基于區塊鏈技術的配電網電纜狀態量的采集和診斷系統

李程 張雅 郭磊 趙學風 李旭 廖強強

1.國網漢中供電公司

2.上海電力大學

3.國網陜西省電力有限公司

4.國網陜西省電力公司電力科學研究院

0 引言

電力物聯網是一個多學科交叉的網絡，涉及計算機、控制技術、控制系統等學科的智能大網絡。隨著互聯網技術和電力系統的發展，越來越多的遙感和通信設備以及分布式能源、分布式儲能、電制氫等能源裝置涌入電力物聯網。電力事業蓬勃發展，電纜是影響電力輸送的重要影響因素，但在實際的輸電過程中影響電纜輸電的因素十分復雜，為確保輸電設備能安全、穩定、經濟的運行，需提高電纜等輸電設備在線監測的實時性與智能性，物聯網中的輸電設備狀態量采集和監測是保證供電的重要環節，多中心化的分布式在線監測方式已經成為電力系統各級網絡準確采集的重要支撐[1]。

區塊鏈技術從問世以來受到廣泛關注，其擁有分布式、去中心化等特點，利用區塊鏈技術與輸電設備的采集系統相融合，可以使數據的真實性和數據傳輸的安全得到保證，從而提升電纜等輸電設備的運行質量，保障配電的穩定傳輸[2]。

1 技術介紹

1.1 區塊鏈

區塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式，它是由多個記錄著各種信息的小區塊鏈接起來組成的一個鏈條，具有去中心化、信息不可竄改、可溯源、開放性等特點。區塊鏈不僅實現了數據的共享，也實現了數據控制權的共享，多個參與節點共同維護一個不可竄改的賬本，當其中一個節點信息丟失或者竄改以后對賬本沒有任何影響，僅需要同步賬本即可；當所有節點通過共識機制后，才能實現數據的增加、改動或者新模塊的生成[3]。區塊鏈的基本構架體系見表1。

表1 區塊鏈的體系結構

1.1.1 區塊鏈的準入機制

區塊鏈按照準入規則主要分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈。公有鏈公開透明，全網公開，世界上任何個體或者團體都可以在公有鏈發送信息，每個人都可以競爭記賬權；聯盟鏈半公開，是某個機構或組織內部使用的區塊鏈，需要預先指定幾個節點為記賬人，每個區塊的生成由所有預選記賬人共同決定，其他節點可以交易，但是沒有記賬權；私有鏈則完全封閉，僅采用區塊鏈技術進行記賬，記賬權并不公開，且只記錄內部的交易，由公司或者個人獨享[4]。在采集電纜的狀態量時本文采用的是聯盟鏈加入規則。

1.1.2 共識機制

在進行信息傳輸、信息存儲時，共識機制解決并保證增加的數據信息在所有記賬節點上的一致性和正確性問題，區塊鏈的共識機制使其在不依靠中心化組織的情況下，依然大規模高效協作完成運轉，多個參與方對信息上鏈達成了共識的機制[5]。

1.1.3 智能合約

智能合約為一段寫在區塊鏈上的代碼，由事件驅動、具有動態狀態、獲得多方承認，且能夠根據預設條件自動處理鏈上信息。智能合約在區塊鏈上發揮作用如圖1所示，一旦某個事件觸發合約中的條款，代碼會自動執行，智能合約最大的優勢是利用程序算法替代人仲裁和執行合同。一旦編寫好就可以被用戶信賴，合約條款不能被改變，因此合約是不可更改的。程序滿足條件即可執行，無法進行人為干擾，保證絕對公正公平[6]。本文將診斷專家庫、歷史數據庫寫成不能竄改的智能合約。

圖1 智能合約

1.1.4 安全機制

首先利用高冗余的數據庫保障信息安全，分布式賬本的每個節點都存儲著完整的信息數據。其次利用密碼學的相關原理進行數據驗證，保證不可竄改。如給大到幾個G小到幾個Byte的數據進行加密的哈希算法，將數據轉化成二進制，且算法具有不可逆性，即使知道哈希值，也很難得到原始數據。哈希值相當于數據的身份證，具有唯一性，當數據進行了微小的改變，哈希值也會有很大的變化[7]；區塊鏈通過哈希值來判斷數據的一致性以保證數據的安全。然后在權限管理方面，運用了多私鑰規則進行訪問權限控制。區塊鏈的整體示意圖見圖2。區塊頭用于區塊的連接和安全，區塊體用于存儲區塊內的內容。區塊鏈系統中非堆成加密中節點間驗簽時少不了公鑰和私鑰，來保證節點數據的安全傳輸。本文使用安全性較高的橢圓曲線簽名算法對數據進行簽名。

圖2 區塊結構示意圖

1.2 基于區塊鏈的電纜狀態量體系框架

通過區塊鏈和傳統電纜設備采集的體系，可以看出電纜的數據采集和監測過于中心化，大量的狀態量數據可能導致通信的信道堵塞，而且數據的安全也無法保證，大量數據可溯源性很差，采用區塊鏈的分布式存儲方式能避免上述問題。感知層的非法訪問、節點欺騙等可以利用區塊鏈的設備身份鑒別、數據源認證來解決；網絡層可能存在的網絡攻擊、信息偽造等問題通過區塊鏈的區塊鏈網關、P2P網絡得以解決；共識層的數據處理、隱私保護由區塊鏈的訪問授權和點對點訪問解決；應用層可能出現的身份冒充、業務濫用、竄改信息等因區塊鏈的信息溯源、密鑰管理而解決[8,9]。遵循這個原則和解決方案，本文將區塊鏈與配電網電纜狀態量采集相融合，利用區塊鏈的優點實現上述構想。圖3展示了配電網電纜狀態量采集、傳輸、儲存體系構架，可見配電網電纜狀態量體系與區塊鏈體系很好的兼容性。

圖3 配電網電纜狀態量采集、傳輸、儲存體系構架

配電網電纜狀態量體系構架包括：感知層、網絡層、共識層和應用層。

1）感知層具備數據采集、本地通信、數據匯集、數據存儲等功能，包含電纜溫度、電壓參數、電流參數狀態量。傳感器采集的狀態量作為數據源傳輸給局部計算中心，在局部計算中心利用小波奇異熵法將信號數據分解為零序電壓，再把其傳給數據采集終端節點，以形成多個數據采集終端節點。

2）監督層具備管理電纜上鏈的功能，狀態量數據利用接入網和骨干網對數據進行安全可靠的傳輸。

3）共識層對數據進行提取與處理，格式整理與融合。利用智能合約，對數據統計與維護，是數據診斷中心，通過基于BP神經網絡算法的智能合約來判斷故障類型，在由運行人員決策雙重保證下對數據進行監測與管理。

4）應用層即對信息進行脫敏處理后，由監管機構進行考核，應用層面向終端客戶，確保操作合理并且能使用戶和計算機間實現良好交互。

2 分布式電纜狀態量采集監測系統

分布式電纜狀態量采集監測系統主要由數據采集終端、診斷中心和監管機構構成，由所有的狀態量采集終端、診斷中心、監管機構組建成區塊網絡的節點，節點之間形成端對端的P2P網絡互聯通信，每個節點會通過P2P通信將數據傳輸給全網其他節點，從而建立起端對端的分布式存儲架構。區塊鏈數據采用分布式分類賬結構存儲，數據就近上鏈，可實現電纜狀態量的實時采集。分布式輸電纜采集系統實現了端端互聯后，每個終端都保存著完整的數據備份，不會引起數據信息的丟失，當某個終端因人為破壞或者惡意竄改時，因為數據在每個節點完整備份的同時，數據采用鏈式結構存儲，保證了數據的安全。

圖4顯示了基于區塊鏈的分布式配電網電纜狀態量采集系統，區塊鏈系統中包含一條中心區塊鏈（主鏈）和若干數據采集終端塊鏈（側鏈）。主鏈依托于數據終端節點及其他與數據終端直接往來的節點（包括各局部計算中心節點、數據傳感器），每條側鏈則以相對應的一個數據采集終端為據點，向其覆蓋的底層設備鋪開。

圖4 基于區塊鏈的分布式配電網電纜狀態量采集系統

2.1 數據采集終端塊鏈（側鏈）

在靠近終端處設置局部計算中心，在局部計算中心對傳感器或人工錄入的在線監測數據、帶電檢測數據等數據進行預處理（篩查過濾、簡單計算），通過霧計算將事先約定的少量必要數據（熟數據）上傳，減少傳送至主鏈的數據量，提升主鏈的處理效率。

局部計算中心還負責通過數據終端從主鏈上同步診斷指令并傳送至側鏈，從而傳達至在區塊鏈中接入的本地設備，同時通過反饋機制監督本地設備執行。

2.2 中心區塊鏈（主鏈）

在主鏈上利用智能合約建立診斷決策的專家庫，保證專家庫中的規則真實可靠、未被竄改。將采集上鏈的數據經過專家庫的篩查轉化為專家經驗的診斷決策建議提供給診斷中心，輔助運行人員進行決策。運行人員提交決策指令至主鏈，由主鏈將相關指令同步至各數據采集的側鏈。

所有診斷指令將在鏈上完整留存，便于日后追溯。一旦出現因診斷決策錯誤導致的生產事故，可隨時調取診斷指令歷史，查看診斷指令申報、審批、執行的全過程記錄，輔助定責。監管機構作為主鏈的節點，同步數據和數據處理指令進行信息脫敏處理后，公開發布數據庫，各供電公司、部門可以查閱，實現電纜輸電設備狀態量的公開、透明。

3 安全機制

本文采用ECDSA非對稱橢圓曲線作為加密算法解決了密鑰傳遞的問題，哈希算法解決了完整性驗證問題的同時提高了數字效率，監督層作為第三方為公鑰的所有者背書，解決公鑰的持有者證明問題，形成一個解決信息安全、信息機密性、完整性、抗抵賴的完整解決方案。

橢圓曲線加解密算法原理：

通過基數的階N、基數坐標G(x,y)等來定義橢圓曲線，從而形成一條光滑的曲線，要求x、y均取實數，橢圓曲線加密算法使用有限域。

節點通過選擇k為私鑰，p=kG為節點公鑰。其中公鑰用來加密，私鑰用來解密。

公鑰加密過程：

1）選擇隨機數r。

2）將數據等消息M生成密文C，C為一個點對C(a,b)。

式中，p為節點公鑰。

私鑰解密過程：

式中：k——私鑰，p——公鑰。

橢圓曲線簽名算法原理：

私鑰簽名:

1）選擇隨機數r，計算點rG(x,y)。

2）根據隨機數r、消息M的哈希h、私鑰k，計算

3）將消息M和簽名(rG,s)發送給接受方。

公鑰驗證簽名：

1）接受方收到消息M和簽名。

2）根據消息M求的哈希值。

3）使用發送方的公鑰p計算hG/s+xk/s，與rG比較，相等則驗簽成功[10-12]。

式中：hash()為哈希算法實現函數。

基于上述區塊鏈的分布采集系統，輸變電設備的狀態量采集數據要經過：設備接入、數據采集、數據存儲過程。

3.1 設備接入

在分布式電纜狀態量采集系統中，數據采集終端作為節點，終端采集數據包括測量電壓、電流和溫度的數據流，終端采集數據下又擁有不同的局部計算中心，對所有終端采集點的接入由監督層進行注冊和驗證。

圖5所示的設備接入步驟如下：

圖5 設備接入示意圖

1）利用ECDSA非對稱橢圓曲線作為加密算法，生成設備的公鑰和私鑰。

2）將私鑰和設備信息（該系統對設備進行分類：電壓狀態量、電流狀態量、溫度狀態量等）發送給監督層。

3）監督層收到設備信息并檢查無誤后，監督層私鑰根據設備公鑰對其進行加密并且簽名sign，再把生成的sign返回設備。

4）設備通過公鑰和sign進行接入憑證，其他設備可以根據監督層的公鑰來驗證sign的真實性。接入的設備需要自動向監督層上傳信息，并且自動同步監督層的數據信息。

3.2 數據采集

不同狀態量由各種不同傳感器采集生成狀態量數據，并且自動上傳至局部計算中心，局部計算中心對數據進行處理分析，針對局部故障就地處理并上傳處理信息，針對其他故障對數據進行簡單處理后上傳至數據采集終端，采集終端采用ECDSA非對稱橢圓曲線對數據進行加密，當數據在局部計算中心和采集終端流通時經過公鑰和私鑰的雙重認證才能上鏈進行交易，通過共識機制寫入賬本[13]。

3.3 數據存儲

數據采集器就近上鏈，采用分布式數據庫保證了數據的安全穩定，數據廣播、共識、上鏈、同步的具體存儲過程見圖6，

圖6 數據存儲過程

每隔一段時間監管機構對數據進行共享請求，當請求通過時，分布式存儲庫對數據自動脫敏處理后同步共享。

4 智能合約

電纜故障按照發生類型可以分為絕緣故障、接地故障、短路故障、開路故障以及閃絡性故障等五大類[14]。采集電纜出現故障時所產生的電壓行波，然后得出這種波的小波奇異熵值，綜合BP神經網絡完成對故障類型的判斷，將這一方法寫入智能合約，能夠幫助運行人員對故障判斷進行參考，更加高效快速地解決故障問題。本文將故障信號分為如圖7所示的類型。

圖7 電纜故障類型識別結構圖

在局部計算中心階段將采集的電纜故障信號利用小波奇異熵法分解為零序電壓信號，從而提取故障特征分量，是故障初步分類的基礎。在智能合約中，BP神經網絡已經過大量的故障數據進行訓練，在判斷故障時三相電壓小波奇異熵值作為BP神經網的輸入，故障預測結果為BP神經網絡的輸出，即可判斷為兩相短路或者接地故障，為運行決策人員提供參考。

本文在BP神經網絡的訓練中，采用單個隱藏層的神經網絡結構，其中單層結構中存在15個神經元，大量電纜故障數據中70%用于訓練、15%用于驗證訓練結果、15%用于預測，使用優化效率提高的LM(Levenberg-Marquardt)算法訓練的神經網絡成為智能合約里的固定代碼[15-17]。圖8為BP神經網絡故障分析結構圖、圖9為測試數據的分析擬合結果。

圖8 BP神經網絡故障分析結構圖

圖9 BP神經網絡訓練擬合情況

5 系統運行機制

本節對電纜狀態量采集系統進行說明，所有的數據采集終端作為節點共同構成了區塊鏈網絡，每個節點都配有進入區塊鏈主鏈的緩沖區和分布式存儲庫，緩沖區用于緩沖沒有進入主鏈的經過局部計算中心處理的數據。

如圖10系統運行機制所示，進入主鏈的數據通過記賬點將數據寫入新區塊，記賬點在本文中即為運行人員決策點，同時智能合約建立診斷決策庫對數據進行分析整理，輔助決策點的決策。新區塊寫入主鏈后進行全網傳播，寫入分布數據庫中進入側鏈，數據采集終端、局部計算中心以及設備之間都是雙向通信信道，電纜等輸電設備的故障動作來保證電力系統的安全運行。

圖10 系統運行機制

6 區塊鏈仿真

利用Python對區塊鏈系統進行仿真，首先用區塊分批保存交易，為區塊加入防竄改代碼，將區塊相連形成區塊鏈并且實現工作量證明的算法，進一步形成區塊加入區塊鏈代碼，最后實現共識機制以及智能合約等，其中，使用Python內置的hashlib模塊計算MD5哈希函數計算區塊的哈希代碼實現：

1.import hashlib

2.md5=hashlib.md5()

3.data=""

4.md5.update(data.encode('utf-8'))

5.print(md5.hexdigest)

通過Python仿真區塊鏈實現工作量證明：

1.class Blockchain

2.difficulty of PoW algorithm

3.def proof_of_work(self,block):

4.Function that tries different values of nonce to get a hash that satisfies our difficulty criteria.

5.block.nonce=0

6.computed_hash=block.compute_hash()

7.return computed_hash

通過對比區塊鏈的共識機制，對POW（工作量證明）、POS（權益證明）進行對比，發現POS隨著節點個數的增多，傳播時間大于POW，因此，本文采用POW共識機制[16]。區塊傳播時間與節點個數的關系見圖11。

圖11 區塊傳播時間與節點個數的關系

7 結論

本文將區塊鏈技術應用于配電網電纜狀態采集和故障診斷，從區塊鏈的共識機制、智能合約設計、安全機制等角度，對電纜狀態量采集系統進行了整體的設計，對電纜故障識別進行了智能合約的編寫。設計的基于區塊鏈技術的電纜狀態采集和故障診斷系統可以實現其數據及時、安全采集和傳輸的功能。從設備接入、數據采集、數據存儲三方面進行了具體闡釋。區塊鏈對于電纜狀態量的采集和故障診斷的提升是全方位、多維度的，構成基于區塊鏈的輸電設備狀態量的系統涉及的多種關鍵技術，能夠自底向上發揮其作用，有望從根本上解決狀態量采集和故障處理面臨的種種挑戰。不過，目前電力系統區塊鏈仍然有很長一段路要走，除了從技術理論方面展開更加深入的研究，還需要在行業中進行更加廣泛的應用實踐。