基于无线供电技术的防误闭锁系统电脑钥匙及其锁具设计

夏圣峰, 殷自力, 陈宇星, 吴 竞, 谭 义

(1. 国网福州供电公司, 福建省福州市 350000; 2. 国网福建省电力有限公司, 福建省福州市 350003; 3. 珠海优特电力科技股份有限公司, 广东省珠海市 519000)

基于无线供电技术的防误闭锁系统电脑钥匙及其锁具设计

夏圣峰1, 殷自力2, 陈宇星2, 吴 竞2, 谭 义3

(1. 国网福州供电公司, 福建省福州市 350000; 2. 国网福建省电力有限公司, 福建省福州市 350003; 3. 珠海优特电力科技股份有限公司, 广东省珠海市 519000)

传统防误闭锁系统中电脑钥匙解锁均通过钥匙孔进行解锁,存在被技术解锁的缺点。文中提出一种非接触式解锁的电脑钥匙及其锁具,电脑钥匙通过磁耦合谐振式的无线供电技术对智能锁具进行供电,通过短距离无线通信技术与智能锁具进行指令交互,控制智能锁具内部的解锁机械结构动作,实现非接触式解锁。同时,描述了电脑钥匙及其智能锁具无线供电关键技术的设计方法与测试过程,测试结果与理论分析基本一致,满足防误闭锁系统技术指标要求,解决了传统防误解锁方式所带来的被技术解锁风险,提高了电力生产的安全性。

电脑钥匙; 磁耦合谐振式; 无线供电; 智能锁具; 非接触式解锁

0 引言

电脑钥匙广泛应用于防误闭锁系统中,操作过程中,电脑钥匙从防误主机中接收操作票,电脑钥匙给出唱票操作提示,运行人员按照电脑钥匙的唱票提示逐步进行正确解锁操作。若运行人员的实际操作与电脑钥匙的提示不符,则电脑钥匙发出报警并强制闭锁,从而有效避免误操作事故的发生。

随着电力运行管理模式的变化,防误系统对闭锁方式提出了新的要求,不断有防误闭锁新技术被引入防误系统设计当中。文献[1]提出在集控站监控系统中嵌入一套防误闭锁系统,实现对监控系统遥控操作的闭锁,从技术上解决了集控站监控系统进行遥控操作的防误问题。文献[2]采用先进的计算机技术、通信技术和抗干扰技术,设计了基于网络的防误闭锁系统电脑钥匙,可以保证对操作过程进行在线监控,这种防误闭锁系统电脑钥匙,既能减轻运行人员发生误操作的可能性,又为现代化运行操作方式提供了防误闭锁新方法。文献[3]利用微功耗无线网络也可以实现电脑钥匙在线解闭锁,解决了微机防误闭锁系统离线操作所带来的弊端。文献[4]提出一种以T89C51RC2为核心的非总线系统,并阐述了在此基础上另加继电器等外围器件实现电脑钥匙的各项功能,该设计克服了总线形式下走线繁琐的缺点,有利于电脑钥匙小型便携化设计,提高了电脑钥匙的抗干扰能力与工作稳定性。

以上文献都通过对电脑钥匙的技术更新,以及增加在线闭锁的方式来提高防误闭锁系统的安全等级,却忽略了传统电脑钥匙解闭锁方式给防误闭锁系统带来的安全风险。目前防误用电脑钥匙解闭锁方式主要为机械式的双杆解闭锁方式,也有部分采用机械式单杆解闭锁方式。单杆解闭锁方式与双杆解闭锁原理上基本相同,都是通过机械的方式拧动锁具内锁销来实现解锁。如果该锁具被安装在户外隔离开关闭锁点,解锁完成后就可以进行隔离开关的操作,由于有电脑钥匙防误逻辑的管理,此刻隔离开关的操作是安全的。但由于传统锁具存在被技术解锁的可能性,也就是说如果将传统电脑钥匙的解锁杆复制出来,它就可以变成一个万能钥匙,对任何双杆机械类锁具进行解锁,脱离电脑钥匙的解锁操作极容易带来电力生产安全事故。单杆解锁方式的原理基本与双杆一致,只是机械结构实现方式不同,它同样存在被技术解锁的风险。

因此,为消除目前防误系统中因闭锁方式缺陷所带来的防误操作漏洞,亟须设计一种新的解锁方式。本文提出一种基于磁耦合谐振式无线能量传输技术[5-8]的电脑钥匙及其锁具,它提供了一种新型的电脑钥匙防误闭锁方式,较好地解决了此问题。

1 电脑钥匙与智能锁具的设计

1.1 电脑钥匙与智能锁具硬件总体方案设计

方案框图如图1所示,由电脑钥匙与智能锁具(智能锁具包括智能机械类锁具、智能电气类锁具,由于锁具类型较多,本文只以智能机械挂锁为代表进行描述)两部分组成。电脑钥匙通过无线供电技术给智能锁具提供能量,其核心在于无线供电发射模块与接收模块的设计。

图1 系统原理框图Fig.1 Block diagram of system principle

电脑钥匙由微控制器(MCU)、发射线圈及其驱动电路、2.4 GHz短距离通信模块、霍尔检测模块、电池等模块组成。MCU主要完成系统的调度、防误闭锁逻辑处理、磁耦合谐振方波产生等功能;线圈驱动电路与发射线圈构成无线能量发射单元;2.4 GHz短距离通信模块作为与锁具进行解锁指令交互的通道;霍尔检测模块用于位置(磁钢)检测,当有锁具靠近时通知MCU进行无线供电;电池为可反复充电的锂电池。

智能锁具由接收线圈、全波整流与DC-DC电路,MCU,2.4 GHz短距离通信模块,磁钢,螺线管及其驱动电路组成。接收线圈、全波整流与DC-DC电路一起构成无线能量接收单元。2.4 GHz短距离通信模块与电脑钥匙中相同,磁钢与电脑钥匙中的霍尔检测模块构成位置检测单元,螺线管及其驱动电路构成锁具解锁机构。

整个方案设计的重点在于无线供电模块的设计,其直接关系到电脑钥匙是否能够提供足够的能量给智能锁具,以保证稳定地完成解锁,其能量传输路径如附录A图A1所示。电池能量通过上述路径传递给锁具,锁具中的螺线管在操作指令的控制下带动锁销动作,从而实现解锁。

1.2 无线供电发射模块的设计

如附录A图A2所示,无线供电发射模块位于电脑钥匙中,它完成能量从电脑钥匙到智能锁具的无线传输。在该模块中,采用了内部集成有一个半桥驱动器的TI CSD97376Q4M作为线圈驱动器,磁耦合谐振方波由MCU MSP430F5529产生,该谐振方波信号控制集成在CSD97376内部的场效应管(FET),将电池能量通过发射线圈以谐振频率发送出去。

1.3 无线供电接收模块的设计

无线能量的接收端位于锁具内部,如附录A图A3所示,接收线圈与补偿电容组成的谐振回路的谐振频率保持与发射端一致。当发射端在谐振状态下的磁场能量耦合到接收回路后,会在接收线圈上形成感应电动势,经过全波整流与DC-DC电路形成后续负载所需的电源。

附录A图A4为无线供电接收线圈、补偿电容与全波整流电路的原理图,TP11与TP12接接收线圈的两端,C16为17 nF的并联补偿电容,D4至D8组成全波整流电路,C25为10 μF的滤波电容。

1.4 无线供电线圈的设计

在本文的设计中,线圈的设计与制作是一个重要的环节。线圈的形状、导线线径的变化都会影响能量传输的质量与效率。因此在线圈制作时应遵循如下两条规则:①在相同线圈材料的情况下,选择圆形线圈,圆形线圈条件下的磁耦合面积比方形线圈大;②为减少趋肤效应对传输效率的影响,应采用双股或多股绕线。在此基础上制作了符合锁具结构尺寸要求的两组线圈A与B,参数如表1所示。

表1 两组线圈参数Table 1 Parameters of two coils

在补偿电容都为27 nF的情况下,分别对A,B线圈进行测试,B线圈的测试结果明显优于A线圈。如附录A表A1所示,发射功率相同时,A线圈和B线圈条件下的最大负载功率分别为780 mW和960 mW,除去发射端与接收端的两个DC-DC的效率,A线圈和B线圈下负载端的功率分别为631 mW和777.6 mW。考虑实际设计中电脑钥匙的结构尺寸要求,选择B线圈作为使用线圈,规定锁具最大负载功率不能超过0.5 W。

1.5 谐振频率的计算

图2所示为测量得到的传输效率与谐振频率之间的关系曲线。可以看出,306 kHz为理论谐振频率,321 kHz为实际谐振频率,该频点的偏移与锁具本身材料有关,不同的材料通过这种测试方法都可以得到实际的谐振频率,通过软件调整电脑钥匙MCU的谐振频率输出参数就可以灵活地满足谐振要求。上述数据均基于设计所采用的锌合金外壳、铜质锁芯的锁具下得到。

图2 传输效率与谐振频率的曲线Fig.2 Curve of transmission efficiency versus resonance frequency

2 解闭锁流程设计

解锁控制流程如图3所示。所有流程均由霍尔检测模块触发开始,无智能锁具靠近时,霍尔检测模块无输出,电脑钥匙处于睡眠状态;当电脑钥匙靠近智能锁具时,霍尔检测模块检测到磁钢,激活电脑钥匙开始给智能锁具无线供电,再通过2.4 GHz短距离通信获取固化在智能锁具内的身份ID码,然后判断其是否符合防误闭锁逻辑操作。在符合防误闭锁逻辑的条件下,通过2.4 GHz发送解锁命令,并获取解锁状态,将其写入防误逻辑设备状态表中,保证防误逻辑设备状态的实时更新,具体如图3所示。

图3 电脑钥匙解锁流程Fig.3 Unlocking flow chart of computer keys

电脑钥匙设计霍尔检测模块的目的在于作为低功耗下激活的触发开关,这样电脑钥匙可以在空闲状态一直处于低功耗状态,因而节省出更多的电池能量用于给锁具无线供电,增加了解锁次数。

3 效果验证

如附录A图A5所示,电脑钥匙与锁具之间不存在钥匙孔,解锁过程只需将电脑钥匙与锁具靠近即可,不需要将电脑钥匙插入锁体内。关键参数的选择如下。

1)线圈参数。电感量:10 μH;直流内阻最大值:600 mΩ;尺寸:直径15 mm,具体如附录A表A3所示。

2)工作频率:321 kHz。

环境温度测试结果如表2所示。电气特性测试结果如附录A表A4所示。

表2 环境温度测试结果Table 2 Test results under different temperatures

根据上述测试结果,该无线供电非接触式解锁方案满足技术指标要求,测试结果基本与理论分析结果保持一致,基本满足防误闭锁性能指标要求。

4 应用效果分析

本项目已在国网福州供电公司投运,闭锁应用现场为仓山分局。设备配置情况:电脑钥匙4把,并在仓山局大楼配电站、上三北1号至3号环网柜、盖山粮食管理站配电室3个站房安装智能锁具,自2015年6月8日投运以来,运行正常。采用室外智能高压带电指示器、智能机械挂锁、智能面板锁、智能把手锁作为环网柜与配电站门的闭锁设备,现场闭锁锁具安装示意图见附录A图A6。

因为不存在解锁钥匙孔,只能通过电脑钥匙才能进行解闭锁,杜绝了技术解锁的可能性,保障了电力的安全生产,具备推广的价值。

5 结语

本文介绍了一种基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的防误闭锁系统电脑钥匙及其锁具,它由无源智能锁具与电脑钥匙两部分组成。电脑钥匙完成防误逻辑判断、无线电能传输控制、解锁控制等功能;无源智能锁具在非接触解锁方式下完成闭锁功能,其解锁距离可以保证在3～5 mm内都有效,它与电脑钥匙配合可以组成基本的电力防误闭锁执行单元,基本解决了传统电力用锁具存在被技术解锁的安全风险,可以广泛应用于主网防误闭锁、配电网防误闭锁系统中,大大提高了电力生产的安全性。

但在测试过程当中,也发现该电脑钥匙及其锁具在-40 ℃低温环境下的解锁次数偏少。因此,下一步将在无线供电线圈尺寸、形状、输出功率3个技术指标设计方面进行优化,使输出功率提高到1 W的情况下,将供电线圈外径缩小到10 mm,这不仅促进了电脑钥匙设计的小型化,而且可大幅提高低温环境下防误闭锁的解锁次数,可更好地满足国内北方地区尤其是东北地区低温环境下的防误闭锁操作要求。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Design of Computer Key and Its Lock for Anti-misoperation Locking System Based on Wireless Power Supply Technology

XIAShengfeng1,YINZili2,CHENYuxing2,WUJing2,TANYi3

(1. State Grid Fuzhou Power Supply Company, Fuzhou 350000, China; 2. State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350003, China; 3. Zhuhai Unitech Power Technology Co. Ltd., Zhuhai 519000, China)

In the traditional anti-misoperation locking system, the electric locks are all unlocked through the key hole, thus causing the disadvantage of being technically unlocked. An intelligent non-contact unlocking system is proposed, in which the computer key supplies power to the intelligent lock through magnetic coupling power transmission technology, and interchanges instructions with intelligent lock through short distance wireless communication technology for controlling the internal mechanical structure of intelligent lock to realize non-contact unlocking. Meanwhile, the design method and testing process of the key technology of the wireless power supply are described. Testing results are basically identical with the results of theoretical analysis. The new design can meet the requirement on technical specifications of interlocking, thus eliminating the possibility of technical unlocking and improving the safety of electric power production.

This work is granted by Utility Model Patent (No. ZL 201520090849.2).

computer key; magnetic coupling resonance; wireless power supply; intelligent lock; non-contact unlocking

2016-12-07;

2017-03-30。

上网日期: 2017-05-26。

实用新型专利(专利号:ZL 201520090849.2)。

夏圣峰(1985—),男,通信作者,硕士,主要研究方向:配电网运行管理。E-mail： 175702086@qq.com

殷自力(1982—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力系统分析与控制。

陈宇星(1975—),男,高级工程师,主要研究方向:电力系统分析与控制。

(编辑 章黎)