基于區塊鏈技術的低壓臺區全狀態信息管理系統

蘇 斌 張 雅 李 程 張 健 李小軍 楊漢軍廖強強

1.國網漢中供電公司

2.上海電力大學

3.國網陜西電力科學研究院

0 引言

三相平衡是指三相電頻率、幅值相等，相位相差120°，但是由于我國配電網多使用三相四線制，低壓配電網的覆蓋面廣、結構復雜，配電網接線規劃不合理、因時間和季節的用電量不同會產生三相負荷不平衡，嚴重的三相不平衡會增加電能的損耗、影響變壓器的正常出力、削弱電能供電質量、增加供電安全隱患［1］。在低壓配電網中，三相不平衡作為一種長期存在且無法消除的現象，電力部門應分析原因并采取針對性的措施。

對于大量新型負荷入網、用戶需求上升等問題，低壓臺區存在一些問題。首先低壓臺區的三相不平衡現象嚴重，農村電網建設早、缺少規劃、臺區走線混亂，大量單相大容量負荷接入臺區，缺少線損等評估信息；其次缺乏臺區實時負荷信息以及歷史狀態信息，難以實現負荷的最優接入；最后臺區管理不科學，缺乏規劃的低壓臺區不利于智能化的發展。低壓配電臺區的問題，從早期規劃、負荷最優接入，到實時監測各個環節都在影響臺區的三相平衡度，因此，為解決臺區三相不平衡問題制定智能管控系統很有必要。

近幾年區塊鏈技術作為分布式共享數據庫，在各領域都方興未艾［2］。根據低壓不平衡臺區實時狀態，基于區塊鏈技術研制一套臺區智能管控的系統，在實現三相平衡等功能的基礎上，還能為電力部門提供數據基礎。

1 三相不平衡智能管控系統總體框架

考慮到上述提到的低壓配電臺區的問題，該系統的設計目的是實現臺區管理的科學化和精細化，為保證三相平衡打下堅實的基礎。從低壓配電支路和負荷的電量信息采集，到根據采集的實時信息保證負荷接入最優，再到最后根據信息庫來調整網絡結構，實現臺區的智能化進程，如圖1。在該系統中，包括終端感知層、通信網絡層、信息匯聚層、管理控制層、外部應用層。其中終端感知層完成負荷和線路信息的采集，信息匯聚層和通信網絡層完成信息的傳輸［3］，管理控制層完成數據的分類，外部應用層完成數據的分析及應用。

1）終端感知層

臺區的智能化管理依賴于信息的采集，對于低壓用戶具有小而分散的特點，所以信息的采集需要一級一級的采集，并傳輸到通信接口機到達通信網絡層。從最初的用電表測量電力用戶的數據采集，再到電表數據傳輸到采集器，最后統一傳輸到集中器，為了節約采集成本，數據傳輸方式包括低壓電力線載波、RS485等通信。

2）通信網絡層

通信層主要為感知層的數據提供網絡接入和傳輸。借助通信網絡層的傳輸，可以將采集到的負荷電量信息、配電網的電流等實時數據傳給匯聚層，最后打包到管理層，通信層的穩定保證了采集數據的穩定可靠傳輸［3］。

3）信息匯聚層

信息匯聚層具有雙向性，向下為網絡層提供接口，實現終端層數據的收集；向上為將采集的數據上傳到數據庫，實現數據的分類，便于管理控制層的應用。其主要承擔下方數據的采集與訪問、數據的處理與分類、數據上傳到數據庫、執行上層的指令。其中數據庫有三種類型：電流、電壓、相序、線損等臺區實時狀態信息的數據庫；臺區負荷歷史數據庫；臺區設備臺賬信息庫。

4）管理控制層

管理控制層對低壓配電網狀態進行分析與管理，從而實現三相平衡方案、臺區用電優化等電力業務。

5）外部應用層

將管理控制層的數據信息與分析信息進行收集，并供外部6個電力分部門進行使用。生產管理、營銷管理、客服系統、用電信息、地理信息、監察等系統根據數據庫的信息，進行三相不平衡度治理、用戶用電引導策略、臺區運行優化系統等。

2 區塊鏈技術

區塊鏈技術也稱分布式賬本技術，是一種互聯網數據庫技術，讓每個人均可參與數據庫記錄，其特點是去中心化、公開透明、防竄改、可追溯性。區塊鏈是由區塊有序連接起來的數據結構；區塊是數據集合的基本單元，區塊又由區塊頭和區塊體組成；區塊頭由哈希值、時間戳等組成，區塊體用于記錄更新的數據［4］。

在分布式數據系統里，節點如何達成共識并將交易儲存在各個節點中的過程尤其關鍵。這個過程需要共識機制的保障，共識機制的種類很多，在實際需要中根據實際需要選取即可。

智能合約的執行與驗證都是無人參與的，區塊鏈中各個獨立的節點共同參與制定合約，通過公私鑰對合約進行簽名，P2P網絡將合約部署到各個節點，對智能合約的哈希值進行計算并驗證，驗證通過后寫入區塊鏈，具有不可竄改性。系統整體框架設計見圖1。

圖1 系統整體框架設計

3 基于區塊鏈的低壓臺區全狀態信息管理系統

為實現臺區的精細化和科學化管理，搭建了全狀態信息管理系統，此系統可以實現對低壓臺區狀態的監測、設備的數據監測，對經濟運行等情況進行管理。隨著電網智能化的發展，低壓配電臺區設備越來越多、監測項目越來越廣、監測數據越來越多樣化、電網規劃與評價越來越重要，為保證低壓配電網的三相平衡且安全運行，采用區塊鏈技術，可以彌補傳統的過中心化、不易溯源等，解決了數據延時、數據安全的問題。

3.1 總體架構

基于區塊鏈技術的管控系統，如圖2所示，其由自下而上的數據層、網絡層、共識層、合約層、應用層連接而成［5］，采用區塊鏈的系統具有去中心化、數據存證據且可溯源、數據安全且不可竄改，完整的系統數據為低壓臺區三相不平衡的管理提供強大的支持，上鏈的系統節點共同維持低壓臺區的三相平衡度。

圖2 基于區塊鏈技術的全狀態信息管理系統總體框架

將區塊鏈技術應用于全狀態信息管理系統，完成傳統低壓配電網管控系統的同時，兼顧區塊鏈的優點。區塊鏈采用多個節點共同參與管理的聯盟鏈，每個層的內容和作用：

1）數據層主要自下而上地完成數據的采集與匯集，記錄用戶的用電信息、配電網的狀態信息、低壓網三相不平衡的電量信息等，完成終端感應層的任務并且每個集中器或者配電終端作為節點，數據存儲在區塊鏈中，此外6個電力部門作為節點對數據的分析與應用結果也應該逐個記錄在區塊鏈中。

2）網絡層應用P2P的傳輸機制，完成節點對節點的全網傳播，與傳統的上下層中心化傳輸不同。

3）共識層利用共識機制檢測數據在節點之間的共享，根據共識算法決定記賬節點。

4）合約層的智能合約和腳本代碼是區塊鏈可編程的基礎，保障數據的安全，此外利用智能合約建立低壓配電網狀態的分析與管理的專家庫，保證專家庫中的規則真實可靠、未被竄改［6］。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生產管理部門進行決策。

5）應用層為各個電力部門應用區塊鏈數據，可以完成三相平衡方案、用戶入網規劃、臺區用電優化、經濟運行管理，實現對配網的風險預警、停電監測、故障搶修、資源調配等各種電力業務［3］。

3.2 基于區塊鏈的節點安全認證

區塊鏈在數據安全方面有效地解決了數據被竄改的問題，為數據的采集、傳輸、接收、存儲的安全提供了保障。針對區塊鏈節點接入的身份認證問題，本節提出的基于區塊鏈的節點安全認證，包括注冊、認證、狀態監測。

區塊鏈中的用戶或者電力部門作為節點上鏈之前，首先需要完成信息注冊。注冊包括裝置編號、裝置名稱、裝置類型、裝置等級、所屬單位、投運時間、生產廠家、電流等級以及運維管理中產生的重要數據［7］，注冊后的信息存在區塊鏈中，實現電表數據與用戶用電費用自動關聯，從而做到用戶精準計費。

認證過程分為三個階段：電表-集中器通信、節點通信、認證信息存儲。本文采用智能合約來完成認證的三階段。合約是由各個節點共同參與制定，合約的代碼、執行過程、執行結果在鏈上對每個節點公開，當需要進行認證時，智能合約自動完成此次認證，系統認證過程見圖3。

圖3 系統認證過程

在電表-集中器通信階段，上傳的數據包括電表數據、配電網數據、各電力部門診斷上傳數據等，當電表等設備數據采集完成后，需要與集中器建立通信，首先給集中器發送信息上傳請求，集中器收到請求后返回身份驗證指令，隨后電表等采集數據設備將身份信息等發送至集中器。在節點通信階段，集中器收到身份信息后根據共識機制選出的節點發送安全認證請求，節點收到請求后返回認證所需要的信息，集中器將身份信息發送到區塊鏈，智能合約自動執行并返回認證信息。在認證信息存儲階段，完成認證后的數據進行公私鑰加密處理、寫入智能合約并存儲到區塊鏈中。之后加密的密文數據在被其他部門應用時，根據授權權限，采用對應的私鑰對密文進行解密從而獲得所需的數據信息［2］，為低壓配電網的三相平衡長期規劃發展提供依據。

基于區塊鏈的系統具有實時狀態監測功能，當設備出現問題、數據異常時，先經過專家庫診斷決策，然后區塊鏈中的生產管理等節點向區塊鏈提交最終決策，通過P2P傳輸機制進行全網廣播，涉及的節點向下傳達設備動作的指令。所有診斷指令將在鏈上完整留存，便于日后追溯。

3.3 區塊鏈結構

區塊鏈是由具有存儲功能的數據塊組成，以時間為序形成特定的鏈狀結構。如圖4所示，區塊由區塊頭和區塊體兩部分組成，區塊頭由版本號、時間戳、隨機數、前區塊哈希值、Merkle樹、共識認證參數組成［5］，區塊體用來存儲低壓配電臺區的數據值、電力部門的決策結果、監察機構的監督結果等業務數據組成，所有節點都可以獲取區塊鏈的信息，各個節點通過計算哈希值來驗證信息的正確與否。

圖4 區塊鏈結構

3.4 系統特點

基于區塊鏈的低壓臺區全狀態信息管理系統，在信息采集環節、數據傳輸與處理環節、數據管理與應用環節預計具備以下特征：

1）去中心化。傳統的自下而上的中心化的分布式網絡結構［8］，海量數據信息傳輸到中心，造成響應速度慢，信息堵塞，數據延時。區塊鏈節點之間彼此獨立，通過P2P進行全網廣播，數字簽名驗證實現數據的傳輸，去中心化的網絡避免了數據的擁堵和數據竄改。

2）透明性。區塊鏈網絡中的信息向全網公開，用戶可以查詢自己的電費情況；配電網故障決策人員可以查到每個用戶、每條線路的實時數據、歷史數據、設備臺賬，以便更加方便地進行三相不平衡度的治理、線路的長期規劃、臺區的優化等；監察機構可以對數據、決策結果和動作結果進行溯源，當發生故障時公平定責。

3）防竄改。當區塊鏈的節點在達成共識之后，同時寫入多個節點，如單個節點對數據進行惡意竄改時，無法獲得全網的共識，避免了傳統管控模式存在的規避責任的情況。

4）安全性。傳統模式下數據采集、傳輸、接收、存儲的各過程都面臨受到竄改的風險，帶來了數據安全問題。區塊鏈系統中沒有中心化的管控方控制整個系統，所有節點都存儲全部數據，若某節點的數據丟失，該節點會自動向其它節點同步數據，從而不影響整個系統的安全運行，可極大地提升數據存儲方面可靠性。

5）自動化與智能化。區塊鏈上可記錄智能合約，自動實現數據的上傳認證，以及確認低壓臺區是否存在故障［2］。如果線路等發生故障或系統三相不平衡，則自動執行評估和斷定低壓配電臺區的智能合約，由此避免事故延期判斷，大幅提升故障檢測與處理效率。

4 低壓臺區評估指標體系

為了更好地幫助決策者了解低壓臺區的薄弱環節，為后期臺區的長期規劃和優化提供可靠的決策意見，使利益最大化，運用AHP分析理念來構建低壓臺區評估指標體系，如圖5所示。評估體系分為三層，第一層為源層，是考慮指標后的綜合結果，用來供決策者判斷的數據支撐；第二層為策略層，包括低壓臺區的技術水平、供電能力、供電質量、可靠性、經濟性；第三層為因果層，其中的每一項都可單獨計算得到［9］。

為克服決策者的主觀因素，采用權重設置來規避。此方法對各個決策者的意見進行統籌規劃，先設定初始權重參數，再進行歸一化處理，最后判斷矩陣的一致性的方法來確定AHP方法的權重設置。

本節為區塊鏈低壓臺區的評估給出方法意見的指導，可以運用區塊鏈的數據庫來進行一系列的后續評估指導，通過上文的注冊驗證成為區塊鏈中可以共識的節點，就可以應用全網的數據庫。

5 結論

針對三相不平衡在低壓臺區治理難的問題，本文將低壓臺區的管控與區塊鏈技術相結合，既從臺區的角度解決三相不平衡的問題，又保留了區塊鏈技術的眾多優點，還能對用戶入網進行規劃、對不平衡臺區電價進行建議系統、對不平衡臺區結構進行優化。本文基于低壓臺區三相不平衡的智能管控系統與區塊鏈技術下電力系統的契合點，研究兩者結合的新型臺區系統，并進行應用實踐驗證。通過構建的臺區系統表明，區塊鏈技術可以滿足臺區三相不平衡等指標的管控要求。