配网智能锁控系统的设计与实现

朱延杰 张志生 金瑞琼 赵文茂

摘 要：本文设计并实现了一种基于物联网技术的配网智能锁控系统，集开闭锁、锁务管理、安全防护为一体，综合采用物联网技术、定位导航技术、移动互联技术实现基于作业人员、任务时限及作业区域的锁具授权管理、锁具操作安全验证、实时联网监控等功能，有效提升配网安全管理水平。

关键词：配网；智能锁控；锁具授权；安全验证；联网监控

1引言

机械锁控管理是配网安全管理的一种重要手段，随着电力系统结构的日益复杂，传统的机械锁控管理存在诸多弊端，主要表现在：钥匙种类繁多，涉及到门柜钥匙、设备操作钥匙、转换开关钥匙等多种类型锁具钥匙，容易造成钥匙丢失、错拿等现象；锁具状态仅能就地查看，不能进行远程实时联网监控，导致柜子维护与巡检无记录可查，维护与巡检质量和到位率无法保证，状态异常或锁具遭到外力破坏时无法及时报警；基于作业任务的开闭锁授权审批方式不灵活，无法进行远程授权，未建立基于作业人员、作业时限、作业区域的锁具授权管理机制，锁具操作安全得不到有效验证。

针对传统的机械锁功能结构单一，缺少远程开闭锁功能，无法实现实时数据上传，联网监控及报警等功能，整体安全性低，不能满足现阶段的配网安全管理要求。本文提出一种基于物联网技术的配网智能锁控系统，集开闭锁、锁务管理、安全防误为一体，加强和规范配网锁务管理，建立相关人员的开闭锁行为管理和监督机制，提升配网运维作业的智能化管理水平。

2 系统总体架构设计

系统综合利用物联网技术、定位导航技术、移动互联技术，实现基于作业人员、任务时限及作业区域的锁具授权管理、锁具操作安全验证、实时联网监控等功能，构建一套配网智能锁控后台管理系统及配套的移动APP应用。系统总体架构如下：

设备层：设备层为各类锁具，包括有源锁具和无源锁具，作为整个系统的底层接入设备。

数据支撑层：数据支撑层主要用来对整个系统提供数据来源。主要包括人员信息、配网GIS数据和配网作业数据。其中人员信息包括作业人员姓名、联系方式、组织编号等，作为授权等管理的基本信息；配网GIS数据用来提供配网线路及设备地图数据，为实现锁具定位、作业导航提供支持；配网作业数据主要提供相应的作业计划、作业任务等信息，作为锁具授权的依据。

移动应用层：移动应用层主要应用于移动APP端，包括二维码扫描、锁具注册、锁具报修、锁具操作记录查看、位置导航服务、开关锁操作、权限申请和数据加解密等。

网络接入层：网络接入层作为设备层、移动应用层和后台管控层之间的通信桥梁，负责提供稳定可靠的网络通信服务，主要包括NB-IOT中转服务器、DMZ区前置服务器和移动云网。NB-IOT中转服务器负责有源锁具与后台管控层之间的通信中转服务，主要部署与第三方电信运行商中，提供公网和内网之间的数据转发服务。DMZ区服务器作为内外网之间的中转区域，位于企业内部网络和外部网络之间的网络区域内，是内网整体信息安全防护体系中重要部分，保障内外网数据交换的安全。移动云网主要提供APP网络通信内网通道的接入，是APP与后台管控层交互必经的网络通道，保障网络通信安全。

安全认证层：安全认证层包括数据加解密、身份认证和操作认证。数据加解密主要提供上下层之间通讯数据的加解密任务。身份认证对登入系统的人员进行认证，保证系统的安全性；操作认证根据当前用户的操作权限，判断用户当前操作是否合法，保证不同级别的用户只能进行相应的操作。

后台管控层：后台管控层包括锁具监控、授权管理、权限审批、数据统计、锁具台账、锁具管理和锁具运维等管控功能。

3 配网智能锁控后台管理系统设计

配网智能锁控后台管理系统主要功能包括锁具监控、授权管理、权限审批、数据统计、锁具台账、锁具管理和锁具运维。系统功能结构如下图所示：

锁具监控主要对锁具的开关状态、电池电压、锁具在线状态等提供统一的监控管理。授权管理主要根据人员、锁具、作业任务、时间区段等，对锁具的可开启权限进行统一分配和回收，并统计历史授权记录。权限审批主要针对现场工作人员需要临时开启某把锁具提交权限申请，在后台根据申请的合理性进行审批操作。数据统计主要针对系统中锁具、操作记录 、日志等数据进行不同方式和维度的统计分析，为管理人员提供数据参考。锁具台账主要实现无源锁具、有源锁具的数量、状态、厂家信息等必要的锁具信息管理；锁具管理主要包括锁具事件记录管理和锁具告警记录管理，分别对历史锁具的操作、告警进行统一展现，便于查询。锁具运维包括故障报修、掉线检测、电池电压等直接和锁具运行相关的信息作统一管理。

4 配网智能锁控移动APP应用设计

移动应用功能主要包括二维码扫描、锁具注册、锁具报修、锁具操作记录查看、位置导航服务、开关锁操作、权限申请和数据加解密等。系统功能结构如下图所示：

其中二维码扫描用来对锁的二维码信息进行扫描，锁具注册用来对新的锁具进行注册管理，锁具报修用于对损坏的鎖具进行报修处理，锁具操作记录用于查看锁具的历史操作记录，位置与导航服务用来进行锁具定位及作业路线导航等，开关锁操作用来进行锁具开关操作，权限申请用来申请对锁具的操作权限；数据加解密用于对发送和接收的通讯数据进行加密和解密工作，以保证数据传输的安全性。

5 配网智能锁控系统在云南电网的综合应用

研究设计的配网智能锁控后台管理系统及配套的移动APP应用，在云南电网选取了部分试点配网线路进行应用，针对配网不同业务环境，采用不同类型的智能电子锁具，有效解决传统配网锁具维护繁重、管理困难等问题，提供对配网作业的智能化支撑，同时有助于建立起公司内部人员的开锁行为管理和监督机制，提升配电网运维作业的信息化管理水平。整体应用部署如下图所示：

系统综合考虑配网业务不同的锁具类型管理需求，针对无源锁具，采用APP与锁具建立通信连接，利用二维码扫描的方式，实现锁具的开启；针对有源锁具，通过物联网NB-IOT通信技术，实现低功耗通信模式的条件下，通过二维码扫描的方式，实现锁具的开启。APP通过VPN、APN的方式，进入电力内网，由移动统一接入平台进行数据的中转和通信，保证整个通信链路的安全。

5.1 智能锁授权管理

配网智能锁控后台管理系统可根据作业人员、作业任务、锁具、时间区段信息关联，实现授权管理。系统用户也可通过登录配网智能锁控移动APP发起临时授权申请，由配网智能锁控后台管理系统进行权限审批，获得临时授权。在作业任务结束后，后台管理系统进行权限回收。

5.2 智能锁开闭锁流程

（1）无源智能锁开锁流程

运维人员在进行需要開关柜门的运维作业时，随身携带安装有移动APP的运维终端和蓝牙电子钥匙，并保证移动APP与蓝牙电子钥匙连接良好。当需要打开柜门时，将蓝牙电子钥匙插入智能电子锁，保证插入到位，无源锁上电，就可通过移动APP发出开锁指令，实现开锁。开锁后APP会自动将开锁信息通过网络上传云端并告知管理员，如果当时开锁人员的手机处于无网状态，也不会影响顺利开锁，开锁信息将会在有网络状态时再自动上传。同时电子锁芯会将开锁信息记录在锁芯内部的存储芯片上。对于出现战争或大面积长期停电停网时，可启用第二套开锁方案，采用电子钥匙开门，电子钥匙需通过管理器授权后才可以开锁，并且开锁记录保留在锁芯芯片上。

开锁流程如下图所示：

（2）有源智能锁开锁流程

在对有源智能锁具进行开锁操作时，通过手机扫码或者直接连接蓝牙的方式获取锁具的设备编号，然后将锁具和账户信息通过手机APP传至后台，后台验证通过后，对开锁指令进行加密后下发到对应的锁具，锁具在接收到指令后自动开锁，并将开锁结果回传至后台存储，同时发送给手机APP端，以提醒用户锁具已经开启。开锁流程如下图所示：

在项目应用过程中，有效解决了传统配网锁具维护繁重、管理困难等问题，实现智能锁务管理和提升配网作业智能化的同时，通过定制化试制多种智能锁具，有效形成研究成果到应用产品的转化，进一步加强和规范配网柜锁的科学管理，具有良好的推广应用前景。

6 结语

本文设计并实现了一种基于物联网技术的配网智能锁控系统，综合利用GIS定位技术、NB-IoT技术、移动互联技术实现基于作业人员、任务时限及作业区域的锁具授权管理、锁具操作安全验证、实时联网监控等功能，确保户外柜内设备财产的安全，营造稳定的工作环境，提高运维工作效率，降低运维成本，同时通过加强和规范配网柜开闭锁管理，建立作业人员的开锁行为管理和监督机制，提升配电网运维作业的智能化管理水平。

参考文献

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[2] 岳天天.基于手机移动平台的智能锁APP框架设计[J].电子测试,2019(19):78-79.

[3] 黄江辉.移动终端远程授权技术在电力智能锁控系统的应用[J].机电信息,2019(36).