基于区块链的智能电网数据聚合与调控机制

2022-12-16李瑛张鹏宇金邦华余永瑞田峰刘博迪

新型工业化 2022年1期

李瑛，张鹏宇，金邦华，余永瑞，田峰，刘博迪

（贵州电网有限责任公司输电运行检修分公司，贵州贵阳 550002）

0 引言

区块链可用于物联网中数据传输过程中的安全和隐私，并以智能电网为代表案例研究。考虑物联网的主要安全问题，并讨论了区块链如何成为解决这些安全问题的关键促成者。表明区块链－物联网组合是强大的，可以实现跨多个行业的重大转变，为新的运行模式和分布式应用铺平道路。

随着智能电网的不断扩大，其中在智能电网输电生产运维环节产生的大量数据，安全性、保密性要求高，若其传输过程中出现泄露或丢失，会导致智能电网数据安全结构趋于无限复杂化，降低智能电网的安全稳定运行的效率，因此对智能电网进行隐私保护是极其必要的，针对智能电网安全性能的研究也越来越重要。利用区块链分布式数据存储的特点，把数据存储去中心化，分成每个独立加密存储的数据块，在每个数据块中包含一批特有信息，这些信息按照时间先后顺序将结构复杂的数据进行排列，并对每个区块链信息进行备份，满足隐私数据的完整性、可限制性的安全需求[1]。

针对上述问题，本文利用区块链的相关优势，提出一种基于区块链的智能电网数据聚合与调控机制。利用区块链互不信任的属性加密特征，对智能电网生产运维敏感数据的关联关系进行研究，将生产运维敏感数据的加密过程与隐私保护过程相结合，设定智能电网生产运维的安全聚合协议，结合区块链的分布式存储的特点，降低隐私保护过程中的通信量，实现智能电网生产运维数据的隐私保护[2]。

1 智能电网面临的挑战

目前的智能电网仍面临着数据安全的挑战。首先，电网设备在运维过程中信息可能被窃取，导致电网设备的敏感信息泄漏。因此，在传输过程中必须保证电网设备数据的安全。其次，在智能电网中有大量的智能终端设备，这些设备难以监控，对实时性要求很高。最后，有必要优化智能电网的监管机制，以提高智能电网中输电线路运维管理效率和运行成本[3]。

为了保证智能终端通信过程中电力数据的安全性，一些研究提出了汇聚方案，包括多维和一维数据汇聚。这些方案都采用了语义安全的加密算法对密文进行解密，生成相应的明文。然而，密算法的计算成本较大，增加了智能终端的计算负担。面向设备的匿名隐私保护方案，该方案通过数据聚合应用验证，支持多权限本地输电线路运维管理智能设备；智能电网多子集聚合方案，该方案可以在保证智能终端敏感数据的同时，对不同范围内的运维数据进行聚合；基于密文策略属性加密的数据采集方案，将数据按顺序划分为多个块，并对其相应的访问子树进行加密，从而并行处理数据加密和数据传输。上述方案几乎都是集中式结构，存在单点故障的安全风险。这些方案难以实现准确的反馈，或者反馈函数过于单一。

2 区块链在智能电网中的应用优势

考虑到区块链的去中心化和分布式存储的特点，可以解决传统智能电网方案集中化和反馈不准确的问题。目前，许多研究将其应用于智能电网，以解决上述挑战[4]。智能电网需求响应方案的分散输电线路运维管理模型可用于匹配智能电网水平的能源需求和生产；电网监控模型允许运维人员在不需要第三方输电线路运维管理的情况下监控智能终端设备，解决了集中存储方式导致的单点故障、数据被故意篡改等信息安全问题。但是，描述数据是如何加密的太简单了，而且没有合理的开销分析。通过多签名、区块链和匿名消息流来提高分布式数据存储安全性和私密性的方案；基于区块链的隐私保护和数据聚合方案，以保护智能电网中运维数据的隐私。但该方案仅研究了一维数据聚合，运维数据以明文分组传输，存在较大的安全风险[4]。

上述方案在不同程度上解决了智能电网的问题，但仍存在许多不足之处。本文的主要贡献概括如下：①基于区块链的智能架空输电线路运维数据（CBSG）建立了灵活的电力数据监控管理架构，解决了数据汇聚效率低、计算复杂度大、难以准确反馈的问题，实现了关键智能设备监控、反窃取管理、数据修复等功能。②CBSG通过智能合约实现对单个智能设备数据的准确反馈。区块链技术的防篡改、透明和永久特性使智能电网高效安全运行。③可以应用于多维数据采集和多个接收器。④CBSG满足各种安全需求的电力聚集和监管。CBSG在多维数据和多接收模式下的计算和通信开销方面具有显著的优势。

3 区块链的智能架空输电线路运维数据总体结构

3.1 智能终端

智能终端安装在户外输电线路上，用于输电线路日常运维多维度数据采集，如现场环境图片和实时监测信息（温度、风速）。当安装智能终端时，区块链注册一个唯一的设备ID，使用时设备和数据接收注册到区块链。智能终端设备将多维度数据发送到最近存储节点，实现灵活的数据存储。

3.2 智能分析

在后续的输电线路运维数据采集和处理中，重点分析关键智能终端监测数据，实现输电线路隐患问题的关键监控，为电力线路输电运维工作提供多维度数据支撑。

4 区块链的智能架空输电线路运维数据重要应用

基于区块链在物联网领域的适用性的现有调查和综述，本文重点研究了区块链技术在智能架空输电线路运维数据中的三个重要应用领域。下面将对每个应用领域进行讨论，详细介绍所采用的区块链体系结构、样本块的结构和所使用的不同区块链技术。

4.1 点对点通信基础设施

现有的电网网络的一个主要缺点是由于设备商的参与造成的通信数据缺乏安全性。这种分层的网格通信结构导致运行成本高，运行效率低。另一方面，基于区块链的通信基础设施提供了一个去中心化的平台，使智能终端设备和运维人员之间能够以安全的方式进行点对点数据通信。与传统系统相比，去中心化平台的身份私密性和通信安全性更高。

根据所需的计算能力和事务速度的不同，选择的区块链类型可能会有所不同。公共区块链通过向每个节点提供分布式数据的副本，以及执行数据共识和验证的能力，提供了高度的透明度。然而，缺点是资源消耗和性能的形式[5]。

4.2 安全和隐私保护技术

智能电网中的智能终端设备安装在户外输电线路上，实时获取电力线路运行信息，供线路运维部门用于各种运行分析。基于区块链的高效数据聚合和隐私保护方案，工作中将智能终端和运维人员分成许多组，每个组使用区块链记录智能终端数据。该方案采用快速认证，方便快速检查系统中运维人员ID的合法性。虽然区块链技术不能直接保证隐私保护，但可以采用先进的加密机制来实现数据隐私保护。零知识证明（ZKP）、椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）和可链接环签名是保护数据隐私的技术。这里讨论的保护数据隐私的区块链体系结构利用了ZKP和用户的假名。

密钥管理中心（KMC）使用流行的公钥加密算法为每个用户生成多个公钥和私钥对，公钥是用户的假名。通过收集假名，KMC为每个组创建过滤器，并将其发送给相应组的所有用户。ZKP是密码学中的一种概率验证方法，可以验证用户假名的真实性。挖掘节点，将监测的数据聚合在一个私有的区块链中，并通过广域网（WAN）将其发送到中心单元。该中心单元可以实时访问电力线路运行曲线，用于线路运维规划。