融入區塊鏈理念的配電網數據池構建方法研究

趙騫，張肖，汪鴻，馬蕊，王天華，張媛，王彥敏

融入區塊鏈理念的配電網數據池構建方法研究

趙騫1，張肖2，汪鴻1，馬蕊1，王天華3，張媛3，王彥敏3

（1．國網冀北電力有限公司，北京市 西城區 100053；2．國網冀北電力有限公司唐山供電公司，河北省 唐山市 063300；3．天地電研(北京)科技有限公司，北京市 昌平區 102206）

由于缺少統一的數據管理平臺，電網公司發展策劃部的數據應用及管理工作存在著工作量大、重復性高、一致性差等問題。為了進一步提升配電網發展業務信息化水平，規范發展業務的數據管理工作，介紹了區塊鏈的定義及特征以及電網公司發展部的常規業務、數據管理、信息化系統應用情況。結合電網規劃、電網診斷分析、項目后評價等業務工作成果要求開展數據需求分析，構建支撐供電公司發展業務需求的配網數據平臺。同時融入區塊鏈理念，構建數據管理架構、管理流程、管理機制、管理保障，制定配網數據池的記賬、存儲、共識、激勵機制，為促進配網數據池的落實應用提供支撐保證。

區塊鏈；配電系統；發展業務；配網數據池

0 引言

發展策劃部(發展部)是供電公司的重要決策中心，發展部內部的電網規劃、診斷分析、同業對標、投資決策、項目立項等工作均需要建立在大量數據收集及統計分析基礎上。涉及的數據具備多專業、多指標、多時段的特點。多專業即數據涉及基建、運檢、調度、營銷、安監等多個部門；多指標即每個部門的指標涵蓋面很廣，且部分指標專業部門無相關統計口徑；多時段即數據涉及多個時間斷面。各項指標所需的原始數據均散落于不同部門的信息系統中，由于信息系統更新維護程度不同及管理壁壘的限制，數據收集基本是依托各部門報送報表完成，缺乏剛性流程約束，存在指標不準確、指標不統一、不同指標間邏輯不合理等數據質量問題，有可能誤導投資決策。隨著配網數據量逐步積累擴大，如何應用并管理好現有的數據，使之能夠高效地應用到日常工作中，減輕常態性工作重復、提高工作效率，實現發展部工作的精益化管理，是目前面臨的關鍵問題。因此有必要轉變理念，將數據應用變為數據管理，搭建配電網數據池，梳理指標來源，對相關部門提出數據維護及管理要求，實現配網數據統一管理，便于開展相關工作。

1 區塊鏈定義及核心理念

1.1 定義

區塊鏈是指通過去中心化和去信任的方式，集體維護一個可靠數據庫的技術方案。該技術方案可以讓系統中的任意一個節點，通過使用密碼學相關算法產生數據塊(block)，每個數據塊包含區塊頭和區塊數據2部分(如圖1所示)，其中區塊頭包含了版本號、hash 值、難度值、Mercle 樹、Nounce 等用于驗證其信息的有效性和鏈接下一個數據塊的外部信息；區塊數據中包含了一定時間內的系統全部交易數據信息[1-4]。

圖1 區塊鏈原理示意圖

1.2 核心理念

區塊鏈技術融合了一系列技術體系，核心理念及特征如下：

1）分布式(去中心化)。區塊鏈的核心特征是分布式。根據鏈的選型和場景不同，可以是完全去中心或者多中心的，區塊鏈不再依賴于中央處理節點，實現了數據的分布式記錄、存儲和更新。由于區塊鏈系統采用P2P的組網方式，不存在中心化的服務器和路由器，任意節點在系統中的地位都是均等的，系統生成的數據塊由系統中的所有節點共同維護，所有節點均有交易數據的記錄和存儲。

2）自治性。區塊鏈采用固定的一致性共識算法，使得整個系統中的所有節點能夠可信地交換數據，使得對人和機構的信任變成了對機器和數學算法的信任，任何人都無法干涉系統的正確運行。

3）信息不可篡改性。在區塊鏈網絡當中，由于算法的約束條件，任何惡意欺騙行為都將被網絡中其余參與節點進行排斥和壓制，所以區塊鏈網絡中的交易信息不可被篡改。傳統的網絡信任體系結構中，參與者越多，整個系統的安全性越低。而區塊鏈技術恰恰與其相反，隨著網絡中參與者的不斷遞增，整個區塊鏈網絡中的安全性也在不斷增加，同時交易數據可以做到完全透明公開。

4）匿名性。由于各節點之間數據的交換遵循固定的算法，因此交易雙方無須公開自己的身份，而是通過區塊鏈中的程序規則讓對方對自己產生信任。

區塊鏈技術的上述特征能夠解決目前絕大多數領域存在已久的三大痛點：中心化、安全和信任問題。區塊鏈本質上是交易各方建立信任機制的一個數學解決方案，是采用分布式網絡來存儲、傳輸和證明數據的技術方案，通過分布式的數據區塊存儲形成分布式記賬系統，取代目前對中心服務器的依賴，使得所有數據變更或者交易項目都記錄在網絡系統中的各個節點上。

2 發展部常規業務及信息化現狀

供電公司發展部下設規劃處、前期處、投資管理處、綜合計劃處、統計分析處、科信處6個處室。主要負責電網規劃、可研前期、綜合計劃、基建計劃及投資、購售電、節能線損、統計分析、同業對標等工作。

2.1 發展部的常規業務

各專業處室的常規業務如下：

1）規劃處。主要負責主網、配網規劃，組織制訂中長期發展規劃并實施；制訂地區電網中長期發展規劃并實施；編制電網規劃和小型基建規劃；中長期(一年以上)電力市場調查分析預測；小型電廠并網方案審批；組織項目后評估。

2）前期處。負責電網項目(含小型基建及重大技改)項目的前期論證、可行性研究和上報立項；開展相應電網前期專題研究，電網項目核準報告編制。負責電網項目可研估算、前期費用管理。

3）投資管理處。負責公司基建投資計劃管理，小型基建項目規劃、可研、投資計劃管理，公司其他技改、其他大修、車輛、零購等專項投資計劃管理，并納入公司綜合計劃統一上報和下達。

4）綜合計劃處。開展綜合計劃項目審核、評級、排序、上報、統計等工作；儲備項目審查和儲備庫的日常維護工作；市場調研、經濟信息分析，編寫電力市場分析報告；為公司線損管理提供技術支持，開展線損理論計算等工作。

5）統計分析處。組織開展本單位綜合、生產、投資統計工作，負責各類統計報表和分析材料；組織開展公司經濟活動分析和專項統計調查分析工作；同業對標歸口管理工作。

2.2 現狀數據應用及管理問題

發展部常規業務廣，常規業務主要有電網規劃、電網診斷分析、電網后評價、同業對標等，其中電網規劃42個報表，電網診斷分析63個報表，收集數據工作量大、次數多、重復性高、一致性差。目前發展部對于數據應用及管理的主要問題如下：

1）常規業務面廣，一個業務一套數據，缺乏數據共享機制。

2）數據需求量大，一項工作一次收資，缺乏更新延續機制。

3）涉及部門較多，一次收資一次協調，缺乏統一管理機制。

4）數據來源交叉，同一指標數值不同，缺乏規范來源機制。

5）指標各自管理，發展需求難以滿足，缺乏共商協作機制。

2.3 業務信息化系統應用現狀

2012年國家電網公司為支撐各級電網規劃管理和電網規劃設計，在省、市、縣公司發展口及經研院部署了“一體化電網規劃設計平臺”，經調研了解，該系統功能架構設計較為全面，支持負荷預測、現狀分析、規劃成效、上報表格等多項功能，但目前電網規劃工作重點應用表格入庫及項目入庫兩大功能，尚未形成較為規范的、系統化的數據管理模式[5]。

1）該系統主要應用于規劃處的電網規劃業務，也僅主要應用規劃表格錄入及規劃項目錄入兩大功能。

2）未形成較為規范的、體系化的數據管理模式，數據架構以支持規劃業務數據需求為主[6-7]。

整體來看，目前尚未形成支撐發展部業務的數據基礎平臺，現有系統功能的高頻率應用寥寥無幾，信息化程度相對較低[8]。

3 數據需求分析及數據池數據表設計

收集各專業處室常態業務的成果報告，進行數據需求分析，將所需的數據指標進行歸類整理，形成數據池數據表。

3.1 數據需求分析

以數據需求量最大的電網規劃、電網診斷分析、項目后評價、同業對標為例進行數據需求分析[9-12]。

1）電網規劃。

電網發展工作涉及社會經濟、供電企業概況、電網概況、電網運行等數據，具體如表1所示。

表1 電網規劃數據需求表

2）電網診斷分析。

電網診斷分析與電網規劃有較多功能的數據需求，另外增加企業經濟效益類數據，具體如 表2所示。

3）項目后評價。

涉及數據有區域概況、歷史年項目建設改造規模、電網設備規模、歷史負荷電量情況、電網建設全過程完成情況、電網設備運行情況、電網投資情況、收益情況、節能環保等相關數據。

4）同業對標。

涉及數據有電網設備性能、網架情況、容載比、資產情況、供電可靠性、電壓合格率等服務指標，電費回收率、線損率、輸配電成本等業績指標，人力資源管理指標，資產經營指標，物資管理指標，規劃項目準確率、計劃調整率等規劃管理指標，建設管理指標，營銷管理指標，運行管理指標，檢修管理指標等。

表2 電網診斷分析數據需求表

3.2 數據池數據表

配網數據池數據取自于各部門信息化系統，可采用線上或線下2種方式提取信息化系統相關數據，采用數據統計及分析技術等功能，形 成發展部各業務口所需的數據?？傮w架構如圖2所示。

發展部每年開展的常規工作有電網規劃、電網診斷分析及項目后評價，3項工作都需要大量的數據支撐，其中電網規劃和電網診斷分析是數據需求量最大的2項工作。本項目重點以電網規劃、電網診斷分析及項目后評價為主要分析對象，歸類整理涵蓋這些工作需求的數據源。具體的分類如下所述。

1）配網臺賬類：包括電廠、變電站、主變、高壓線路、中壓公用線路、中壓專用線路、公用配變、開關設備等臺賬，臺賬數據主要為設備的基本屬性信息及年運行信息。

圖2 配網數據池總體架構

2）電網指標類：包括區域概況、綜合運行、供電能力、電網結構、設備水平及智能化水平等方面，無法通過臺賬信息進行測算的電網綜合性指標，如10kV及以下綜合線損率、綜合電壓合格率等[13]。

3）項目報裝類：用戶、電源接入等項目的報裝信息，包括項目名稱、報裝容量及接入點等。

4）負荷預測類：電網未來發展的負荷預測結果，細化到網格內的負荷預測結果[14]。

5）規劃項目類：電網發展規劃的項目明細，包括規劃項目名稱、工程量、管理信息等[15]。

4 融入區塊鏈理念的配網數據池管理 模式

區塊鏈的去中心化、自治性、開放性、不可篡改及可追溯性的核心理念，與配網數據池構建的需求一致，能夠解決現狀數據管理出現的問題，因此，考慮融入區塊鏈理念構建配網數據池管理模式。

4.1 融入區塊鏈理念

將區塊鏈理念及解決問題關系總結如下：

1）分布式(去中心化)，規避集中存儲風險，構建共商協作機制。

區塊鏈的存儲方式是分布式的，不存在一個中心化的主導節點，每個節點地位平等并通過共識機制自動自發地共同維護。分布式客戶端人手一套數據，規避了傳統數據存儲于一個集中數據庫帶來的數據丟失的風險，同時可利用區塊鏈的分布式存儲的共識機制及自動自發共同維護，構建數據池共商協作管理機制。

2）可開放性，解決重復收資問題，構建數據共享機制。

可開放性體現區塊鏈的數據是開放的，但開放權限是可以設置的?？稍O置需求，構建對所有人都開放的公有鏈，對某個群體內部開放制定多個預選節點為記賬人的聯盟鏈，對個人獨享寫入權限的私有鏈。這解決了數據不公開、不同專業重復收資的問題，對相關專業人員設定為記賬節點或數據讀取節點，通過數據共同維護實現數據共享機制。

3）不可篡改，解決數據質量問題，構建統一管理機制。

發展部數據存在諸多問題，數據收集基本是依托各部門報送報表完成，缺乏剛性流程約束，有些部門為了使數據看起來合理，將數據隨意更改，為后續工作帶來諸多問題。多個數據以鏈式結構存儲在相應的數據庫中，通過數據戳及密碼學的算法保護數據，同時保證數據不可篡改。這避免為了指標“好看”而私自篡改數據的行為，數據的修改必須得到共同認可。因此，可以從源頭解決傳統數據收集經常出現的數據質量問題，實現數據的統一管理。

4）可追溯性，解決歷史數據缺失，構建更新延續機制。

原始數據均散落于不同部門的信息系統中，由于信息系統更新維護程度不同及管理壁壘的限制，存在指標不準確、指標不統一、不同指標間邏輯不合理等數據質量問題?？勺匪菪允羌尤氲絽^塊鏈的記錄被永久存儲，區塊鏈中的每一筆數據記錄都綁定了記賬信息，記賬標的完整傳遞路徑能夠被完全記錄和追溯，不可能被摧毀。這解決了傳統數據基于個人存儲及管理帶來的數據缺失問題，不同人記錄的數據也可以進行查詢，同時追溯記錄，有利于數據質量的管理，實現更新延續的管理機制。

4.2 管理架構

配網數據池組織管理模式采用3層架構模式，分別為數據提供層、數據協調層、數據使用層，數據提供層為各部門專責，數據協調層為發展部統計專責及相關負責人員，數據使用層為發展部各專業專責，如圖3所示。

從提供層到使用層是數據提交確認的過程，從使用層到提供層是數據存疑修正的過程，一上一下、提交修正實現了數據池的管理及應用。

4.3 管理流程

配網數據池管理涉及的人員有統計專責及負責人、發展部其他專業專責及負責人、職能部門專責及負責人。根據數據庫管理工作流程主線，可分為收資、應用和維護3個管理階段。

1）收資階段。由統計部專責制定標準數據收集模板，負責人提出數據收集倡議并下發收資清單；職能部門收集資料，并提交收資清單，統計專責匯總，發展部其他專責檢查數據質量，記錄問題并推送至統計專責，統計專責發送職能部門修改，修改確認后統一發布。

圖3 配網數據池管理架構

2）應用階段。發展部其他業務專責根據工作需求發送數據更新申請單，統計專責推送至職能部門，職能部門更新統計數據，統計專責及發展部其他專責檢查數據質量，經過返回修改、審核確認的過程后，統一發布。

3）維護階段。發展部其他業務專責根據數據應用情況，提出數據指標淘汰及新增需求，統計部確認后，發展專責更新數據庫，統計專責更新數據收資清單。

4.4 管理機制

4.4.1 記賬機制

采用專人專責記賬模式，進行數據池數據分區、分區維護、握手記賬的管理機制。

1）數據池數據分區：根據業務特點的不同進行數據池數據分區。

2）分區維護、權責對等：數據使用者具備數據記賬維護的職責。

3）2次握手記賬：數據提供層到數據使用層，2次握手記賬。

第1次握手，部門專責將更新的數據提交至業務專責，業務專責進行質量檢查，握手確認；第2次握手，業務專責將確認后的數據提交至統計專責，握手確認，業務專責記入數據池數據區賬本，數據池總賬本同步更新。

4.4.2 存儲機制

1）生成數據版本號：經過表決授權的數據，由統計專責生成版本號廣播發布。

2）版本號制定規則：版本記錄年月日及版本號，如V20181120.5。

3）數據區塊內容：本次版本號、上次版本號、基礎數據。

4）對外公布：過程版本為發展部內部記載版，對外公布的版本為月或季初第1版V*.1。

圖4為配網數據版本管理示意圖。

圖4 配網數據版本管理示意圖

4.4.3 共識機制

1）明確專責維護數據區：根據專責的業務崗位的特點，每位專責分配不同的數據維護區。

2）采用舉手表決方式：該類數據的維護專 責超過50%認可(包括統計專責)，數據具備授權條件。

4.4.4 激勵機制

1）制定激勵評價機制：對于數據提供者，制定數據提供及時性及數據質量評價(如不合理數據占比、空數據占比、邏輯出錯數據占比等指標)；對于數據使用者，制定數據更新及時性、反饋數據質量情況的評價。

2）納入部門績效考評：建議將關鍵指標納入部門對該崗位的考核內，如提供專責的數據質量評價指標、使用者的數據反饋評價指標等。

4.5 區塊鏈技術選型及方案

4.5.1 鏈型選擇

區塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈。公有鏈上的各個節點可以自由加入和退出網絡，并參加鏈上數據的讀寫，讀寫時以扁平的拓撲結構互聯互通，網絡中不存在任何中心化的服務端節點。私有鏈中各個節點的寫入權限收歸內部控制，而讀取權限可視需求有選擇性地對外開放。私有鏈仍然具備區塊鏈多節點運行的通用結構，適用于特定機構的內部數據管理與審計。聯盟鏈的各個節點通常有與之對應的實體機構組織，通過授權后才能加入與退出網絡。各機構組織組成利益相關的聯盟，共同維護區塊鏈的健康運轉。發展部數據池適合選擇私有鏈。

4.5.2 共識機制選擇

不同共識機制有各自的特點及應用場景：PoW每次達成共識要求全網共同參與，會產生很大的資源消耗；PoS共識雖然可以解決PoW中的資源損耗問題，但需要依靠幣齡進行挖礦，額外的代幣需求對系統要求較高；DPoS共識算法在PoS的基礎上通過股東投票給某個受托人，由系統根據股東所持股權在系統中占比計算出票數較高的一定數量受托人，由受托人按照事先規定順序輪流負責生成區塊。發展部數據池適合選擇PoW共識機制。

4.5.3 激勵機制的設置

設置鏈內激勵機制，實行內部KPI考核。鼓勵不同部門積極維護上鏈數據并確保上鏈數據的真實性和實效性，因為區塊鏈技術本身無法區分上鏈數據的真偽，但可事后溯源追責。將不合理數據占比、空數據占比、邏輯出錯數據占比定義為不可用數據占比，根據占比不同，分為“合格”和“不合格”2個級別，無不可用數據的為“合格”，存在不可用數據的為“不合格”。

4.6 管理保障

發展部統計處是用電企業的數據集散中心、權威發布中心，傳統的工作理念及工作方式無法滿足大數據及精益化管理的需要，在工作服務對象及工作內容上均應有所革新。為了保障配網數據池的高效運轉，統計處管理職能應重點做出3個轉變：

1）從“向上服務”到兼顧“橫向支撐”的服務對象轉變。

傳統統計工作重點以統計各類報表為主，主要上報上級主管單位，完成省公司、地市公司 等區域性指標的統計；同時，統計數據作為有 力的數據支持服務于年終及季度等各類總結性工作匯報。傳統服務對象主要是向上服務于上 級主管單位及領導，發展部內部各專業間的數據支撐力度不夠，應發揮統計處的數據權威發布中心的作用，整合各專業常態化工作的數據需求，形成共用基礎數據池，解決重復性收資多、無法高效整合、數據不統一等管理效率低的現狀問題。

2）從“提報數據”到側重“監督預警”的工作職能轉變。

傳統統計工作基于各部門及集成單位報送數據進行相對簡單的指標統計，是“收數據、報數據”的工作模式，應從簡單提報數據向監督預警方向轉變，真正體現統計處“信息”“咨詢”“監督”的三大職能。創新工作理念，實現以統計處為中心的“數據收集—統計分析—監督預警—數據發布”的PDCA循環管理模式，不但要看“現狀”、還要看“歷史”，重點基于各部室提報數據及統計處歷史積累數據進行數據分析，給出有價值的數據導向及數據預警，同時為電力發展政策的制定、電力規劃設計管理決策及電力形勢分析提供重要的參考依據。

3）從“零散發布”到規范“統一發布”的成果發布轉變。

配網規劃、電網診斷、同業對標等常規業務均需填報較多數據表格上報國網，所需的指標有較多由統計處提供，由于未形成統一的工作模式及管理規范，多為要什么、給什么的處理方式，臨時統計的情況也有，指標留存不及時、指標不統一等問題較普遍。因此，搭建多業務整合數據需求的數據源非常重要，同時，摒棄傳統零散發布的形式，規范數據發布模式，采用統一格式的統計年鑒形式統一發布，固定發布時間，具有一定的權威性。

5 結論

介紹了發展部的常規業務、數據管理及信息化系統應用情況，結合業務工作成果要求，開展數據需求分析，劃分數據池數據表類別，設計數據表數據指標，構建了支撐供電公司發展業務需求的配網數據池。介紹區塊鏈的技術、理念及特征，結合數據實際應用及管理中存在的主要癥結，融入區塊鏈的分布式(去中心化)、防篡改、可追溯的先進理念，并引入鏈內激勵機制，實行內部KPI考核，為支撐配網數據池高效運轉提供管理保證。

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Research on Construction Method of Distribution Network Data Pool Integrating Block Chain Concept

ZHAO Qian1, ZHANG Xiao2, WANG Hong1, MA Rui1, WANG Tianhua3, ZHANG Yuan3, WANG Yanmin3

(1. State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Xicheng District, Beijing 100053, China;2. State Grid Jebei Electric Power Co., Ltd., Tangshan Power Supply Company, Tangshan 063300, Hebei Province, China; 3.Beijing T&D Power Research Co., Ltd., Changping District, Beijing 102206, China)

Due to the lack of a unified data management platform, the data application and management work of the development department has many problems, such as heavy workload, high repeatability and poor consistency. In order to improve the level of business informatization in distribution network development and standardize data management for business development, the definition and characteristics of block chain and the application of routine business, data management and information system of the development department were introduced.According to the requirements of business results, such as power grid planning, power grid diagnosis and analysis, project post-evaluation, this paper carried out date demand analysis, built the distribution network data platform to support the power supply company to develop business needs.At the same time, this paper integrated the concept of block chain, constructed data management framework, management process, management mechanism and management guarantee, formulated the accounting, storage, consensus and incentive mechanism of distribution network data pool, which provided support for promoting the implementation and application of distribution network data pool.

block chain; distribution system; development business; distribution network data pool

10.12096/j.2096-4528.pgt.19133

2019-09-11。

(責任編輯 辛培裕)