基于區塊鏈技術的輸變電設備狀態量監測方案及安全性分析

0 引言

電網是國民經濟重要的基礎設施。輸電、變電作為電網的重要功能，實時監測電力設備數據，避免發生不可逆轉的故障是非常有必要的。設備制造過程中遺留的設備缺陷，安裝檢修維護中存在的問題，長期運行后導致的絕緣老化及結構劣化，外部極端的環境等因素都可能導致電力設備故障，從而導致電力供應的中斷，嚴重影響人民的正常生活和生命財產安全

。為保障輸變電安全，對輸變電設備本體及其周邊環境進行全方位多角度監控逐漸成為一項迫切的工作。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN），具有低功耗、低成本、動態組網、環境適應能力強等特點，基于WSN架構的輸變電設備狀態量采集數據具有極其重要的理論價值和社會意義。隨著智能電網技術的發展，對于電力設備狀態的監測方式也在不斷提升。目前，電網中來自設備狀態的數據量越來越多，其數據規模已經遠遠超過了之前的數據量，而且數據也逐漸復雜起來。對于電網狀態監測數據的安全存儲也是重要的內容。現階段，對于電力設備狀態監測數據的存儲主要是使用企業級的關系數據庫。傳統的存儲方式數據的實時性比較低、成本相對較高、擴展性較差及處理能力相對較弱。本文利用區塊鏈的優點解決輸變電設備監測的問題，利用區塊鏈技術的分布式存儲、防竄改、非對稱加密、共識機制等特點

，將輸變電設備的采集、存儲、診斷、監管各階段涉及的實時和歷史數據等進行區塊化封裝及分布式控制，對基于區塊鏈的輸變電設備狀態量架構進行抗毀性和生存度的定量分析，實現輸變電設備狀態量數據的高效安全監測。

1 輸變電設備WSN架構

WSN 主要通過無線網絡對電力設備狀態進行監測，及時對智能電網的運行狀態進行調整，或者對某一監測項目長期積累的數據進行分析，挖掘其中存在的規律。根據智能電網狀態監測數據的需求，智能電網WSN 主要由采集層、無線傳輸層、匯聚層、有線傳輸層和控制中心

五個部分組成，如圖1 所示。

采集層：由傳感器感知節點（Sensor Node ，SN）和通信模塊共同組成，它主要負責采集和上傳監控項目的信息。SN作為智能電網WSN架構中最底層實體，必須具有合法的身份才能在系統中收集和上傳數據。所選擇的傳感器必須配備有智能嵌入式設備。一方面，可以對采集的數據進行一些簡單的處理，例如加密、哈希運算和簽名等運算；另一方面，具有能夠存儲一些關鍵信息的能力，如公私鑰和證書等。

無線傳輸層：它是采集層和匯聚層之間通信的橋梁，一方面，將由SN 采集到的數據發送到匯聚層，另一方面，由匯聚層發出的查詢、驗證等指令發送給采集層。無線傳輸層是數據傳輸的通道，也是攻擊者最容易攻擊的部分。因此，必須通過加密和其它保護措施來保護傳輸的數據。

匯聚層：由采集數據的匯聚點構成，其主要負責對采集層發送的數據信息進行處理、聚合和存儲，由于考慮到其功耗比較大，通常將其設置安放在機房內，機房采用電網進行供電。匯聚層是智能電網WSN 區塊鏈最重要的部分，它起著保存采集層SN的身份和節點信息的作用，因此，其身份的合法性是保證整個系統安全的基礎。

有線傳輸層：不僅是匯聚點之間進行交互的渠道，還是連接匯聚層和控制中心的橋梁。它通過電網的專用有線網絡進行通信，主要負責由匯聚層聚合的狀態監測數據在匯聚點之間安全可靠地傳輸。

加入石墨烯的Fenton反應動力學擬合曲線方程為：lnCODCr,t=0.0632t+6.8131，R2=0.9696。

控制中心（Control Center， CC）：也稱為監控中心，負責整個系統的維護、管理，同時對監測的異常數據進行及時分析，從而保證智能電網安全運行。

2 方案設計

2.1 方案模型

為了保證輸變電設備狀態量的采集和診斷的數據安全，基于區塊鏈的設計方案除了包括輸變電設備的狀態量和診斷中心以外，還需要監管機構形成一個狀態量監測的整體。數據在方案中的共享需要進行身份驗證，節點通過驗證可以將信息上傳至區塊鏈進行存儲。因為區塊鏈的存儲有限，引入分布式數據存儲網絡（interplanetary file system，IPFS）用于存儲一些重要的但非必要上鏈的信息，IPFS提升了存儲的可靠性

。

實驗組患者在此基礎上聯合吡貝地爾{LES LABORATOIRES SERVIER INDUSTRIE(法國)(施維雅(天津)制藥有限公司分裝);國藥準字J20140064;50mg*30s}治療,具體方法為:口服。每日150毫克到250毫克,即每日3-5片,分3-5次服用。

方案如圖2 所示，本方案的流程主要有：（1）獲取的輸變電設備狀態量不僅存入本地數據庫，還將經過局部計算和篩選的數據進行上鏈存儲。（2）采集的狀態量經過專家診斷庫的智能合約進行數據的初步診斷決策，然后數據及初步診斷結果傳至診斷中心，運行決策人員根據初步診斷結果和歷史數據庫向輸變電設備發出診斷的動作指令。（3）診斷結果上鏈存儲的同時將診斷信息、流程、結果存入IPFS中。（4）監管機構申請通過IPFS對數據進行同步，申請通過后對同步數據進行脫敏處理，對診斷指令判斷進行評估和定責，最后將監測結果上鏈保存。（5）本地數據庫和分布式數據庫，對存儲的數據進行加密處理，當需要進行數據共享時，只有申請通過的節點才能訪問數據庫，沒有訪問權限的節點只能看到密文。

2.2 區塊鏈共識機制

在區塊鏈中的任何節點都可以對某一節點產生交易后的廣播消息進行驗證，最終形成一種統一的共識。區塊鏈網絡中的任何節點都不依賴于中心服務器，是高度去中心化的，即：所有節點都具有相同的地位。去中心化的實現最主要的是共識算法的應用

。

9）加強工程檔案的收集管理。建設單位應對相關工程資料進行收集和整理，保證工程資料和數據的完整性和準確性。遇到工程質量問題，就可以依據資料分析問題產生的根源所在，找出質量事故的當事者，提出解決問題、處理問題的方法，必要時可在經濟上對事故責任方提出索賠要求時提供依據。

公式（4）是“星形”電力通信構架的抗毀性計算公式，其中

為主節點的抗毀性。

2.3 基于WSN構架的狀態量采集安全儲存方案

WSN是一種分布式傳感網絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器，其傳感器通過無線方式通信，網絡設置靈活、設備位置可以隨時更改，還可以與互聯網進行有線或無線方式的連接。將2.1節中的方案模型輸變電設備狀態量的采集存儲過程使用WSN 架構，可以更實時、更方便、更靈活地識別狀態量。

在Matlab/Simulink中搭建直流電機模糊PID控制模型進行仿真，對比基于自調整因子模糊PID控制器與傳統模糊PID控制器控制效果。

SN 是感知和采集各輸變電設備狀態量的節點，通過無線通信傳輸數據，在通信過程中易于受到監視和偽造數據。因此，在數據傳輸過程中SN需要一種安全的保護方法，以確保數據的準確性和防竄改性。例如，必須對SN進行身份驗證，并應檢查SN 發送過來的狀態監測數據的完整性和有效性，然后才能信任該數據，否則攻擊者可以替換該數據，甚至冒充其他SN以進行攻擊，廣播不正確的數據

。

SN 首先需要在加入網絡之前向CC 獲取合法身份，然后獲取相應的認證信息和系統參數，SN將傳感器中的數據上傳到數據存儲器（Data Storage，DS）。DS在確定其合法性并進行下一步之前，會驗證身份并請求有關SN 的信息。DS 將特定時間段內的數據分類并收集為塊，然后對數據進行簽名并將其廣播到整個網絡。所有DS都參與分布式共識過程，以爭奪數據寫入許可。

在生物教學中存在著許多的重點與難點知識，但是受到教學條件等因素的影響，使得學生的理解難度不斷增加，進而產生了厭煩的心理。針對這一現象，教師就可以借助視頻或是PPT來進行教學，組織學生觀看視頻內容，從而找出學習的重點，提高學習的效果。

在確保網絡中的節點標識和數據信息合法之后，DS 會在固定時間間隔收集狀態監測數據。DS 對數據進行數字簽名和驗證，并將它們按時間順序臨時存儲在本地數據庫中。當記錄數據庫的大小等于區塊的大小時，系統會將數據打包到區塊中。為了確保可追溯性和抗竄改性，每個區塊都包含系統中前一個區塊的加密哈希值

。在DS 根據隨機數和前一個塊的哈希值、時間戳、Merkle 等計算當前塊的哈希值之后，計算出滿足

sh(

+

-

)＜

的隨機數。θ為系統用于計算DS 的正確隨機數的難度值。系統可以調整θ的值以控制找到特定的速度。最快找到目標哈希值的礦工（DS）可以將區塊和特定的隨機數廣播給其它的DS。其它DS 審核交易記錄和區塊中的隨機數。如果驗證通過了該區塊，則該區塊中的數據將按照時間順序添加到主鏈的末尾。

編者按：改革開放40年來，全國各地各門類舞臺藝術作品有繼承有創新，有堅守有突破，百花齊放，成果豐碩。為紀念改革開放40周年，回顧總結改革開放以來優秀舞臺藝術成果和創作經驗，梳理探討其間的藝術現象和發展態勢，以利于我國舞臺藝術事業的繼往開來，本刊近期重點關注改革開放以來各門類舞臺藝術的創作與發展情況，在“論壇主頁”和“本期關注”欄目推出“改革開放與舞臺藝術”專題。

共識過程由授權的DS 和主節點（假定為0DS并標記為主節點）執行。主節點為計算有效工作量最快的DS，其它授權的DS 作為從節點。圖3顯示了主節點向從節點廣播數據區塊和時間戳以進行驗證和檢查。 例如，

DS

，

DS

，…

DS

…

DS

是從節點，而

DS

是異常從節點。異常從節點通常是惡意節點或者是故障節點，不會響應來自其它節點的消息請求。當網絡中的節點總數為

時，并且異常節點的數為

。PBFT 共識機制允許存在

的異常節點而不會影響共識結果。如果主節點和從節點都收到一定數量的相同請求，則它們會反饋給客戶端。只要滿足異常節點值

，則共識結果將不受影響，遵循少數族裔的基本原則。最后，所有節點都達成共識，可以將新塊添加到聯盟區塊鏈。主節點將當前審核的數據塊和相應的數字簽名記錄發送給所有授權的DS 以供存儲。然后將塊存儲在區塊鏈中，主節點將得到獎勵。節點進一步分析系統中未經授權的審計結果，以確定DS 是否具有惡意，并且及時處理異常從節點。CC 將根據反饋結果維護或拒絕異常從節點。參與共識的從節點，使用PBFT 共識算法來實現更好的分布式網絡容錯能力，并且更加有效地保證系統數據的一致性。

數據從SN節點上傳到DS，并且通過消息簽名和身份認證進行驗證，從而保證數據的可追溯性和安全性。然后，DS 將數據塊廣播給所有DS。整個網絡將會使用PBFT共識算法來獲得一致性。一旦整個DS 網絡驗證通過了數據塊，數據塊將保存在區塊鏈當中。區塊鏈副本分布在整個網絡中的每個DS中，以提高系統的可靠性和可擴展性。

2.4 方案實施策略

本方案輸變電設備狀態量采集基于WSN 架構進行采集和存儲，診斷中心和監察機構的診斷結果和監察機構結果進行上鏈存儲時，只有擁有訪問權限的節點，才能進行上鏈操作，沒有訪問權限的點將會自動駁回。方案中，具體的數據存儲發布、訪問如下。

[5][6][7][8][12][13][14][20]鄭玄注、孔穎達疏：《禮記正義》，十三經注疏本，上海：上海古籍出版社，1997年，第1611、1457、1612、1641、1681、1456、1241、1471頁。

輸變電設備的狀態量數據龐大，需要占用成百上千兆的儲存空間，由于區塊鏈的區塊大小有限，在數據存儲中用到了本地數據庫和分布式存儲庫來存儲輸變電設備原始狀態量以及診斷結果信息的原始數據

。為了防止數據庫受到非法攻擊，數據上傳到數據庫之前先進行加密處理，有訪問權限的節點通過驗證后可以訪問原始數據，來實現數據資源的發布共享。

登子堅持要把甲洛洛送回家。兩個人走在空蕩蕩的街上，月亮只有一小半，遠遠地掛在宏日山頭，月光下有幾只野狗餓著肚子無法入睡，茫然地看著他們走過。

初始狀態時，數據存入數據庫中沒有訪問權限的節點一概不能查看數據，在方案實施時，只有通過了控制中心的授權節點才可以訪問加密的數據，再通過公私鑰進行驗證獲得數據，從IPFS中下載原始數據。

3 區塊鏈通信架構安全性分析

在該方案中，采用聯盟鏈來搭建該系統，利用非對稱加密算法對數據進行加密，保護傳輸過程更加安全可靠。區塊鏈技術去中心化的特點依賴于P2P 網絡的應用，P2P 網絡不同于傳統的“星形”模型，P2P 網絡中的各個節點既是數據的提供者，也是數據的獲取者

，實現信息交換、磁盤存儲共享、計算資源共享，以P2P 對等的形式通信，各個節點共同維護數據的分布式存儲。尉耀穩等

通過抗毀性、生存性等指標來衡量通信的可靠性。

3.1 抗毀性指標

因為網絡架構、信道連通等因素，不同架構的抗毀性評估方式不同；在抗毀性分析中不僅需要考慮網絡的拓撲結構，還要考慮鏈路和其他節點的影響。基于文獻[10]，區塊鏈節點整體抗毀性公式如式（1），此方法兼顧考慮了結構和其他節點的影響。

式中，

為P2P 網絡節點總個數，

r

表示節點

相連的第

條通信信道的可靠度，

r

表示節點

的通信可靠度。

(5)分別以兩個候選區間中的輪廓點作為樣本點,估算DE和EF的直線方程y=kDEx+bDE和y=kEFx+bEF;

公式（2）中

I

為通信架構節點

的抗毀性，

l

表示與節點

相連的信道數量。

公式（3）中

I

是節點為N時通信網絡中整體的抗毀性。

以愛茉莉太平洋為例，從2017年開始，集團在堅守中國市場戰略布局的同時，加速拓展海外市場。僅2017年9月，旗下雪花秀進軍法國市場；悅詩風吟開出美國首店；蘭芝入駐144家美國絲芙蘭門店。

PBFT 機制是基于“拜占庭將軍問題”而提出的，這種機制需要解決在已知存在惡意節點的前提條件下，怎樣確保其它可靠節點能夠達成一致共識的問題。如果有

個惡意節點的時候，那么對總節點數

的要求應該要滿足

≥3

+1。這種機制不需要發行代幣，也不需要通過使用算力競爭的方式來獲取區塊記賬權，因此能夠節約不必要的算力和電力資源的浪費。

本文區塊鏈P2P 結構如圖4，假設有N 個DS，就有N 個節點，此結構為雙層嵌套結構，節點的抗毀性不能使用公式（1）的完全P2P結構公式進行計算，應該使用公式（2）和公式（3）。令

r

=

r

，因為實際架構的可靠性遠遠大于0.9，所以取值從0.90～1.00，N=10；對比“星形”和本文輸變電設備狀態量P2P拓撲結構進行抗毀性分析。

由圖5 可知，本文雙層嵌套P2P 網絡拓撲圖的抗毀性高于傳統具有高度中心化的星形結構，且嵌套結構的抗毀性趨于1 的附近，說明聯盟鏈的區塊鏈技術在實際通信中的優越性。隨著可信度的提高，顯然抗毀性也在提高，若要整體通信的性能提高，每條支路性能提高也是必要的。

當拓撲結構的可信度確定時，令

r

=

r

=0.9，節點 N 的數量從 3～100 變化，得到如圖 6 所示的隨節點個數變化的抗毀性，由此說明隨著大量的節點加入系統結構時，傳統“星形”通信構架隨節點增加抗毀性越來越低，但P2P構架的抗毀性隨加入的節點增加而增強，進一步說明基于區塊鏈的點對點通信構架的優越性。

3.2 生存度指標

通信網絡的生存度指標是用于度量當網絡遭到破壞后，剩余節點的拓撲結構的連通能力和生存能力的指標。尉耀穩、黃虹、翁利國等

認為，在節點隨機失效，但是鏈路可靠的情況下，建立通信架構的生存度評價指標模型。P2P通信網絡結構框架采用加權法表示生存度，當跳數為1，且節點可靠度都相等的情況下進行討論，運用式（5）進行定量分析。

采用SPSS 19.0統計學軟件對所得數據進行分析，計數資料[n（%）]的比較采用 χ2檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。

式中，S 表示生存度，N 為節點數，

α

表示為節點

的生存度的加權系數。

式中，

S

為P2P 通信網絡結構總體的生存度，P為節點的可靠度。

式中

S

表示的是傳統“星形”通信構架的生存度求解。

假設當網絡節點N=10，所有節點可靠度P 都相等，令節點可靠度從 0.90 到 1.00 取值且以 0.01為間隔進行生存度對比分析，見表1。圖7 為隨可靠度變化的星形及P2P拓撲結構的生存度。

由表1和圖7可見，隨著節點可靠度的增加，網絡拓撲結構的通信生存度增加，但是基于區塊鏈的P2P 網絡結構的生存度上升趨勢更加明顯，說明當遭遇外部破壞，基于區塊鏈的網絡架構生存能力更強，這得益于區塊鏈的點對點去中心化的結構，規避了傳統“星形”通信架構中心點受到破壞后網絡癱瘓的風險。當節點可靠度為0.99時，與傳統網絡生存度相比，P2P網絡的生存度增長7.925倍。

4 結論

本文基于WSN 架構和區塊鏈技術，設計了輸變電設備狀態量數據采集診斷和監管整體方案，闡述了節點身份認證、區塊鏈生成、數據上鏈的過程，詳細描述了方案數據存儲、數據訪問發布的方法，形成了P2P 網絡構架的系統。通過抗毀性和生存度指標定量對比基于區塊鏈的通信系統和傳統中心化的系統，分析區塊鏈通信系統的優越性，避免了中心化系統帶來的弊端。此研究使電力信息采集、存儲、診斷、監管形成有機整體，運用區塊鏈技術的優越性，使數據可溯源、不可更改、公開透明，為龐大的電力信息處理提供了思路。

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