区块链技术在智能电网稳定控制系统中的应用

雷 鸣， 崔晓丹,2， 杨天舒， 梁师哲， 吴家龙， 许剑冰,2

(1. 南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院)， 江苏 南京 211106； 2. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室， 江苏 南京 211006)

安全稳定控制系统(简称“稳控系统”)作为电力系统安全稳定第2道防线的重要手段，在我国电网发展过程中发挥着极其重要的安全保障作用[1].随着我国电网的规模不断发展，特别是在特高压交直流电网发展的过渡期，电网特性愈发复杂化，大扰动下系统性的失稳隐患持续存在[2-3].为了保障电网安全运行、阻断连锁反应，稳控系统已经成为重大输电、电源建设、网架改造等重大工程的重要配置，发挥着不可或缺的作用.然而，随着电网稳定问题的跨区域演化、多稳定形态交互作用，稳控系统的架构设计、控制策略也变得越发复杂，给稳控系统本体的可靠性带来潜在隐患[4-5].

为提升稳控系统自身可靠性，需要对其进行全方位的控制.目前对于稳控系统的控制，电网调度部门已经形成了相关企业或行业标准，对其可靠性的把控起到了关键性作用[6].然而，当前的控制方式仍以人工、逐层管理的方式为主.由于整个控制过程涉及到相关管理部门、运行单位、设备厂家、设备用户、第3方验证单位等多类主体，当前模式存在诸多问题或不足，主要表现在：① 工作效率低.由于目前管理模式大部分采用线下管理，通过人工操作进行，导致稳控装置策略和定值信息等无法实时获取数据，工作效率低下；同时，人为操作不当也有可能造成关键数据的错误修改和丢失，存在安全隐患；② 过程难追溯.目前控制模式缺乏对稳控系统控制过程中的事前、事中、事后数据进行有效管理和可控使用，导致装置非正确动作发生后，难以进行追溯；③ 在线监管及数据更新难.当稳控数据被修改时，管理部门及运行单位难以对现场装置运行数据及时监管，进而同步更新保持一致[7].

近年来，很多学者和研究人员对区块链技术及其应用进行了大量研究.区块链在电力行业方面具有广阔的应用前景，目前主要集中在能源交易、数据存证、安全防护等方面.文献[8]提出了基于联盟链的分布式能源交易模型，可为促进分布式能源交易提供决策支持.文献[9]提出了一种基于区块链的电力营销数据存储架构，支持电力数据上链、电力数据传输，具备存储稳定性高、数据可追溯等优势.

文中着力于区块链在电力二次系统框架性设计和实际应用，将区块链技术应用在稳控系统管理中，利用区块链技术的分布式存储、防篡改、非对称加密、共识机制等特点[10-12]，将稳控系统管理各阶段涉及的试验验证、现场联调、运维管理等实时和历史数据等进行区块化封装及分布式控制.基于Hyperledger Fabric平台[13]，设计基于区块链技术的稳控系统管理系统架构，同时采用股份授权证明共识机制(delegated proof of stake, DPOS)，根据稳控系统管理过程中涉及的数据信息，设计区块结构.最后，以目前正在进行的某示范应用工程为例，验证实际效果.

1 可行性分析

1.1 区块链技术

区块链的概念来源于2008年发表的文章《比特币：一种点对点的电子现金系统》[10]，起初是作为比特币的底层技术和基础架构被发明的.区块链是一个分布式账本，是一种通过去中心化、去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案[10]，是在不依赖第3方的情况下,通过加密算法将信息验证后上传至分布式节点,形成链式结构的信息处理技术.其融合了密码学原理、概率论、计算机等多学科成果，具有去中心化、数据不可篡改、无需信任等优点，已被应用在金融、司法、公证、能源、公共服务等领域[10].

1.2 区块链技术在稳控系统管理中的可行性

稳控系统管理涵盖试验验证、现场联调、运维管理等主要环节，涉及管理部门、运行单位、设备厂家、第3方验证单位等诸多相关方.

基于区块链技术，管理员首先为每个新用户(管理部门、运行单位、第3方验证单位)分配公私秘钥，管理员和用户可以通过公钥来识别网络中的用户或自身.当进行试验验证时，将设备厂家以及试验验证流程管理中涉及的各阶段中的试验数据等生成一条包含用户、设备信息、试验流程中试验记录等信息的试验验证流程记录，利用用户的私钥对其进行数字签名，然后进行上链，加入区块链网络，可以有效防止任一方在没有得到各方同意允许下私自修改执行程序、策略文件及定值数据、中间试验数据等信息，提升试验验证数据及结果的可靠性.此外，用户可以查询自己设备的试验验证全部记录，管理员可以对用户进行管控，及查询所有用户的全部试验验证记录，支持试验验证全过程步步留痕，提升试验验证过程与结果的公信度.

现场联调与试验验证阶段类似.运维管理阶段，对稳控设备实时信息可以采取手动、自动(周、天)上报和校验，与历史信息进行比对，如果检验结果不一致，发出告警信息.综上，鉴于区块链分布式存储、防篡改、可追溯和各方信任共享机制等特点，区块链技术是解决稳控系统管理过程中诸多问题的有效途径.

2 区块链在稳控系统控制中的应用

根据稳控系统的特点及控制的高要求，在稳控系统全生命周期控制运行框架中，稳控系统全周期业务流程图在国网的业务体系中已经在试运行，主要需进行的工作是构建区块链网络，在各业务节点部署区块链节点，接入区块链网络.

对稳控系统的控制过程涉及试验验证(试验启动、试验实施方案制定、试验环境构建、试验环境效果评估、试验验证、试验报告编写、试验内容变更、试验验收)、现场联调、运维管理等阶段，涉及的部门包括管理部门、运行单位、设备厂家、第3方验证单位.

2.1 基于区块链的稳控系统管理运行架构

稳控系统管理业务流程由验证单位设计，目前处于试运行阶段，如图1所示.

图1 稳控系统全生命周期控制运行架构图

根据业务流程图建立由管理部门、运行单位、试验验证单位、设备厂家组成的稳控系统管理成员联盟.所有成员单位根据授权拥有不同的权利和义务.设备厂家提交设备在验证单位进行试验验证，这是稳控系统管理的起点；试验验证完毕，在现场联调进行现场部署转入运维管理；最终按照退役管理规定进行设备退役，该设备的管理结束，整个过程中都有相应的数据和记录.

以试验验证阶段为例，其过程涉及的各成员的权利和责任如表1所示.

表1 试验验证过程涉及各成员的权利和职责

2.2 基于区块链的稳控系统控制应用架构

文中基于区块链技术，构建了稳控系统控制架构，如图2所示，其自下而上由基础设施层、区块链服务层、业务层、应用层依次连接组成，其中区块链服务层作为稳控系统控制的基础，各区块链节点连接基础设施层和业务层，采用区块链技术对稳控系统控制中涉及的信息进行数据存证，实现相关信息的不可篡改、记录可追溯及数据一致性保证.

图2 基于区块链的稳控系统控制应用架构图

基础设施层是整个架构的最底层，包含存储设施、网络设施、操作系统等，还包含一个无中心网络.网络各节点用来存储稳控系统控制中的数据资源，通过一系列分布式存储的算法和逻辑，结合上层的区块链服务层、应用层，实现数据在基础设施层的可靠性、一致性和完整性.

服务层提供区块链相关服务，主要包含成员管理、智能合约管理、试验验证、现场联调、运维管理等阶段涉及的信息管理.文中采用业界较为成熟的商用级解决方案Hyperledger Fabric平台[13].区块链服务层主要由Fabric平台和运行于该平台的稳控系统控制智能合约程序两部分构成，核心目的是将稳控系统控制中相关数据转化为相应区块与记录的数据结构，实现区块链的共识机制、数据签名等.具体地，Fabric平台主要提供区块链账本维护、分布式共识和成员管理等功能，而稳控系统管理智能合约则实现试验验证、现场联调、运维管理等具体业务的执行处理.稳控系统控制中相关信息在存储到基础设施层的同时，会将关键信息Hash值通过Merkle树的形式上链，这样就实现了关键信息的不可篡改、记录可追溯，同时数据一致性也会通过检验进行确认和保证.

业务层实现应用层的业务请求传递和后台业务管理功能，主要包括访问控制、稳控系统数据记录查阅、业务管理等.具体可采用Java Web技术实现，通过Fabric提供的API接口实现交互，将业务过程中涉及相关关键数据封装后提交到区块链服务层中处理.同时，它通过Web浏览器为管理部门、运行单位、设备厂家、第3方验证单位等赋予不同的职责及功能.

应用层通过客户端为系统用户提供操作界面和相应的业务功能，主要实现会员的注册、成员登录和退出等.

2.3 区块数据结构

稳控系统关键数据包括：装置编号、装置名称、装置类型、装置等级、所属单位、投运时间、生产厂家、电压等级以及运维管理中产生的重要数据.稳控系统控制中采用的区块链数据结构见表2.

表2 区块数据结构

需要指出的是，由于稳控系统控制过程中产生的数据较多，在实际应用中，只需将关键数据Hash值上链，数据本身存储在链下服务器中，即可实现关键数据的存证、可追溯及一致性确认.

稳控系统控制过程中关键数据完成区块化封装后采用公钥对数据进行加密，之后发布密文使管理部门、运行单位、设备厂家、第3方验证单位根据授权权限，采用对应的私钥对密文进行解密从而获得所需的稳控系统相关关键数据信息.

2.4 共识机制

由于稳控系统控制过程中涉及的区块链节点基本可信，为避免算力浪费，文中采用股份授权证明机制，DPOS共识机制是一种基于投票选举的共识算法，该机制采用投票的方式选举权益代表.DPOS能大幅度提升选举效率，在牺牲一部分去中心化特性的情况下得到性能提升,使得共识达成的周期要短很多，同时可保证系统数据的防篡改和安全性.目前，已经有很多相对成熟的采用DPOS的项目以及平台，开发可借鉴性较强.

3 应用案例

以目前正在进行的某稳控系统控制项目实践为例，验证区块链的实际应用效果.具体地，以已完成的稳控系统控制中的运维管理阶段为例进行说明.

3.1 具体应用场景

在项目中，运用区块链技术解决稳控系统控制过程中运维管理阶段策略文件和定值文件易被篡改、难以在线监管的问题.目前，试点工程共包含4个区块链节点，其中3个区块链节点为调度管理部门A、调度运行单位B、C，另1个区块链节点为试验验证单位.基于区块链的稳控系统运维管理阶段流程图见图3.

图3 基于区块链的稳控系统运维管理阶段流程图

3.2 功能实现

项目开发了基于区块链的稳控系统管理应用平台，实现了稳控数据的上链存证，同时通过实时或定时监测与核查，保证了稳控数据在装置侧和管理侧的一致性.稳控系统是电力系统安全运行的重要系统，在电网运行中需要经过管理部门(国调中心)、生产运行部门(省公司)、第3方入网检测机构、厂家多方协调，目前都是线下纸质材料盖章流程管理，容易篡改(安全性低)、效率低(一趟流程走下来需要至少几天时间)；而现在区块链的管理系统仅需要几分钟操作即可，同时也实现了所有上链过程的可查询(区块链的本质优势之一).基于区块链的稳控系统管理应用平台界面如图4所示.

图4 基于区块链的稳控系统管理界面

稳控数据在稳控装置试验验证结束后，通过区块链上链模块进行上链存证，结果如图5所示.

图5 稳控数据上链结果示意图

在稳控装置运维管理阶段，首次运行的稳控装置与链上数据进行一致性比对，确保稳控数据是试验验证后的数据；后期稳控数据定时(按周或天)将链上数据和装置侧数据进行一致性检查；同时，可手动对选定稳控装置进行一致性检验，稳控数据的全部变动过程实现了全程记录和可追溯；当装置侧或管理侧数据进行更新后，所有区块链节点可实现稳控数据同步更新，管理部门及运行单位可对现场装置运行数据及时监管.一致性检验示意图如图6所示.

图6 稳控数据一致性检验示意图

4 结 论

1) 利用区块链的技术优势，将区块链技术内嵌在稳控系统控制框架中，使得关键数据信息实现全过程可追溯、不可篡改，打造了稳控系统控制新模式.与目前现有文章大多集中于各个环节的交易设计有较大区别，文中是对电力二次领域生产全过程管理的全面细致的管理和应用，具有实际的应用参考价值.

2) 文中提出的基于区块链技术的稳控系统控制概念和方法，对稳控系统以外的其他类似大型控制软硬件系统、设备的运维管理，同样具有普适性的借鉴意义.当然，目前区块链技术在稳控系统程控制中的应用还处于探索阶段，可借鉴的经验较少，需要在具体研发的基础上，根据应用效果进行持续创新或改进.