基于區塊鏈技術的變電站繼電保護實物ID結合技術

葉 海 胡 鵬

（1.國家電網有限公司華東分部調控分中心，上海 200120；2.上海九洲信息技術有限公司，上海 200120）

目前，電網中的設備資產狀態和定值數據的在線管理體系不夠成熟和完善[1]。保證繼電保護全過程管理中數據安全、數據完整、數據唯一以及設備管理節點擴展是實現繼電保護體系全過程管控的重要一環[2]。在區塊鏈上升為國家戰略和納入新基建的雙重機遇下，需要研究基于區塊鏈技術透明、安全、去中心化運行的特點[3-4]。

深化基于實物“ID”和區塊鏈技術的繼電保護基礎信息管理，完善繼電保護全業務統一數據模型，實現不依托任何集中服務器。繼電保護等二次設備間組成對等網絡，提供保護數據分布式數據存儲和分布式運算，完成二次設備基礎信息和運行數據融會貫通以及獨立運行[5]。

我國統一的電力市場交易平臺為電力交易市場化進程提供技術支撐。電力主體的入網給配電市場帶來極大的不確定性，實施按月結算的中長期交易模式，會造成的電量偏差，產生巨大的調度成本。因此，為了合理有效地調度分散、靈活的入網可控負荷，保護電力用戶的隱私不受泄露，可以利用區塊鏈技術構建一個全新的分布式交易機制。

區塊鏈作為一種非對稱加密的分布式賬本，具有各節點平等、購售信息不可篡改、用戶行為可追溯等優勢，有助于各電力主體共同維護交易平臺的可持續發展，具備很強的魯棒性。應用區塊鏈技術可以直接實現分布式交易模式下各主體購售電信息的互通，保證數據透明化，降低交易的不確定性。智能合約是由計算機處理、可執行各交易者需求合約條款的自動交易協議，為提升區塊鏈交易平臺的安全運行效率提供技術保障。

有研究人員探討將區塊鏈技術應用于分布式電力交易的可行性，設計基于區塊鏈技術的分布式能源雙向拍賣協議。在需求側資源方面，為實現需求側資源的靈活調度，可以使用含激勵的去中心化電力交易模式構建分布式電力交易的總體框架。

文章主要研究基于區塊鏈技術的繼電保護體系與實物“ID”結合的管理辦法，參考實物“ID”的技術特點，設計區塊鏈數據結構和存儲格式，實現區塊鏈技術和實物“ID”相結合的技術應用。結合現場作業需求開展數據自動錄入、壓板校核、定制校核、備品備件管理、裝置自動檢測等功能建設，實現移動運維作業的實用化、精細化管理應用，提升移動作業效率，在區塊鏈技術的應用層上實現繼電保護全過程業務管理。

1 變電站繼電保護實物ID結合技術

變電站實物ID結合技術是使用上位機、通信光纖以及各類測量轉換模塊實現變電站繼電保護實物的數據共享融合和精益化管理。變電站繼電保護實物ID結合技術的本質是將基礎、管理、監測監控等多類型的數據進行相互關聯，實現去中心化。

基礎數據主要包括相關調試工程師的個人情況信息、變電站內部各條線路的多類型參數、變電站中繼電保護一次側及二次側設備的參數、地理定位系統（GPS）參數等。

管理數據主要涵蓋對變電站各個設備故障排查的信息、運維工程師例行檢修的信息以及一次側及二次側設備的更換等歷史信息。

監測監控數據在變電站區塊鏈系統中是留存接口，與多類型的傳感器以及攝像頭相連，收集變電站一次側及二次側設備的監控數據，進行統一管理。

系統能夠對運維工程師、一次側及二次側電氣設備以及監控設備的運行狀態進行評估，保證系統健康安全地運行。將被監測的繼電保護設備狀態信息、管理文件、故障告警解析成信息圖形，實現在屏幕中對信息的直觀監測。

基于區塊鏈技術的變電站繼電保護實物ID結合架構如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈技術的變電站繼電保護實物ID結合架構

由圖1可知，架構可以分為網絡連接和邏輯連接兩大組成部分，實現變電站繼電保護的各類信息、電站內智能電氣設備（Intelligent Electrical Device，IED）網絡連接情況、虛擬端子連接情況的實時查看。

變電站繼電保護實物ID結合技術可以對設備臺賬、運行狀態、巡視信息、圖檔模型、缺陷維護、功能調試、二次設備、定值整定等信息的多類型數據進行實時管理，實時展示繼電保護設備狀態、故障信息、配置文件以及通信故障信息。虛擬端子或虛擬通道發生異常時，區塊鏈運維平臺能夠在海量數據中迅速尋址，在指揮系統顯示屏中突出顯示，實現對變電站異常信息及故障告警的高度可視化，提升變電站繼電保護設備的智能化水平。

2 共識機制選取及小程序開發

2.1 共識機制選取

在基于區塊鏈技術的變電站繼電保護平臺中，為了使平臺穩定、可靠地運行，使用共識機制記錄各個節點，每個節點與其他節點進行競爭，獲得一段時間的數據記錄權。在去中心化的區塊鏈平臺中，提出可信芯片的共識選取機制，由可信芯片完成響應的計算，機制不占用平臺中主板的接口資源，可信芯片設置在運維人員的移動式設備中，嵌入式小程序，使終端具備生成區塊、廣播區塊、驗證區塊等功能。使用小程序驗證各個節點或終端生成隨機數的時間，時間最短的節點或終端為本次競爭的獲勝者，獲得一段時間的數據記錄權。

2.2 小程序開發

小程序開發是實現共識機制的關鍵，微信小程序技術發展較成熟，擬使用微信平臺對小程序進行開發。小程序界面簡潔，不存在冗雜繁多的功能，必須使用分布式服務器相關聯，進行變電站繼電保護設備的數據通信。微信小程序的操作界面內，運維工程師能夠使用圖、文、音等多媒體功能對變電站繼電保護設備的運行狀態以及歷史信息進行觀測，及時獲得指揮部的命令。

小程序開發過程中，需要做好前期準備工作，包括工具的研發和授權的申請；找到合適的變電站作為小程序的試點平臺，試點變電站必須在微信公眾平臺上進行注冊，經微信官方授權后，開發面向變電站繼電保護系統的共識機制小程序。

基于區塊鏈技術的變電站繼電保護系統需要設計使用者登錄界面，與傳統的web界面以及手機app程序相比，登錄變電站繼電保護系統微信小程序僅需要使用變電站的官方微信賬號，綁定賬號后登錄。使用微信小程序的變電站繼電保護系統研發過程中，對用戶授權的申請以及開發位于初始階段，是最重要的環節，是保證用戶唯一性的關鍵技術手段，與傳統的web界面以及手機app程序開發存在本質區別。

微信小程序用戶認證流程如圖2所示。

圖2 微信小程序用戶認證流程

基于微信官方發布的用戶開發認證流程中，將基于區塊鏈技術的變電站繼電保護系統中必須收集或上傳的用戶基本信息與微信用戶openid和session_key進行關聯，實現微信用戶認證授權的需求和基于區塊鏈技術的變電站繼電保護系統自身的用戶認證要求。

基于區塊鏈技術的變電站繼電保護系統的用戶數據如表1所示。

表1 基于區塊鏈技術的變電站繼電保護系統的用戶數據

在程序開發階段，試點變電站必須嚴格使用“微信開發者工具”，不得運用第三方平臺提供的任何技術支持，小程序框架應與“微信開發者工具”一致，否則會出現無法編譯的錯誤。完成小程序設計后，上傳代碼，通過微信官網審查后，可以將小程序進行投運，初步構建基于區塊鏈技術的變電站繼電保護。

微信小程序的具體開發流程如圖3所示。

圖3 微信小程序開發流程

變電站中，運維工程師使用的小程序受指揮部的協調控制，變電站突發故障時，指揮部可能無法在第一時間對突發故障進行詳細的掌控，無法正確下達對現場的指揮命令和多類型資源的調控命令，需要在突發故障的實際位置繼續增設現場指揮區塊，將該區塊融入構建的區塊鏈中，使指揮部能夠更加清楚地了解現場的故障情況以及運維工程師的搶修情況，保證指揮部下達的各類命令的正確性。

運維或搶修結束后，小程序將自動上傳相關運維搶修報表，形成報告，對本次運維搶修的工程師、指揮長等工作人員的各種工作表現以及對命令的下達、傳達、執行的綜合情況進行整合，根據變電站繼電保護設備現場的實際環境情況，對相關人員的表現進行綜合評估，上傳評估報告。變電站其他運維工程師可以隨時在小程序中下次學習本次運維搶修的各類型報告，現場指揮長能夠在應急預案中對其進行例行查詢。

3 結語

本文基于區塊鏈技術研究變電站內繼電保護實物的ID結合技術，實現基于實物“ID”的設備臺賬、運行狀態、巡視信息、圖檔模型、缺陷維護、功能調試、二次設備、定值整定等信息數據的自動關聯，促進數據共享融合和精益化管理；設計共識機制選取方案以及小程序開發策略，保證整個變電站繼電保護系統區塊鏈的安全性和完整性，相關運維人員能夠通過小程序便捷、高效地獲取相關數據。