區塊鏈技術在電力新能源數據加固中的應用

周彥飛，葛雅川，李 楠

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引 言

所謂區塊鏈，其實就是鏈式存儲數據庫，它是一套龐大的知識體系，集成了分布式賬本、P2P數據傳輸、智能合約、共識機制以及非對稱加密加密等技術，最早被用于比特幣領域。其去中心化的特性可避免由于中心節點故障造成的安全事故，該思想可被引入多個領域，應用前景非常廣闊[1]。

1 電力新能源系統現狀

現有電力系統新能源場站包括風電、光伏等，采用傳統的星型組網及中心服務器運維手段，容易成為黑客攻擊的對象。作為整個系統的中心，一旦中心服務器被攻破，則數據泄密和被篡改是不可避免的，嚴重的可導致自動發電控制/自動電壓控制（Automatic Generation Control/Automatic Voltage Control，AGC/AVC）系統調節結果非預期，甚至造成電網電壓異常等事故。

2 簡述區塊鏈技術

簡單地講，區塊鏈就是將一些處于并列關系的數據區塊按照一定的順序連接起來，形成鏈式結構。各區塊之間需要通過哈希、非對稱加密等算法進行數據交換，所有歷史數據都存儲在每一區塊中，需要攻破合約、共識機制才能篡改數據，提高了數據傳輸和數據存儲的安全性。

圖1展示了區塊鏈的主體結構，單個區塊由區塊頭和區塊體組成，其中區塊頭由邏輯關系定義的父區塊的哈希值、當前數據區塊的時間戳、隨機數以及默克爾根構成，區塊體由當前交易的數據與歷史數據構成[2-3]。區塊之間互相連接，形成一個龐大的整體，這種鏈式結構就稱之為區塊鏈。

3 新能源數據加固應用場景

3.1 區塊鏈系統的層級架構

區塊鏈系統有著非常廣泛的應用，包括加密貨幣、版權保護、醫療服務以及電力通信等，雖然服務于不同的行業，但大部分的工作流程都非常相近。區塊鏈技術框架如圖2所示，從6個層面展示了區塊鏈的基礎架構，每個層面的主要作用如下。

其中數據層是區塊鏈的數據庫，存放著所有數據信息，運用哈希算法和加密技術保護數據，防止被篡改。網絡層實現區塊鏈網絡中節點與節點之間的信息交流，使用了P2P網絡架構，數據點到點傳輸。點對點的思想弱化了中心服務器的功能，將權限分散到每個節點中，部分節點或網絡遭到破壞對其他部分影響很小，解決了因中心服務器故障導致的問題。共識層運用共識算法機制在全網形成一個統一的、所有節點一致認可的規則，以此來維護和更新區塊鏈系統這個總賬本。激勵層在比特幣中運用較多，可提高各節點參與數據驗證的積極性，增加數據的安全性。合約層建立在共識層之上，是區塊鏈可編程的基礎。應用層是各種業務應用場景的集合。

3.2 新能源傳統網絡結構

當前電力新能源場站內大多數據通過內網傳輸，該網絡結構較單一，在傳輸過程中被篡改的可能性較大。現有電力系統組網采用中心化結構，以新能源場站（光伏）為例，傳統組網模式如圖3所示，光伏區數據采集器將逆變器、匯流箱的數據收集并通過專用AGC/AVC服務器，同時AGC/AVC服務器接收調度主站的實時指令并下發給數據采集器、靜態無功補償（Static Var Compensator，SVC）、電容器以及電抗器等。數據傳輸的過程不受保護，重要的分析及統計數據都存儲在服務器中，黑客只需篡改AGC/AVC服務器的遙調指令就能實現對該場站的攻擊，對光伏站的正常運行帶來威脅，進而影響電網的穩定及安全[4]。

3.3 電力系統區塊鏈網絡結構

區塊鏈組網模式如圖4所示，將光功率采集、計算、分析、自動控制系統設計成區塊鏈的P2P網絡架構，形成了去中心化的分布式系統。該系統使用了區塊鏈技術的密碼學原理和共識機制，保證信息傳輸的安全可靠。具體原理如下：一是非對稱加密與哈希運算能夠保證數據傳輸的安全性及可靠性；二是共識機制極大提高了黑客的入侵難度，確保系統運行安全。

電力系統的區塊鏈網絡架構可視為數據的防護屏障。遙調指令、歷史曲線等都建立在區塊鏈體系之上，將傳統AGC/AVC服務器的部分功能在數據采集器上實現，把數據采集器和AGC/AVC服務器的功能均勻化，形成分布式賬本，它們之間的權限相同，彼此互不干涉，在周期性或突發事件的驅動下達成共識，保證了數據存儲的一致性，同時也完美地預防了數據入侵行為[5-6]。

當調度主站下發實時指令和計劃曲線給AGC/AVC服務器時，AGC/AVC服務器作為區塊鏈網絡的一個節點（作用等同于其他任何網絡節點），先根據時間對數據進行分割打包成塊，再使用哈希算法對數據進行加密，然后對塊進行復制，并將數據塊分發給所有控制單元。這時共識機制賦予每個節點的投票權利起效，只有大多數控制單元“投票”通過才能確認數據的有效，這種共識機制給黑客的攻擊帶來的極大的難度，有效防止在AGC/AVC控制系統進行遙調指令下發時可能出現的數據被篡改現象的發生。同時每個控制單元都有所有數據的備份，提升了數據存儲的安全性。

3.4 AGC/AVC控制流程的優化

圖4已經展示了引入區塊鏈技術后的AGC/AVC系統網絡架構，本節將介紹每個控制單元（節點）的工作流程。

引入區塊鏈技術的AGC/AVC控制流程如圖5所示，在功能已投入、差值大于設定死區、未閉鎖的條件下，控制單元開始對系統有功功率或無功功率進行調節。在給光伏逆變器、SVC、電容器以及電抗器等設備下發指令前首先將指令數據加密傳輸給各控制單元，利用共識與合約判斷數據是否真實有效，已篡改的數據指令不予執行且不保存，僅執行和存儲有效指令數據，在保證新能源場站有功功率和無功功率調節準確性的同時保證了電網運行的安全與穩定。

圖5 AGC/AVC控制流程

4 區塊鏈在電力系統中的瓶頸

一是大量的數據帶來的響應速度問題。每個控制單元都存儲所有塊的數據，因此需要配套提高硬件配置（硬盤等）才能滿足要求，在響應指令時增加了合約與共識機制，導致執行命令的速度降低，很難滿足對實時性要求很高的電力系統。二是生態圈不成熟。電力系統網絡結構尚穩定，沿用的是中心化的系統建設思想。底層設備及控制單元目前不具備擴展的潛力，給生態圈的建設帶來了重重困難，因此新技術的推廣注定是持久的過程[7]。

5 結 論

本文將區塊鏈技術的應用方式引入AGC/AVC系統，設想了該技術對傳統模式的改變和塑造作用。在電力系統中，數據安全尤為重要，區塊鏈技術安全、穩定的特性可以解決電力系統目前存在的安全問題，雖然在響應速度以及共識問題上的方案還不成熟，但相信隨著科技的不斷發展和創新，這些問題可以各個擊破，為電力系統的安全穩定運行保駕護航。