級管理，不同級別的人員根據授權職能看到相對應的管理模塊。

5 結束語

隨著5G時代的到來，物聯網技術即將迎來一個全新的時代，NB-IoT物聯網智能電力箱鎖作為先行者，成功的利用物理網技術解決了現有電力中的管理難題，物聯網技術的發展必將不斷改變人們的生活，給人們帶來更多的便利。

【參考文獻】

[1]Wang Y P E ， Lin X ， Adhikary A ， et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things（NB-IoT）[J].IEEE Communications Magazine， 2016， 55（3）.

[2]Sinha R S ， Wei Y ， Hwang S H. A survey on LPWA technology： LoRa and NB-IoT[J]. Ict Express， 2017，3（1）.

[3]李勛，龔慶武，喬卉，et al.物聯網在電力系統的應用展望[J].電力系統保護與控制，2010，38（22）：232-236.

[4]林為民.云計算與物聯網技術在電力系統中的應用[M]. 中國電力出版社，2013.