物联网技术在电力行业机柜、机箱管理中的应用探讨

王子畅　许纯恺　朱丹燕　寿佳珏　程玉

【摘 要】物联网技术得益于互联网技术、无线通讯技术、传感器技术、云平台及大数据处理技术的发展，近年来在各行业中的应用取得了良好的效果。在电力行业中，有企业将物联网技术应用到机箱机柜的安全管理领域，开发了NB-IoT物联网智能电力箱锁，成功解决了目前日常管理中遇到的一些问题，借助物联网技术，能够做到远程监控、异常事件记录、开闭锁控制等。该技术理念先进、应用潜力巨大，值得行业内进一步进行探讨和研究。

【关键字】物联网;电力机柜;智能锁

中图分类号： TP391.44;TN929.5;TP277文献标识码： A文章编号： 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 电力行业机箱机柜日常管理现状

电力系统在由于自身发展的特点，在数量庞杂的输变电线路上，密布着各种控制单元，控制单元往往安置在机箱及机柜中。这些机箱、机柜在传统管理中，存在以下问题：

（1）指挥调度难，作业不及时，故障处置延宕。

（2）配变电量采集箱分布广泛，设备被损坏、迁移，管理人员不能及时获知设备状态。

（3）配变电量采集箱数量大，且不断增长，对大量箱体的钥匙人工管理困难。

（4）施工、巡检人员频繁更换，无法对开箱人员和时间进行有效管理。

（5）由于监管困难，大多数电力箱的门禁遭到破坏，或门锁常年处于开启状态无人问津，造成设备的故障。

2 电力柜智能锁设计目标及思路研究

2.1 电力柜智能锁设计目标

鉴于配电箱、配电柜的上述管理特点，想要研发出一套电力柜智能锁，必须解决这些问题，并且实现物理锁的机械部分功能。因此，电力柜智能锁设计目标定位为研发一种具备数据互联功能的智能锁具，其必须要具备的特点如下：

（1）安全性高，其秘钥设置能够达到或超越传统机械锁芯，并且不会对输变电配电柜本身运行造成干扰。

（2）具备数据传输及控制空能，通过加装数字模块及传感器，能够实现数据上传、授权管理，无钥匙开关锁等功能。

（3）安装方便，完全模块化设计，不需要对配电柜进行大修改，充分利用原有锁孔。

（4）操作简便，设计多平台的操纵方式，可以使用PDA、手机或其他移动终端直接操作，操作可视化程度高。

（5）功耗较低，满足智能锁长时间运行，提高经济性。

2.2 电力柜智能锁设计思路

要实现上述设计目标，按照软硬件分离的原则，可以将设计且分为硬件部分设计及软件部分设计，并由硬件设计部分考虑信号接口设计，实际上智能锁部分可以考虑为一种物控联防系统，因此设计思路及研发路线如下图1所示。

其中，硬件部分主要实现分功能分为物理机械锁芯及联网控制器，作为锁具最终动作部分，物理机械锁芯部分主要实现的功能可以进一步细分为四块，即远程控制开锁、本地开锁、应急开锁、锁舌状态上报。联网控制器需要实现的功能有基于传感器和设计逻辑实时报告异常、本地休眠唤醒、实时上报开鎖事件信息、定时自检等。

软件部分包括信息管理、安全控防、日常维护三个模块。信息管理为基础级模块，主要功能包括地图显示及定位功能、站点信息管理、物联设备信息管理、人员ID管理等。安全防护模块主要功能有物联设备状态监测和显示、开关锁授权管理和信息呈现、告警信息提示及推送。日常维护模块主要为管理性信息推送，包括工单信息、巡检信息、人员信息及告警信息等。

3 电力柜智能锁硬件部分介绍

3.1 物理机械部分介绍

由于传统的老式机械锁不具备电控功能，因此需要对原锁进行升级改造，但改造的幅度不大，主要需要增加的内容包括物联监控模块、电控门锁、门磁感应，及按照顾客需求增加的各种传感器模块。

其中，除电控门锁需要对电力柜柜门原锁孔进行扩孔工作，其余部分均可采用挂载或格架固定的方式安装至原有电力柜中，不会破坏原电力柜结构及布线、功能等。

其中，锁体采用电机不采用电磁铁，主要特点为：

（1）功耗低：电机工作电压3V，工作电流≤100mA，电磁体工作电压3V，工作电流≤400mA。

（2）极限温度下工作稳定性好：电磁铁在接近-40℃或者70℃时，稳定性没电机好。

（3）抗干扰性强：电磁铁在强磁环境下不稳定或失去作用。

内部控制器的主要特点为：

（1）尺寸小巧，电池独立封盒，无需打开控制盒即可更换电池，可选锂离子和锂亚电池，容量根据客户对寿命要求。

（2）真一拖二设计，独立控制两把锁。

（3）超低功耗休眠设计，整机休眠电流小于50μA。

（4）在NB-IoT信号满足覆盖条件（RSRP>-110dBm且SINR>10dB）的情况下，每次开锁时间<4秒。

传感器模块部分包括：柜门开关传感、柜内浸水传感、柜内温湿度传感、柜体倾斜震动传感、柜内烟雾传感器。另外，在安装时可通过GPS精确定位电力柜位置。

3.2 电力柜智能锁联网控制部分介绍

3.2.1 内部控制器网络选择

由于电机柜的离散分布，且长时间无人值守的特点，要求数字控制模块及网络部分需要数据连接稳定，且待机时间要长，考虑到上述原因，选用NB-IOT技术作为基础就显得十分合理。

NB-IOT即窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）已成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。[1]

另外，NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。[2]

3.2.2 内部控制器模块部分设计

在内部控制器进行设计时，由于电力柜尺寸限制，控制结构必须紧凑，因此整个内部控制部分分为五个主要模块，业务处理器，NB联网模块，SIM卡模块、蓝牙模块及电池模块，架构框图如下：

硬件规格包括：

（1）真一拖二设计，独立控制2把锁

（2）内置NB-IOT模组

（3）内置高性能NB-IOT天线

（4）支持SIM插槽或焊接eSIM

（5）内置蓝牙4.2芯片

（6）可选内置高精度温湿度芯片

（7）可选内置高精度陀螺仪芯片

传感器模块包括了标配传感器及选配传感器：其中，标配传感器包括柜门开关传感（外接行程开关或门磁） 以及柜内浸水传感（外接浸水传感器）。除此之外还有3款选配传感器，分别为柜内温湿度传感（内置温湿度传感器）、柜体倾斜震动传感（内置陀螺仪）、柜内烟雾传感器（外接低功耗烟感传感器）。顾客可以根据自身的实际需要进行模块选配。

3.3 智能联网控制模块设计特点

上述设计的主要特点主要包括四方面：

一是全面支持NB-IOT网络，目前电信、移动、联通频段均可以选择，极大提高的顾客的自由度。

二是采用可了超低功耗休眠设计，整机休眠电流小于50μA，根据已有机型实测，单控制器实测待机功耗为45μA左右，每日耗电1mAH左右 。

三是电路耐高低温防潮防霉，内置看门狗，保障最大可用性。

四是顾客可以选择锂离子和锂亚电池电池，容量根据客户对寿命要求。

4 电力柜智能锁软件部分介绍

4.1 带有加密算法的远程授权的实时蓝牙电子密钥

作为安全模块的核心，密钥的安全性与否决定了整个系统的可靠性，因此，企业选择开发带有加密算法的远程授权的蓝牙电子秘钥，这种方式通过特定的规则及算法来保证密码生成与校验的非对称性，同时通过NB-IoT和BLE来传输的密码来保证交互的功耗。

具体步骤如下：

步骤1：操作员在移动端APP上选择需要获取一次性蓝牙电子密钥的智能电力箱锁。

步骤2：移动端APP箱云服务器发起获取一次性蓝牙电子密钥请求。

步骤3：云服务器将当前时间按年、月、日、时、分、秒分组后组合成32bit的元數据，然后利用AES对称加密算法对result进行打包，并返回给移端APP。

步骤4：移动端APP开启蓝牙，一旦同步成功就向智能电力箱锁发送前面从云服务器获取到的密码。

步骤5：智能电力箱锁通过私钥先对密码进行解密，若有效便开启智能电力箱锁。根据门锁本地算法及密码特征，一旦成功开启，密码便失效不能第二次使用。

通过上述设计，整个电子秘钥具备以下三个特点。

（1）时效性约束：规定密钥的有效时间为1天，云服务器以精确到秒的时间来生成密钥，这样即使移动端APP未使用从云服务器获取的密钥进行开锁，在有效时间到期后密钥同样会失效。

（2）使用次数受限：通过智能电力箱本地算法，APP从云服务器获取到的密钥在使用一次后便失效。

（3）密码唯一：密钥生成以锁的IMEI以及时间（精确到秒）作为元数据，并通过算法稀释碰撞几率来保证密码的唯一性。

4.2 手机APP远程控制模块介绍

考虑到现有智能手机的普及，从考虑投入成本的角度出发，没有必要重新开发物理计算机平台，只需在现有手机基础上开发APP模块即可，APP管理模块可实现远程开锁、手机蓝牙开锁、更换设备、开锁记录查询，分级管理、远程授权以及与运维派单平台对接等功能。

该APP开发时，充分考虑到一线操作人员的实际使用需要，优化了人机交互界面，降低了误操作的可能性，并对相关人员采取了分级管理，不同级别的人员根据授权职能看到相对应的管理模块。

5 结束语

随着5G时代的到来，物联网技术即将迎来一个全新的时代，NB-IoT物联网智能电力箱锁作为先行者，成功的利用物理网技术解决了现有电力中的管理难题，物联网技术的发展必将不断改变人们的生活，给人们带来更多的便利。

【参考文献】

[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]李勋，龚庆武，乔卉，et al.物联网在电力系统的应用展望[J].电力系统保护与控制，2010，38（22）：232-236.

[4]林为民.云计算与物联网技术在电力系统中的应用[M]. 中国电力出版社，2013.