基于区块链的超高压变电站大数据存储研究

刘飞飞

（内蒙古超高压供电公司，内蒙古 呼和浩特 010000）

随着智能变电站技术的发展，电网对超高压变电站大数据提出更高要求，提升电力大数据的鲁棒性成为研究重点[1]。超高压变电站大数据作为电网底层安全的基础和电力主网安全的第一道防线，确保其大数据的安全存储和检索具有重要意义。在新型超高压变电站建设中，数据容量大、安全性能高的架构已经成为设计需要重点考虑的问题[2]。其核心在于如何确保超高压变电站大数据安全稳定存储，实现高效检索查询的数据管理，有效防止其大数据的存储查询异常问题出现。

IPFS（星际文件系统）是一种点对点超媒体协议[3]。主旨是采用分散方式存储文件数据，也是目前大数据采用集中式网络DNS系统的分布式替代方案。该方案有助于超高压变电站大数据向海量存储、良好性能和可扩展性发展。在超高压变电站中应用区块链技术，使用区块链中的智能合约可以加速IPFS上数据存储，其哈希的唯一性还可以作为大数据防篡改的依据[4]。

目前，学者们已经对IPFS和区块链技术在变电站如何应用进行了相关研究。刘虎林等[5]分析区块链在变电站继保系统的架构设计的关键方案，证实区块链在变电站应用的可能性及可行性。李跃等[6]将区块链技术应用于变电站档案，通过共识机制保证其档案数据的安全性、透明性，研究表明区块链技术在大数据存储检索方面具有可行性。王路阳等[7]在实际应用中将IPFS技术与区块链技术相结合，并将两者独特之处进行高效整合，以确保数据的完整性。门瑞等[8]提出PFS技术与区块链技术融合有助于解决由于区块链数据过大导致的同步速率慢、安全性下降及系统性能差等问题。因此，合理的超高压变电站大数据IPFS和区块链架构设计为区块链技术在变电站的应用提供了新方案。

1 区块链的超高压变电站大数据架构设计

为了确保超高压变电站大数据存储架构的统一性，整个融合架构分为5层，即用户层、询问层、查询层、数据结构控制层、融合层。融合层由区块链和IPFS存储共同构成。超高压变电站大数据存储架构如图1所示。

图1 超高压变电站大数据存储架构

按照一定的分类标准，将超高压变电站大数据赋予属性化分类。

用户层：变电站用户通过交互界面发起请求，调取属性化分类的大数据。

询问层：按照用户在网络中注册后的地址和私钥，向查询层传递信息请求。

查询层：用于访问、存储、传递/转发或响应系统查询的数据库结构集合。查询层会调用来自本地分布式数据库基础设施的数据，充当接口向网络参与者、客户端进行通信，以获取数据。查询层还负责处理数据结构和其他层可能需要的任务请求。用户层从融合层调取大数据时，查询层响应的任务请求会加速相关查询所反馈的输出值，避免了整个任务流程带来的单向性潜在问题。

数据结构控制层：通过相关计算跟踪对数据执行的所有操作。可以用IPFS数据结构的哈希值进行对比，减小大数据被篡改的风险。相关算法模型可以布置在实时更新的数据上（如分布式数据上传端），有助于大数据安全地存储在融合层数据库中。

融合层：区块链网络和IPFS存储层的融合是以安全和分布式的方式存储数据和哈希。

2 区块链的超高压变电站大数据架构分层设计

为了建立区块链的超高压变电站大数据架构分层，在确定存储架构的总体上，按照对应层次实现基于超高压变电站大数据存储的结构，便于使用电力主网区域内的潮流调度、科研安排等数据。

用户层通过多种类型应用程序对超高压大数据进行数据安全管理和查询。运行在区块链的应用程序称为DAPPS（分布式应用程序）。在DAPPS中，询问层中存储着注册用户的地址和私钥，使用公钥将反馈数据进行加密[9]，区块链中的节点使用接收者的公钥进行验证，以保护数据完整性和不可否认性。确认无误后，加密数据可以被接收方的用户按照其地址进行分配，实现多用户同步查询或管理，使用各自对应的私钥解密查看。在通过用户层实现安全管理和查询过程中，DAPPS会进行额外的身份验证以及授权。

数据请求是从询问层到查询层逐级传递的过程。查询层可以通过DLT（分布式账本技术）实现数据库结构集[10]。DLT可以是一个跨越多站点、空间、机构组成的网络数据库。以超高压变电站为例，与其有关的大数据均可以参与。如厂家生产的站内设备参数大数据、站内一次、二次设备运行中产生的大数据、调度中心的潮流运行大数据等均可以通过DLT构建数据库结构集。用户层按照所需大数据的种类，按照上述流程通过该数据库结构集进行查询。超高压变电站大数据存储架构分层设计如图2所示。

图2 超高压变电站大数据存储架构分层设计

数据库结构集的相关操作离不开数据库结构控制层的运算处理。使用超高压变电站中的物联网设备，按照基于区块链的拓展性开发的智能合约相关算法，执行相关操作计算数据，在传递中生成的数据结构化报告能够在应用层安全存储。因此，算法和计算组件硬件的安全对数据库结构控制层非常重要。

融合层的职责是以安全和分布的方式存储数据和哈希，数据存储在IPFS上，IPFS的哈希与数据库索引存储在区块链中，用于快速数据检索。大数据被存入IPFS时会被分割为若干个256 kB的区块[11]，使用SHA-256算法生成base58编码的哈希值，可以用于检索来自IPFS网络的数据。该哈希值传输至具有智能合约功能的区块链上进行存储。首先，链上存储的散列值可以作为IPFS上大数据的查询依据，与IPFS网络哈希值互为查询依据的备用，增强融合层的鲁棒性。融合层可以通过若干分布式网络，从底层实现网络分布安全和检索查询的控制，可以有效地解决存储容量低、扩展性差等问题，防止单点集中式运行失败。

系统提供了兼具安全性和鲁棒性的架构，该架构允许注册用户进行数据查询，采用哈希对比的方式应对未经授权的访问和数据窃取攻击。

3 架构的安全和性能分析

3.1 安全分析

（1）大数据的篡改。

当大数据遭受安全威胁或被篡改时，区块链的去中心化能够实现分布式安全预警。由于哈希值具有唯一性，对比链上存储的哈希值与IPFS网络的哈希值，当两处哈希值一致时，则证明数据未被篡改；当哈希值不一致时，则证明数据有被篡改的可能。因为对大数据的任何修改，IPFS散列都会发生改变，新的哈希会与事务一起存储。基于区块链的数据索引存储几乎不会发生改变，可以保护超高压变电站大数据的完整性、机密性和可用性。

（2）存储架构的安全稳定。

IPFS和区块链相辅相成，互为补充。IPFS和区块链由多个节点构成，消除了集中式存储数据易失性的可能。当其架构受到攻击时，IPFS的数据哈希值会产生变化，与存储在区块链上的哈希值进行比对，通过两者的不一致性进行判定，保证了架构的安全稳定。

3.2 性能分析

IPFS的哈希值存储在本地以及区块链上，通过算法可以调用本地和区块链上的哈希值，能够快速查询存储在IPFS上的数据。按照文献[12]的理论试验，能够有效降低索引时间。因此，该架构在性能上可达到预期效果。

4 结语

针对超高压变电站大数据存储，提出一种基于区块链的超高压变电站大数据存储架构。对用户层、询问层、查询层、数据结构控制层、融合层进行了设计。基于区块链和IPFS的存储架构，可以改善大数据收集、存储、传输等，是具有前景的超高压变电站大数据存储改进解决方案。并且设计的架构改变了传统集中式数据存储面临的问题，增强了系统整体架构的鲁棒性。