基于区块链的智能物联电能表功能模组设计

张林浩，陶 鹏，任 鹏，石振刚

（国网河北省电力有限公司营销服务中心，河北 石家庄 050051）

0 引言

数字化主动电网建设提出通过主动管理驱动业态与信息技术数字化融合，提升业务运转效率，对多主体能源及交易数据的交互、隐私保护等核心技术提出了更高的要求。作为主动电网中数量最大、覆盖最广、与用户接触最密切的末端设备，电能表承担着法制计量、高效管理和优质服务的重要功能。但是，在表计应用及用电信息采集系统建设过程中，传统电能表逐渐暴露出管理功能单一、用户交互体验差、扩展升级能力低等问题，无法满足数字化主动电网建设需求[1]。

同时，随着数字化主动电网中分布式能源、储能和电动汽车等技术的快速应用，传统电网结构发生改变，电网主体分散，网络信任机制缺失，难以有效解决电力系统各参与主体的计量、交互、控制及决策等问题。

针对上述问题，设计基于区块链技术的智能物联电能表扩展功能模组，既可解决传统电能表不适应数字化主动电网发展要求的矛盾，又可以解决电网中各参与主体计量、交易过程中的信任问题，促进多形式能源、各参与主体的协同。本文基于国家电网有限公司提出的新一代智能电能表设计理念[2-4]，提出了一种基于区块链技术的智能物联电能表功能模组的设计方法，同时验证了硬件工作的正确性。

1 智能物联电能表模组化架构设计

1.1 系统架构设计

智能物联电能表将电能表的计量部分、管理部分和功能扩展部分进行独立设计，形成计量模组、管理模组和扩展模组。电能表通过独立的计量模组进行电能计量，通过管理模组和功能扩展模组实现相关扩展功能，可在确保计量功能准确、可靠、稳定的前提下，提高表计的兼容性和扩展性，满足电能表新技术的发展需要，为日益多元化、复杂化的管理需求提供充分的预留空间。图1为智能物联电能表系统架构。

图1 智能物联电能表架构

计量模组硬件包括管理芯片、电池、时钟、ESA M 芯片、存储器、脉冲信号等，具备法制计量功能，为保证计量的准确可靠，计量模组可不依赖其它模组独立工作，在结构上采用止逆设计，不支持拆卸及软件升级。管理模组硬件包括主控芯片、按键、蓝牙模块、ESA M 芯片、存储器、液晶等，具备数据路由分发和软件在线升级功能，负责电能表的数据管理、模组管理和模组之间的数据交互。功能扩展模组包括A 型扩展模组和B 型扩展模组，A 型扩展模组主要用于电能表数据通信，实现上行和下行通信功能；B 型扩展模组主要用于电能表扩展功能实现，可根据不同的电能表应用场景进行选配，例如非介入式负荷感知、有序充电控制、电能质量分析等。

1.2 智能物联电能表硬件结构

智能物联电能表的硬件结构遵循“模组化”设计理念，在保证电能计量核心功能的同时，通过管理模组实现电能表数据和通信的智能调度，通过扩展功能模组实现适用于不同应用场景的功能灵活配置。图2为三相智能物联电能表的硬件结构示意。

图2 三相智能物联电能表硬件结构示意

智能物联电能表的各模组在结构上独立，除计量模组外，其他模组通过接插件实现连接，支持带电热插拔操作，在未接入、接入或更换扩展模组时，电能表自身性能、运行参数和正常计量均不受影响。

1.3 扩展模组接口设计

扩展模组通过接插件连接至表体，需要通过合理的接口设计和定义实现数据交互和扩展功能的实现。智能物联电能表与扩展功能模组采用2～6双排插座作为连接件，如图3所示。图3中扩展功能模组的接口引脚定义如表1所示。

图3 扩展模组接口示意

表1 扩展功能模组接口引脚定义

RXD、TXD 用于扩展模组与管理模组之间的数据交互，SCLK、MOSI、CS用于扩展模组与计量模组之间的数据通信，计量模组为扩展模组提供数据支撑，以实现不同功能。另外，为支持扩展模组互换功能，实现不同功能的扩展模组的接口引脚定义应保持一致。

2 基于区块链的模组设计

结合智能物联电能表模组化设计思路和区块链技术，设计一种扩展功能模组，实现智能物联电能表设备信息的注册上链以及数据信息的上链，实现区块链＋物联网的数据加密和分布式存储，提升数字化主动配电网中各参与主体之间的可信互认。

2.1 区块链技术

区块链（Block Chain）是一种去中心化的分布式记账技术。区块链系统中的每个节点都保存有一份完整的账本信息，多个节点使用链式的数据结构存储账本，通过共识机制来共同维护账本。该技术方案让参与系统中的多个节点，将一段时间内的交易数据“打包”成区块（Bl ock），区块之间通过引用哈希值的方式链接（Chain）起来，形成完整的区块链。节点通过对哈希值和数字签名的验证来检验信息的有效性，并将达成共识的区块放入链中。区块链的主要特征可以总结为:去中心化，不可篡改，可追溯性，非对称加密等。以应用到智能电能表的角度看，分布式账本的特征可以实现用电企业、家庭，学校，商户等多参与主体在区块链网络上的查询操作，满足快速检索、详细查询和分布式记账的需求[56]。

信息不可篡改的真实性特征可以保证电能表信息的可信度，用电信息生成并记录到电能表区块链网络后，无法对其删除和修改，用电信息上链后就可以实现信息的不可篡改和便捷追溯，保证参与到区块链网络中各主体用电信息的可信性，建立一个分布式的区块链电力能源价值交换网络。图4为集中交易模式和区块链交易模式示意。

图4 集中交易模式和区块链交易模式示意

图4左侧为集中交易模式，由中心节点负责网络的管理，若中心节点出现问题，整个网络将无法工作；图4右侧为区块链交易模式，网络中每一个节点代表电力市场主体用户，没有中心化的概念，每个节点都参与交易数据管理，最终形成平等的交易网络。

2.2 基于区块链的电能表模组设计方法

设计基于区块链技术的智能物联电能表扩展模组，设计架构如图5所示。

图5 基于区块链技术的扩展模组设计架构

模组由电源模块、核心处理器、电能表串口、NB-Io T 通信模块、SI M 卡、射频天线组成，其中电源模块为整个模组提供工作电源，核心处理器负责模组信息处理和命令下发，电能表串口用于扩展模组与管理模组、计量模组之间的信息传输，NB-Io T 通信模块和射频天线负责模组上行通信，SI M 卡负责电能表上链时的身份确认。

智能物联电能表通过配置基于区块链的扩展模组，实现与区块链的连接，整体系统技术架构如图6所示。

图6 智能物联电能表上链系统技术架构

（1）配置有区块链扩展模组的智能物联电能表，通过模组内置SI M 卡加密和身份确认，经NB-Io T 网络连接至区块链节点，完成设备信息和数据信息的上链。

（2）应用于数字化主动电网，可通过BaaS（区块链即服务）平台构建区块链网络，利用主动配电网中的云服务基础设施，将区块链框架嵌入云计算平台。

（3）数据上链后，主动配电网中各参与主体可通过区块链浏览器对电能表区块链网络和链上数据进行查询。

3 试验验证

根据上述内容搭建如下测试系统:基于区块链技术的扩展模组设计架构，研制模组样机（图7），并安装至国家电网有限公司统一标准下的智能物联电能表中，通过NB-Io T网络连接至中国联通雄安BaaS平台，同时开发区块链浏览器，对智能电能表区块链网络进行可视化展示，见图8。

图7 基于区块链的智能物联表扩展模组样机

图8 智能物联电能表区块链网络可视化展示

通过试验验证，测试系统可实现如下功能:

（1）智能物联电能表设备信息和数据信息的上链，上链数据通过区块链交易操作，安全存储在分布式账本中，并存储于每一个区块链节点服务器；

（2）区块链浏览器可选择特定的节点服务器进行账本区块数据监控，通过解析区块数据，可将智能物联电能表的相关数据存储在自身数据库，供授权用户查询注册表计的运行状态和上链数据。

基于区块链技术的智能物联电能表在数字化主动电网中将具备广阔的应用场景，其应用价值至少包括:

（1）基于区块链＋物联网的数据加密和分布式存储，使供电企业的数据更容易被参与流程的各方信任；

（2）区块链物联网的本质属性决定了网络中各参与方无法使用非授权方式访问、记录、篡改交易数据；

（3）随着物联网交易自动化发展，基于区块链的智能物联表可以实现交易自动化，交易过程不受干扰；

（4）利用区块链＋物联网应用程序，供电企业可以在不侵犯隐私或产生数据泄露的前提下，通过数据分析进行市场调研，刻画消费者需求。

4 结束语

本文提出了基于区块链技术的智能物联电能表功能扩展模组设计方案，设计了智能物联电能表数据上链系统。最后通过样机和测试系统试验，验证了基于区块链技术的智能物联电能表扩展模组的兼容性和正确性，同时验证了智能物联电能表数据上链系统的功能性。随着数字化主动电网建设的不断推进和落实，作为网络中重要的计量、感知、控制设备，智能物联电能表通过灵活配置扩展功能模组，能够实现数据可信互认、分布式存储等各项功能，满足数字化主动电网不同业务和应用场景的需求。