基于區塊鏈和云技術的電力設備數據語義物聯研究

李銳

（云南電網有限責任公司昭通供電局，云南 昭通 657000）

0 前言

隨著城市化進程不斷加速，為解決電力負荷密度較大區域的配電出線開關柜數量不足、進出線受限制等問題，配電系統安裝了大量高壓開閉所設備來加強電網聯絡性及電路可靠性。智能配電系統將泛在物聯、建模仿真等技術投入到高壓開閉所設備中進行應用，與之俱來的是大量電力數據等待篩選、分類及處理。智能高壓開閉所數據物聯系統中不僅包含設備全景信息，還包含了配電網在線監測數據、運行調度數據以電力生產管理數據等信息，這些數據來源各異、形式多樣，具有較強的多源異構性，致使數據彼此間缺少連接、存儲共享能力較差[1-2]。本研究欲借助區塊鏈與云技術來解決高壓開閉所設備數據語義物聯問題，以打破電力數據管理系統之間壁壘，實現高壓開閉所數據信息的泛在互聯、長期存儲以及追溯共享。

1 國內外研究現狀

區塊鏈技術的概念由學者Satoshi Nakamoto在論文《Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system》中首次提出[3-4]。中央政治局第十八次集體學習時，習近平總書記強調“把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展”。區塊鏈技術目前正加速向數字交易、醫療教育、電力物聯網等領域發展[5-8]。Beck R. 認為區塊鏈能夠產生新型經濟體系：區塊鏈經濟。區塊鏈經濟將以一種新的組織設計形式體現出來——分散的自治組織（Distributed autonomous organization，DAO），交易將按照智能合約定義的規則自動執行[9]。Carol I D. 通過研究歐盟監管框架下借助區塊鏈技術進行場外（Over-the-counter,OTC）電力批發交易的情況，并得出結論：區塊鏈應用可以符合當前的監管框架，降低電能交易成本是主要的預期收益[10]。Xu Z. 將區塊鏈與微電網電能交易相結合，建立了基于區塊鏈技術的微電網電力交易信息管理模型，研究顯示該模型每次以近乎最優價格策略有效地維持了市場中各交易主體的效率[11]。Yu Y. 為使社區成員能與鄰居進行對等電力點對點交易，提出了一種基于區塊鏈的分層招標和交易結構（Hierarchical bidding and transaction structure,HBTS），從而確保交易過程的安全性和賬本數據的不可篡改性[12]。Rathore S. 在區塊鏈與深度學習（Deep learning, DL）的基礎上提出了Block deep net，Block deep net 使用區塊鏈技術來確保物聯網中深度學習的機密性和完整性[13]。

李克強總理在2019 年政府工作報告中提出“要把握科技革命歷史機遇，搶占云技術、物聯網的發展先機?！彪S著云技術的關注焦點由“計算處理導向”轉變為“數據管理導向”，云存儲服務作為關鍵性支撐技術被學者作為研究熱點被廣泛關注，研究者對云技術的研究不僅局限于云存儲，而是將目光投向云技術平臺的數據管理服務[14-15]。云技術在使用戶享受數據高速運算服務的同時，還可以將處理后的數據存儲到云平臺上，安全云的推廣為數據資源管理帶來了巨大的便利[16]。Chen F.等分析了云存儲技術的安全性并基于網絡編碼協議構建安全云存儲的系統方法[17]。Li M. 提出建立統一的多云存儲解決方案“CDStore”，用戶可通過其可靠性對數據進行備份來確保信息安全[18]。Gastermann B.提出了一種適用于中小型企業保密性較高的云存儲數據管理模式，該模式安全性強、成本低，相比常規數據管理系統更符合中小企業的發展經營需求[19]。Nayak S.展示了如何在實踐中應用基于云技術的安全存儲服務，并借助SEPDP 系統最大程度上減少網絡對云數據庫的攻擊[20]。

目前，區塊鏈與云技術的迅猛發展受到電網企業以及政府部門的高度重視，隨著智能配電系統中高壓開閉所設備安裝與使用的大幅增加，所產生海量數據的價值挖掘、處理利用成為亟待解決的問題。本研究試圖將區塊鏈與云技術應用在高壓開閉所設備的數據語義物聯管理中，以解決開閉所設備所產生復雜電力數據信息的存儲物聯、追溯共享等問題。

2 區塊鏈與云技術在電力設備數據管理的可行分析

2.1 高壓開閉所設備數據特征分析

高壓開閉所的設備結構較為復雜，其中包括電網傳輸線路、斷路器、負荷開關以及智能終端傳感器?，F有的配電網設備數據與相較以前發生很多變化，不僅種類繁雜格式而且變得愈發多樣化，主要體現在兩方面：首先，這些配網數據信息來源較廣，如來自于設備運轉、智能系統自動反饋等；其次，設備數據結構差異較大，如數據包含文字信息、圖片信息、電力數據信息等。智能終端傳感器會對高壓開閉所運行中產生的數據信息進行實時采集提取，設備運行產生海量且不同類型的數據信息，如數字文字以及時間和坐標等，進而造成提取到高壓開閉所設備數據的異構性。數量巨大且類型各異的開閉所數據制約了電力信息互聯共享，這種異構差異性主要表現為“語義差異”和“屬性差異”。語義差異是指不同數據顯示同一指標時所產生的差異，屬性差異是指數據格式不同所導致的差異，且產生數據量龐大很難對所需的設備信息進行精確追溯，以上原因導致高壓開閉所設備數據信息的互聯性、存儲性、可追溯性較差。

2.2 區塊鏈應用在開閉所數據語義物聯的可行性分析

區塊鏈技術（Blockchain technology）按其準入機制可分為公有鏈（Public blockchain）、專 有 鏈（Private blockchain） 和 聯 盟 鏈（Consortium blockchain），表1 為三類區塊鏈技術的特征對比。其中，聯盟區塊鏈的應用場景最為廣泛，聯盟鏈保留了部分去中心化控制功能，信息處理效率較高，具有較強的可拓展性，且僅對特定群體進行開放，可根據企業或組織的提出的特殊要求進行設計與搭建。高壓開閉所數據在管理過程中需要對大量設備故障進行記錄與追溯以及對電力傳輸信息進行查詢，需借助一種具有全程留痕、不可偽造否認、集體維護的數據信息管理手段。而聯盟區塊鏈所具備的數據分布式存儲、公開透明、信息可追溯能力較強、記錄賬本不易篡改等特征，能夠有效解決高電壓開閉所設備數據管理中各類棘手問題，表2 為區塊鏈應用于開閉所數據管理的可行性分析。

表1 三類區塊鏈技術特征對比

表2 區塊鏈應用于開閉所數據管理的可行性分析

2.3 云技術應用在開閉所設備數據管理的可行性分析

云技術（Cloud technology）可以將廣域網或局域網中的軟件、硬件以及網絡資源連接起來，是集成計算、處理、存儲、共享的數據管理技術。目前云技術發展日益完善、應用成果不斷落地，可以針對高壓開閉所設備運行環節中產生的數據冗余、信息獲取被動、信息更新不及時、數據存儲安全隱患大等問題提出解決方案。通過構建云計算與云存儲視角下的數據管理模式，可以將設備數據進行提取、分析、清洗等處理手段以解決設備信息的冗余問題。云技術高效存儲能力可實現設備數據的云端存儲海量化，以便利用5G 技術實現智能移動終端的內外部工作協調，以實現信息共享最大化，使員工及時判斷并處理開閉所設備的問題，表3為云技術應用在開閉所數據管理中的技術特征。

表3 云技術應用在開閉所數據管理中的技術特征

通過分析對云技術在開閉所數據管理中的應用特征，并對電力設備的管理要求流程進行梳理，將開閉所設備數據進行提取分析、傳輸共享并進行存儲技術的信息建模，在此基礎上構建“智能終端+ 多云技術”模式的配電網開閉所數據管理模型。

3 高壓開閉所設備的數據語義物聯管理機制

3.1 高壓開閉所設備數據的采集提取

高壓開閉所在運行過程中所產生的設備運行狀況、配電額度、運行時間、地址來源等海量數據會被智能傳感器采集，然后通過區塊鏈技術對開閉所的不同類型數據進行采集提取，哈希函數（Hash Function）將提取后的信息轉換成統一格式的字符串，然后將設備運轉信息封裝在加蓋時間戳的區塊中，形成新的節點并鏈接到最長的主鏈上，圖1 為高壓開閉所數據的采集處理流程。Hash 運算是開閉所數據進行非對稱加密的關鍵步驟，目前普遍使用的MD5 信息摘要算法（MD5 message-digest algorithm）可以產生16 字節散列值，以保障開閉所數據傳輸的真實完整性。時間戳等信息通常是以字符串的形式封裝在數據區塊中，標記了設備數據的簽發時間、數字簽名、來源地址等信息，使得電力設備數據具有較強的可追溯性，使電網企業建立不可偽造、不易抵賴的區塊鏈數據庫。

圖1 高壓開閉所數據的采集處理流程

數據采集完成后要進行非對稱加密處理，開閉所在區塊中進行加密并按時間序列進行鏈接，區塊由區塊頭和區塊體構成。區塊頭主要包括序列號、時間戳、Merkle 根值，區塊體包含設備運行數據、公鑰與私鑰、地址來源等信息。當非對稱加密流程進行時，高壓開閉所設備數據關鍵信息通過哈希算法轉化成密文，并將密文存儲至區塊體。參與數據記錄的節點將密文和公鑰進行封裝后鏈接到區塊鏈上，其他節點通過分析區塊頭信息來判斷鏈接的區塊是否合法。若驗證通過后，下一個區塊便會通過私鑰來對密文進行解密，將密文解密后添加到區塊賬本中。至此，區塊鏈本輪數據的非對稱加密流程結束，進入下一輪數據處理。圖2 為區塊鏈視角下開閉所數據非對稱加密流程。

圖2 區塊鏈視角下開閉所數據的非對稱加密

3.2 高壓開閉所設備數據的語義聚合

高壓開閉所設備在配電網運行過程中會產生各種故障，這些設備的故障類型差異性較小，依賴人工識別效率非常低。區塊鏈與云技術可以通過分析設備數據的細微差別，增強數據結構的語義性，使故障識別更加精準。設備數據的差異性主要表現為“語義差異”和“屬性差異”，而語義差異是數據聚合的關鍵問題，通過區塊鏈技術可以建立起數據結構之間的聯系，解決語義沖突等問題，使開閉所數據信息能夠共享和反復應用。區塊鏈技術使用統一資源標識符（Uniform resource identifier, URI）來標記開閉所數據，開閉所數據信息經過處理后存儲在區塊節點中，節點之間依靠資源描述框架（Resource description framework, RDF）來完成連接，節點不斷締結延伸下去最后形成語義網。從某一處節點出發，順著鏈接就會發現更多相互連接的節點不斷拓展，區塊鏈將無數區塊連接起來，區塊中包含的數據包含范圍較廣，數據可以是來源于同一個設備的數據集，也可以是來自不同設備的數據集；可以是相似語義的，也可以是不同語義的。正是由于開閉所數據的特殊性質，使得智能設備既能整合不同類型的信息資源，又能跨數據庫對不同數據進行語義聚合分析。

為了增強配電網中數據信息語義性，可以借助基于混合本體（Hybrid ontology）的異構數據聚合方法對開閉所設備數據信息進行聚合，實現數據重用共享與信息深度挖掘。首先對數據標簽進行預處理，包括對標簽數據的清洗、去重、去燥，選取所需要的標簽數據并對標簽進行切片處理；然后對Tag 進行數據特征處理，如高頻詞、關鍵短語提取以及優化；最后在優化預處理后進行語義關系架構處理，形成微本體（Micro ontology）語義模型。開閉所設備數據信息語義聚合過程如圖3 所示。

圖3 開閉所設備數據信息語義聚合過程

3.3 高壓開閉所設備數據的傳輸存儲

高壓開閉所設備數據通過區塊鏈的部分去中心化網絡進行點對點（Peer to peer, P2P）傳輸，P2P 式的傳輸網絡能將所有開閉所智能感應終端連接起來，形成巨大的泛在物聯網絡，圖4 為區塊鏈視角下開閉所數據信息傳輸網絡。設備產生的數據在扁平式物聯網中進行傳輸交互，智能開閉所終端承擔網絡路由協議，負責區塊信息認證，同時還進行數據信息傳遞。從扁平式的網絡結構看，數據管理系統的結構為部分去中心化、分布式存儲，這種模式優點為不依賴網絡中所有節點數據信息即可在網絡中進行傳輸。若非法節點或失效節點不超過節點總數的51% 則無法發起“雙花攻擊”（51%Attack），外界影響因素很難對區塊主鏈的數據傳輸與存儲產生不利影響。為了解決區塊對開閉所數據識別及信任的問題，區塊鏈中內嵌了工作量證明（PoW）、權益證明（PoS）、股份授權證明（DPoS）、拜占庭容錯（BFT）、實用拜占庭容錯（PBFT）、RAFT 協議以及Ripple 協議等多種共識機制，這些共識機制確保節點在最短時間內識別數據并達成共識，提高了配電網開閉所的設備數據傳輸效率。

圖4 區塊鏈視角下開閉所數據信息傳輸網絡

在開閉所數據進行傳輸的同時，云技術對處理后的數據信息進行實時云端存儲。通過物理存儲器記錄數據備份的策略確實能夠增加信息可靠性。但缺點也同樣存在，開閉所設備數據存儲體量較大，非常浪費存儲空間且消耗存儲性能，這種方案數據存儲往往通過單個主機就能獲取完整數據文件，信息泄露風險較高。在數據存儲過程中，采取存儲備份的方式基于多對映射模型，將數據文件通過特殊方式進行切割，切割完成后對文件塊進行非對稱加密處理，然后依照多對多映射模型的數據備份方式，將分散后的文件存儲在對應的云服務器上。這樣可以減少數據備份所產生的冗余，既確保了存儲系統高效運轉，又能提升每個數據單元的安全性，從多個角度實現了開閉所數據安全存儲與備份。

3.4 高壓開閉所設備數據的應用共享

高壓開閉所的設備物聯與數據應用共享是區塊鏈、云技術以及通信網絡深度融合的產物，是實現萬物互聯和信息互通的基礎[21-22]。開閉所智能終端對采集到的數據進行分析，可以判斷出當前設備乃至整個電力物聯網的運行狀況，當設備出現問題時會觸發智能合約，智能合約不受人為以及外部因素的干擾，按照程序編碼自動執行合約條款。在智能合約運行后，系統會按照預置的編程自動對數據進行互聯共享并反饋相關問題，這同時也為分布式存儲的可靠性以及電力數據的共享與應用性提供了安全保障。數據區塊通過接口獲取所需要的數據信息，在這個過程中建立開閉所數據交互機制并完成預定功能。例如，節點區塊對開閉所數據進行提取后，分析并確認設備是否正常運運轉，分析完成后的數據又被其他節點所獲取重新再次被區塊記錄、傳輸，使數據信息可以被多個部門反復共享應用。通過開閉所的數據分析結果可以判斷出開閉所設備以及配電系統的狀況，對產生的問題及時反饋并解決。

高壓開閉所設備的運行數據借助云技術共享到企業云當中，能夠實現電力企業內部的數據網絡信息互聯共享，云存儲視角下的高壓開閉所數據管理機制的服務器端、云端以及移動端三方數據聯動、同步更新，將開閉所數據統一管理。電網工作人員可以不受時間和地點的限制，隨時登錄系統查看、使用全部公開信息，使開閉所數據的獲取更加快捷方便，同時可以深度挖掘信息潛在價值、提高設備數據利用率。云存儲視角下的高壓開閉所設備數據互聯共享機制，通過搭建“智能終端+ 多云技術”的信息應用模式，梳理高壓開閉所的業務流程與數據處理流程，利用物聯網、工業互聯網實現設備數據的互聯互通，通過對設備信息整合以及創新管理流程來實現開閉所的數據物聯共享。圖5 為云技術視角下開閉所數據的信息共享流程。

圖5 云技術視角下開閉所數據互聯共享流程

4 結束語

將區塊鏈與云技術應用在高壓開閉所設備的數據語義物聯管理中，不僅包含了技術上的創新，同時還包含了管理理念與思維方式的創新。在工業互聯網與電力物聯網快速發展的背景下，本成果對高電壓開閉所的設備帶數據及管理流程進行了分析，確定了高壓開閉所設備的數據集以后，采取適當方法對數據進行處理為信息挖掘和價值共享打下基礎。為了深度剖析電力設備數據信息語義庫中的數據文檔價值，電網企業已經開發出了基于區塊鏈與云技術研發出具有數據提取分類的前端物聯平臺以及存儲應用的后臺共享系統。開閉所數據管理系統通過對設備數據的歸納總結，并根據以往的數據分析形成設備運行管理報告，為配電系統的各個環節進行決策輔助，方便今后新建配電網項目規劃與施工。以高壓開閉所為主的配電網設備數據語義物聯管理不僅是為了獲取更多數據信息，更多是借助區塊鏈與云計算等新興技術進一步挖掘數據規律，利用工業互聯網實現信息在多個場景的實時共享，提升電力數據資產的可利用價值。

本成果將區塊鏈和云技術應用在高壓開閉所設備的數據語義物聯管理過程中，研究了高壓開閉所設備的數據特征以及數據信息物聯管理機制，提升了配電網規劃水平以及運維人員對配電系統的認知程度。但目前將區塊鏈和云技術應用在開閉所數據管理中的學者較少，并且在探索研究過程中存在諸多障礙，希望本研究能加速開閉所設備數據語義物聯管理的科研成果落地轉化。