基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理技术研究

余 敏，彭家从，柏 帆，吴佩颖

（国网浙江省电力有限公司宁海县供电公司，浙江 宁波 315600）

0 引言

实时掌握用户侧的用能情况对供电公司的发展十分重要，但在现有的供电公司监控体系中，对电能的监控仅局限于高电压层级，目前仍缺乏完善的对用户侧用能情况的监控措施，当发生分支箱漏电、着火等常见故障时，往往无法实现故障的精准判责。由于对于供电公司来说，提高供电可靠性、减少用户停电损失，这既是自身的社会责任，也是实现企业健康发展的必要前提[1]。因此为解决这个技术难题，区块链技术的发展恰好为其提供了新的研究思路。随着习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习中关于“区块链推动产业创新”主张的提出，区块链技术的发展已成必然[2]。为此，该研究欲借助区块联盟链技术来解决分支箱监测数据的高效采集、存储问题，并利用其可溯源、不可篡改等特性实现分支箱监测环节中参与主体的精准追责与信息共享。

1 国内外研究现状

由于配网自动化系统的不完善，虽然电缆分支箱是配电网的重要环节，但目前关于分支箱运行和监测方面的措施仍存在局限性[3]。因此，为提高配网运行的可靠性，确保及时、准确地发现、处理故障，亟需提高分支箱监测的智能化水平，实现对分支箱监测数据价值的深度挖掘。基于此，众多的国内外学者对此竞相开展了不断的研究。

在分支箱监测运维方面，由于目前分支箱监测大都通过人工实现，无法实时准确地对故障进行处理，易造成资源浪费。为此，文献[4]为解决分支箱内部故障问题，提出了一种组网式分支箱在线监测系统，通过借助环境温度、线路情况及电能状态等信息，增强系统功能，进而促进电网运行的可靠智能。为实时监测分支箱运行状况，给配电设备运维方案提供依据，文献[5]借助无线测温传感器，提出一种改进的分支箱在线监测系统，促进了工作效率的提高。文献[6]结合分支箱监测压接点的温度变化和线路运行状况等信息，进行对分支箱故障的预测，以期通过提前检修来提高输配电质量，进而保障电网的智能化运行。文献[7]为保障电缆等器件安全，设计出一个多功能电缆终端智能检测单元，推动了分支箱在线监测系统“智能化、网络化”的研究进程。在用户侧信息采集分析方面，随着电力用户在整个电力系统中地位和作用的提高，为帮助供电企业的运营管理，需通过对电力用户用电的精细化需求侧管控来分析用户用电模式。为此，文献[8]基于数据关联理论，提出了一种低压配电网拓扑识别方法，促进了配网信息化水平和数据质量的提升。文献[9]为提高传统用电采集系统中信息量采集效率，设计了一种基于数据驱动的用电采集系统优化运维技术。王春义等[10]针对智能电表获取的用户用电信息，基于智能配用电大数据[11]以及高维随机矩阵理论（RMT），建立用电模型，解析用户用电行为。文献[12]针对配网用电安全及数据采集问题，提出一种运用于中低压配电间的新型感应取能装置，保障了采集系统运行的稳定。在用户侧数据信息应用方面，文献[13]基于云计算技术，提出“无证书证明数据存在”方案，提高了数据利用效率。文献[14]结合区块链技术和工业物联网技术，实现数据的高效存储传输，进而实现对数据价值的深度挖掘。文献[15]为有效利用用户侧能源，结合区块链技术设计了一种能源互联网调度平台，从利益主体、数据结构等角度优化用户侧能源调度过程。

通过上述文献可知，目前供电公司数据监控体系在用户侧的措施尚处于完善阶段，对于分支箱运行数据的采集、应用等方面仍缺乏完善的应对措施，区块链与分支箱监测数据的融合仍不够密切。但纵观国内外相关研究发现，区块联盟链技术的去中心化、可溯源、不可篡改等优点可有效提升数据质量，实现数据溯源求真，可有效推动分支箱监测数据的优化管理。为此，该研究将对区块联盟链视角下分支箱监测数据管理机理进行兼容性分析；再构建基于区块联盟链的智能化分支箱数据分析模型，阐明系统内部运行机理；最后通过搭建基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理系统来实现分支箱监测数据的高效采集存储以及精准溯源。

2 区块联盟链技术与智能化分支箱数据管理的融合

2.1 智能化分支箱监测数据特征分析

作为电网进行入户的最后环节，分支箱是电网和客户进行交互的纽带，其和用户用能情况密切相关。因此，通过分支箱数据监测系统采集到的数据往往牵涉到电网内部的众多利益主体，需要进行深度挖掘才能体现出巨大的应用价值。但由于这些系统独立于现有供电公司监控体系之外，在运行过程中缺少必要的数据质量监控及清洗等预处理环节，最终导致了分支箱监测数据的冗余、多源性。同时，在分支箱数据监测系统内部包含着一系列电网传输线路、终端传感器等设备，数据采集终端会对相应节点处的诸如电压电流类电气参数、电能质量数据、箱内温湿度情况等各方面数据进行实时采集。这些收集的数据信息种类多样，其本质属性的不同进一步导致了分支箱数据监测系统中数据信息的异构性。

此外，由于分支箱牵涉到包括供电公司、小区物业、用户等多方利益主体，但目前的分支箱数据监测系统大都是中心化的，各主体间缺乏信任，使得在运行过程中各主体间缺少数据交流，各方采集的信息无法实时共享，进而导致了分支箱监测数据的“信息孤岛”现象，从而加剧了监测数据多源异构性问题。通过对分支箱数据监测系统采集数据的多源异构性分析可知，可将数据差异大致分为属性差异、模式差异、语义差异三类。这些差异将导致系统在采集数据的过程中造成资源的浪费，极大地阻碍了数据质量的提升以及数据溯源求真的进程，不利于分支箱监测数据的优化管理和潜在价值的挖掘。

2.2 区块联盟链与分支箱数据管理系统的兼容性分析

区块链技术是“互联网+”思维延伸，其去中心化、可溯源、不可篡改等技术优势适用于智能化电网数据系统多方领域[16-17]。其中，联盟链作为集合了公有链和私有链优点的一种区块链[18]，其拥有有限许可、授权的读写交易权限，具有较强的综合性，可以更好地保护数据安全。联盟链在进行维护时，仅选取部分节点作为认证对象，因此这在满足管理者足够控制权限同时，也缩短认证时间，提高数据存储灵活性，降低数据信息维护成本。将该技术应用于智能化分支箱数据管理系统的技术框架搭建过程，能够有效解决分支箱监测数据冗余、多源异构、信息存储等问题，提高数据应用价值的挖掘效率。而若要实现联盟链技术与智能化分支箱数据管理系统的高效结合，则需先论证两者间的兼容性，分析结果如表1所示。

表1 区块联盟链与智能化分支箱数据管理系统的兼容性分析

3 基于区块联盟链的智能化分支箱数据分析模型搭建

3.1 智能化分支箱数据分析模型的框架构建

分支箱作为电网和客户进行交互的纽带，牵涉到多方利益主体，是电力配电网的重要组成部分，其构成的分支箱数据监测系统的智能化水平和抗干扰能力时刻影响系统的运行稳定，进而对后期监测数据的智能分析效率产生影响。因此，为提高分支箱监测数据质量、保障数据真实完整、实现数据准确溯源，进而完成借助分支箱监测数据明确各方主体责任的目的。该研究依据管理知识体系和区块联盟链技术等相关知识，构建了一种基于区块联盟链的智能化分支箱数据分析模型，其结构框架如图1所示。该框架结构大致可分6 部分，即采集层、数据层、网络层、共识层和合约层及应用层。这些层级都各自含有相应的核心功能模块，通过相互间配合来构成智能化分支箱数据分析模型的基本框架。

图1 智能化分支箱数据分析模型框架结构

其中，采集层负责分支箱监测数据采集工作，通过现场测控终端及移动终端App 等设备提取固定时段内流经分支箱传输线路参数、温湿度情况、GPS 定位等各方面信息。在信息经过采集提取后，合约层需通过智能合约对其进行筛选，实现数据的交互。之后，则由数据层对符合合约条件的数据进行融合，通过特定的哈希散列函数进行Merkle 层级加密并存入新建区块。然后，再将新建的区块通过网络共识层进行共识广播，用以确保存入数据库数据的真实可靠。最后，将完成共识后的数据区块链入主链，在完成数据可视化的同时，实现数据求真溯源、提升数据质量的目的，进而为后期数据的应用分析提供依据。

3.2 智能化分支箱数据分析模型的数据采集

分支箱监测数据种类多样，具有多个数据源，而这些数据源又来自不同的数据采集系统；这些系统往往独立运行，缺乏协同性，进而导致分支箱监测数据信息存在多格式、多来源等问题，使得数据信息冗余现象严重，从而对分支箱监测数据的高效存储、分析应用等工作造成诸多阻碍。为此，为了减轻数据冗余现象，实现高效率的数据交互，该研究将借助智能合约对所采集的监测数据进行预处理。

智能合约是基于区块链可编程性的基础上设计的，基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理系统中存有多种智能合约，包括节点认证管理合约、电压电流类电气参数收集合约、GPS 定位图像采集合约等。这些合约的制定由系统根据自身功能需求发起，由众多管理节点共同负责管理与维护，其在被发起节点部署运行后，便开始自动执行，期间不会受到任何因素的干扰。因此该研究在合约内部规定了数据交易的预定义状态、触发条件、转换规则、违约条件及责任等，基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理系统内部智能合约运作流程如图2 所示。系统将通过智能合约对分支箱监测数据源采集到的数据进行审核，若审核通过则将数据信息形成一个新区块；之后对其共识广播，确认信息真实可靠；在通过共识后，最终将该区块链入主链中，用于后期数据的智能分析与应用。

图2 智能化分支箱数据管理系统智能合约运行流程

3.3 智能化分支箱数据分析模型的数据存储

在经过智能合约的数据交互、筛选后，需对清洗后的分支箱监测数据进行融合加密，即利用区块联盟链中哈希算法和Merkle 结构树，进行集成、转换等数据处理措施，以实现格式的统一和数据的融合。分支箱监测数据的融合大体上可分为三个步骤：1）通过现场测控终端、移动终端App 等方式对分支箱内线路电气参数、温湿度、GPS 定位等监测数据进行采集、录入，并将各项数据指标进行相关性映射和归集。2）制定智能化分支箱数据管理系统的智能合约方案，将监测数据进行筛选，提高存储数据的质量。3）使用特定哈希算法和Merkle结构树对分支箱监测数据进行非对称加密，将信息转化为固定长度的数学进制类密文，并存储于基于区块联盟链的数据管理系统中，进而实现对分支箱监测数据的融合处理。

基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理系统以非对称加密技术为核心，将冗长的分支箱监测数据加密成固定的字符长度后加入区块中，并以时间戳为依据进行链接。这些区块均由区块头和区块体组成，如图3所示。

区块头中包含索引号、前一哈希值、时间戳、随机数、难度、Merkle根等识别信息；区块体主要存放分支箱监测数据，包括箱内各类传感器采集数据信息、箱体地址定位信息、开箱负责人照片以及密钥指令等。在进行数据交互时，分支箱监测数据的摘要信息通过哈希加密形成密文，并融入Merkle 根中；箱体节点则会将密文和公钥封装成一个新区块；其余节点根据该区块的索引号、前一哈希值、时间戳、Merkle根等信息进行认证，确认是否合法；最终把合法区块添加到自己主链上，完成数据存储操作。

3.4 智能化分支箱数据分析模型的数据维护

由于电能设备传感器故障、传输线路受到外径干扰、箱体环境因素等都会造成分支箱监测数据失真或缺失，进而对数据后期的智能分析造成干扰。所以，还需对存储的数据信息进行合法性验证，并通过分支箱数据管理系统对无效或缺失的数据进行重新采集，用以保障分支箱监测数据的真实完整。

为此，智能化分支箱数据管理系统实现对监测数据的融合加密后，将由网络节点共同对数据进行维护，如图4 所示。当一个箱体节点产生新区块时，会将该区块在系统内广播，并散播至其余各节点；其余节点将根据接收区块的索引号、前一哈希值、时间戳、Merkle根等信息进行合法性验证，并将验证结果反馈给管理节点；当管理节点收到的确认合法信息数超过2/3时，将赋予自身数字签名并进行系统广播，直至最终将该区块链接到自身主链上；同时其余节点账本也将进行同步更新。合法区块一旦完成上链过程，节点即会进行下一轮运算。区块节点的集体维护增强了分支箱数据管理系统的抗干扰能力，能将系统存储信息的失真概率降至最低，进而提高了系统的安全可靠性。

图4 智能化分支箱数据维护流程

4 基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理系统开发

4.1 智能化分支箱数据管理系统初始化运行

该研究项目采用Java、Html、JavaScript、Css 等编程语言，借助IDEA、Atom、Sql Server 2008 等开发工具，在jdk-8u211-windows-x64、apache-tomcat-8.5.55-windows-x64 等运行环境下进行基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理系统的开发构建。在本地部署区块链程序后，通过本地服务器—localhost：8081端口来实现智能化分支箱数据管理系统的运行流程，系统程序的初始化运行如图5 所示。此外，当系统程序显示初始化运行正常后，还需通过外接baidu-map实现系统地图的下载，如图6所示。

图5 系统程序运行初始化

图6 系统地图下载程序

由于该研究是基于区块联盟链技术特性而构建的智能化分支箱数据管理系统，为防止数据被非法盗用，该系统按用户角色应用场景不同，将访问用户授予了不同的访问权限。所以在完成上述基本操作后，还需通过47.96.0.155：8081/login.html 地址进入系统的登入界面，进行用户账号的登录操作，进而在相应的系统操作界面实行系统功能的操作过程，系统登入与显示界面如图7 和图8 所示。在系统操作界面，供电公司员工可根据工作需要对分支箱监测数据信息进行下载应用，诊断分支箱节点处线路运转状况以及箱体自身情况，维护系统的安全稳定运行。

图7 系统登入界面

图8 系统操作界面

4.2 智能化分支箱数据管理系统信息存储

为验证底层区块链网络系统的功能与链码逻辑的正确性，该研究项目以吉林市、杭州市、北京市等地区为监测节点，构造了一种基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理网络。管理员在初次进入系统操作界面时，需先进行设备节点ID 的注册存储，完善分支箱节点网络的搭建，如图9 所示。之后，通过借助箱体内安装的现场监测终端等设备的实时监测，将采集的数据上传至后台数据库，再经过合约约束条件的智能筛选后，将符合阈值的数据信息进行整理提交，完成数据的上链操作，如图10所示。

一旦将数据信息以区块的形式存入区块链中，那么这些数据则被认定为合法数据区块，无法再被篡改，管理员可通过后台数据库查看所有的区块信息，进行数据信息的溯源，以便为数据价值的分析应用提供依据，如图11 所示。通过对该系统网络的开发运行，证实了系统数据信息的采集、存储等功能的实用性，图12 为截取自2021 年5 月至2021 年11 月时间段内的设备录入情况。

图11 分支箱监测数据区块信息

图12 节点设备存储信息列表

4.3 智能化分支箱数据管理系统信息提取

通过借助箱体内现场终端设备进行的定时采集、存储分支箱监测数据信息，操作人员可从系统的操作界面中查询相应箱体节点处的状态信息，包括在线状态、箱门开关、门磁状态、地址定位等信息。此外，操作人员还可通过设备ID 的具体名称，进行定位查询出箱体内部的具体信息，如温湿度、信号强度、线路电气参数以及开门负责人图像等信息。箱体设备具体信息展示如图13 所示，关于固定时段内箱体节点的温湿度监控及负责人图像采集信息如图14 所示。

图13 分支箱设备监测数据信息

图14 箱体节点的温湿度监控及负责人图像信息采集

综上，该研究设计的智能化分支箱数据管理系统以区块链网络作为底层架构，增设负责人图像取证环节，在提升分支箱监测数据质量、实现数据溯源求真的同时，也实现了供电公司、小区物业、用户等参与主体的精准追责，为后期的智能分析与解决纠纷奠定了基础。经过上述的系统功能验证表明，基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理系统能够满足供电公司对于分支箱监测数据应用的安全透明、可追溯、不可篡改以及易监管的功能需求，通过Web 服务层的封装使得成果展示更加的直观易懂，满足了正常的使用需求。

5 结语

配电网的安全稳定运行与电缆分支箱密切相关，但由于目前在供电公司的监测体系中，监测对象只截止到箱式变电站，对于用户侧分支箱的数据监测、责任确认等难题仍缺乏完善的处理措施。为此，该研究采用JavaScript 等编程语言，借助区块联盟链技术以及Sql Server 2008 等开发工具，提出一种基于区块联盟链的智能化分支箱数据管理系统，可实现电缆分支箱在线温湿度、线路运行参数、负责人图像等信息的监测与存储。经过研究验证表明，该系统能够准确地实现分支箱监测数据的精准溯源，保障了数据信息的真实可靠性的同时，也实现了分支箱环节中众多参与主体间利益与责任的分离，为后期的运维保障提供决策依据。但笔者在研究过程中发现，该研究设计的系统尚有不完善之处，单个节点的部署步骤仍较为繁琐，若在未来投入企业级应用，还需对此进行深入研究，将节点部署过程简化，提高效率。