區(qū)塊鏈技術(shù)在電力設(shè)備信息模型中的應(yīng)用研究

程冬玲 龐靈

摘? ?要：IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)公認(rèn)的國際標(biāo)準(zhǔn)，變電站信息模型數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)等采用XML進(jìn)行描述，描述數(shù)據(jù)一般都是集中式的數(shù)據(jù)管理。該標(biāo)準(zhǔn)最重要的優(yōu)勢之一就是可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)添加、刪除、更新等操作，但設(shè)備變更記錄追溯依賴于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫查詢技術(shù)。集中式數(shù)據(jù)管理的安全性、變更記錄的可信度都存在隱患和缺陷。文章利用區(qū)塊鏈技術(shù)在去中心化、安全性、可信性方面的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于變電站信息系統(tǒng)模型，提高變電站的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：IEC61850;區(qū)塊鏈;可擴(kuò)展標(biāo)記語言

當(dāng)前，能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，要求能源相關(guān)的交易信息、設(shè)備信息、人員信息等能實(shí)現(xiàn)快速互聯(lián)互通。其中，設(shè)備信息是構(gòu)成能源互聯(lián)網(wǎng)信息的最主要組成部分，需要智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)中的智能設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)中。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為智能變電站綜合自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，是保證變電站設(shè)備連接能源互聯(lián)網(wǎng)的重要依據(jù)，該標(biāo)準(zhǔn)中對變電站智能設(shè)備及其配置參數(shù)的描述均采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言（Extensible Markup Language，XML）的形式描述，形成的XML數(shù)據(jù)集一般采用傳統(tǒng)集中式的數(shù)據(jù)管理方式，然后通過數(shù)據(jù)中心將設(shè)備信息連接到能源互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生變化，如添加、刪除、修改設(shè)備，或發(fā)生順序事件、保護(hù)事件等信息，可依據(jù)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫查詢技術(shù)確定相關(guān)對象[1]。

采用集中式的數(shù)據(jù)管理方式，一旦數(shù)據(jù)中心遭受攻擊，系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性都會(huì)受到很大威脅，是中心化數(shù)據(jù)管理方式的固有缺陷。另外，對電力設(shè)備的變化過程和事件記錄要求具有可追溯性和不可篡改性，而依據(jù)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理方式無法保證這一點(diǎn)。本文結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)本身去中心化、安全性、可信性、透明性、公平性以及公開性的特點(diǎn)，將描述變電站設(shè)備的XML數(shù)據(jù)、設(shè)備變化記錄、設(shè)備事件記錄等信息，存儲(chǔ)在基于分布式區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，保證數(shù)據(jù)的安全性、可追溯性、不可篡改性，使能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

1? ? IEC61850設(shè)備信息模型

在IEC61850信息模型中，各種設(shè)備按照面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行管理，其中，邏輯設(shè)備（Logic Device，LD）是信息系統(tǒng)中最主要的管理對象，是其他對象的父類。邏輯設(shè)備的子類邏輯節(jié)點(diǎn)（Logic Node，LN）又是由許多數(shù)據(jù)類（Data Class，DC）組成的，數(shù)據(jù)類又是由許多通用數(shù)據(jù)類（Common Data Class，CDC）組成的[2]，如圖1所示。

利用XML技術(shù)對IEC61850信息模型進(jìn)行描述，然后再利用XML數(shù)據(jù)庫對其進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，形成與圖1結(jié)構(gòu)類似的XML結(jié)構(gòu)。具體過程如下：首先，參照數(shù)據(jù)類型模板展開模型中的所有節(jié)點(diǎn)。其次，依據(jù)ACSI中的數(shù)據(jù)類型對最后一層元素（DA）的類型屬性進(jìn)行定義，通過編碼實(shí)現(xiàn)DA類型到MMS類型的映射并使用編碼填充DA的內(nèi)容;最后，對設(shè)備變化、設(shè)備事件記錄等數(shù)據(jù)的查詢，依據(jù)傳統(tǒng)的XML數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行檢索。

2? ? 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈概念最早出現(xiàn)在2008年比特幣白皮書中，共識算法和智能合約是其核心技術(shù)。共識算法主要用來解決在分布式節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)一致的問題，即共識問題。目前常見的共識算法有工作量證明（Proof of Work，PoW）、權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）、委托權(quán)益證明（Delegated Proof of Stake，DPoS）、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）、PAXOS，RAFT等，主流共識算法可大致分為3類：挑戰(zhàn)證明、權(quán)益證明和協(xié)商證明。區(qū)塊鏈智能合約作為數(shù)字形式的一套承諾，由合約參與者的一系列用于執(zhí)行承諾的協(xié)議組成，具有以下主要特性。

（1）數(shù)據(jù)具有透明性：所有區(qū)塊鏈中使用的數(shù)據(jù)都具有公開透明性，這使得智能合約對于這些數(shù)據(jù)的處理也同樣具有透明性，所有參與者均可對它的數(shù)據(jù)和代碼進(jìn)行查看[3]。

（2）數(shù)據(jù)具有不可篡改性：智能合約中的代碼及其數(shù)據(jù)是部署在區(qū)塊鏈上的，這就保證了所有節(jié)點(diǎn)上任何數(shù)據(jù)的非法篡改都是無效的。

（3）智能合約永久運(yùn)行：區(qū)塊鏈中節(jié)點(diǎn)數(shù)量通常是很多的，偶發(fā)的個(gè)別節(jié)點(diǎn)運(yùn)行失效不會(huì)造成整個(gè)合約的終止，這就保證了理論上智能合約是永久運(yùn)行和永久有效的。

3? ? 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備信息模型

當(dāng)前，描述變電站設(shè)備的XML數(shù)據(jù)一般存儲(chǔ)于中心數(shù)據(jù)庫，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于原有信息模型要做的第一步工作就是解決數(shù)據(jù)采集、上傳、讀取的問題，為了節(jié)省成本、快速實(shí)施區(qū)塊鏈應(yīng)用，考慮將原信息模型的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為區(qū)塊節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)、變化數(shù)據(jù)的區(qū)塊生成，在原有信息模型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與能源互聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，形成變電站內(nèi)部與能源互聯(lián)網(wǎng)外部的區(qū)塊鏈?zhǔn)菇y(tǒng)一分布式網(wǎng)絡(luò)，在宏觀和微觀角度均保證數(shù)據(jù)的安全性，如圖2所示。

考慮到原信息節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力，未采用挑戰(zhàn)證明和協(xié)商證明的共識算法，而是采用授權(quán)股權(quán)證明機(jī)制作為共識算法，可將節(jié)點(diǎn)的設(shè)備數(shù)作為權(quán)益參考，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備XML數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，解決去中心化的問題。通過建立電力設(shè)備智能合約，解決設(shè)備變更信息、設(shè)備事件信息的合法性、透明性、可追溯性、不可篡改性等問題，為實(shí)現(xiàn)上級部門對設(shè)備變更、事件等信息的監(jiān)管提供依據(jù)。

4? ? 結(jié)語

本文將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于IEC61850定義的變電站設(shè)備信息模型系統(tǒng)中，利用區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、不可篡改、可信度高、安全的共識算法的特點(diǎn)，將原標(biāo)準(zhǔn)中基于XML的集中式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式改進(jìn)為基于區(qū)塊鏈的去中心化的分布式存儲(chǔ)方式，利用區(qū)塊鏈的共識算法、智能合約解決設(shè)備變更、事件記錄的可信性、安全性和可追溯性問題，為保障智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性、穩(wěn)定性、可信性提供了一定思路。當(dāng)然，區(qū)塊鏈技術(shù)在處理速度上存在一定缺陷，無法保證電力設(shè)備信息采集、傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，因此，本方法在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張勇，賈德順，鄒國惠，等.XML數(shù)據(jù)庫在IEC61850裝置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013（20）：132-135.

[2]朱永利，王新穎，程冬玲.基于本體的風(fēng)電場信息模型的OWL描述[C].北京：北京地區(qū)高校研究生學(xué)術(shù)交流會(huì)通信與信息技術(shù)會(huì)議，2007.

[3]王潔，張海霞，張沛沛.基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約特征及其會(huì)計(jì)應(yīng)用研究[J].中國商論，2019（11）：192-193.