基于区块链和云技术的电力设备数据语义物联研究

李锐

（云南电网有限责任公司昭通供电局，云南 昭通 657000）

0 前言

随着城市化进程不断加速，为解决电力负荷密度较大区域的配电出线开关柜数量不足、进出线受限制等问题，配电系统安装了大量高压开闭所设备来加强电网联络性及电路可靠性。智能配电系统将泛在物联、建模仿真等技术投入到高压开闭所设备中进行应用，与之俱来的是大量电力数据等待筛选、分类及处理。智能高压开闭所数据物联系统中不仅包含设备全景信息，还包含了配电网在线监测数据、运行调度数据以电力生产管理数据等信息，这些数据来源各异、形式多样，具有较强的多源异构性，致使数据彼此间缺少连接、存储共享能力较差[1-2]。本研究欲借助区块链与云技术来解决高压开闭所设备数据语义物联问题，以打破电力数据管理系统之间壁垒，实现高压开闭所数据信息的泛在互联、长期存储以及追溯共享。

1 国内外研究现状

区块链技术的概念由学者Satoshi Nakamoto在论文《Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system》中首次提出[3-4]。中央政治局第十八次集体学习时，习近平总书记强调“把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展”。区块链技术目前正加速向数字交易、医疗教育、电力物联网等领域发展[5-8]。Beck R. 认为区块链能够产生新型经济体系：区块链经济。区块链经济将以一种新的组织设计形式体现出来——分散的自治组织（Distributed autonomous organization，DAO），交易将按照智能合约定义的规则自动执行[9]。Carol I D. 通过研究欧盟监管框架下借助区块链技术进行场外（Over-the-counter,OTC）电力批发交易的情况，并得出结论：区块链应用可以符合当前的监管框架，降低电能交易成本是主要的预期收益[10]。Xu Z. 将区块链与微电网电能交易相结合，建立了基于区块链技术的微电网电力交易信息管理模型，研究显示该模型每次以近乎最优价格策略有效地维持了市场中各交易主体的效率[11]。Yu Y. 为使社区成员能与邻居进行对等电力点对点交易，提出了一种基于区块链的分层招标和交易结构（Hierarchical bidding and transaction structure,HBTS），从而确保交易过程的安全性和账本数据的不可篡改性[12]。Rathore S. 在区块链与深度学习（Deep learning, DL）的基础上提出了Block deep net，Block deep net 使用区块链技术来确保物联网中深度学习的机密性和完整性[13]。

李克强总理在2019 年政府工作报告中提出“要把握科技革命历史机遇，抢占云技术、物联网的发展先机。”随着云技术的关注焦点由“计算处理导向”转变为“数据管理导向”，云存储服务作为关键性支撑技术被学者作为研究热点被广泛关注，研究者对云技术的研究不仅局限于云存储，而是将目光投向云技术平台的数据管理服务[14-15]。云技术在使用户享受数据高速运算服务的同时，还可以将处理后的数据存储到云平台上，安全云的推广为数据资源管理带来了巨大的便利[16]。Chen F.等分析了云存储技术的安全性并基于网络编码协议构建安全云存储的系统方法[17]。Li M. 提出建立统一的多云存储解决方案“CDStore”，用户可通过其可靠性对数据进行备份来确保信息安全[18]。Gastermann B.提出了一种适用于中小型企业保密性较高的云存储数据管理模式，该模式安全性强、成本低，相比常规数据管理系统更符合中小企业的发展经营需求[19]。Nayak S.展示了如何在实践中应用基于云技术的安全存储服务，并借助SEPDP 系统最大程度上减少网络对云数据库的攻击[20]。

目前，区块链与云技术的迅猛发展受到电网企业以及政府部门的高度重视，随着智能配电系统中高压开闭所设备安装与使用的大幅增加，所产生海量数据的价值挖掘、处理利用成为亟待解决的问题。本研究试图将区块链与云技术应用在高压开闭所设备的数据语义物联管理中，以解决开闭所设备所产生复杂电力数据信息的存储物联、追溯共享等问题。

2 区块链与云技术在电力设备数据管理的可行分析

2.1 高压开闭所设备数据特征分析

高压开闭所的设备结构较为复杂，其中包括电网传输线路、断路器、负荷开关以及智能终端传感器。现有的配电网设备数据与相较以前发生很多变化，不仅种类繁杂格式而且变得愈发多样化，主要体现在两方面：首先，这些配网数据信息来源较广，如来自于设备运转、智能系统自动反馈等；其次，设备数据结构差异较大，如数据包含文字信息、图片信息、电力数据信息等。智能终端传感器会对高压开闭所运行中产生的数据信息进行实时采集提取，设备运行产生海量且不同类型的数据信息，如数字文字以及时间和坐标等，进而造成提取到高压开闭所设备数据的异构性。数量巨大且类型各异的开闭所数据制约了电力信息互联共享，这种异构差异性主要表现为“语义差异”和“属性差异”。语义差异是指不同数据显示同一指标时所产生的差异，属性差异是指数据格式不同所导致的差异，且产生数据量庞大很难对所需的设备信息进行精确追溯，以上原因导致高压开闭所设备数据信息的互联性、存储性、可追溯性较差。

2.2 区块链应用在开闭所数据语义物联的可行性分析

区块链技术（Blockchain technology）按其准入机制可分为公有链（Public blockchain）、专 有 链（Private blockchain） 和 联 盟 链（Consortium blockchain），表1 为三类区块链技术的特征对比。其中，联盟区块链的应用场景最为广泛，联盟链保留了部分去中心化控制功能，信息处理效率较高，具有较强的可拓展性，且仅对特定群体进行开放，可根据企业或组织的提出的特殊要求进行设计与搭建。高压开闭所数据在管理过程中需要对大量设备故障进行记录与追溯以及对电力传输信息进行查询，需借助一种具有全程留痕、不可伪造否认、集体维护的数据信息管理手段。而联盟区块链所具备的数据分布式存储、公开透明、信息可追溯能力较强、记录账本不易篡改等特征，能够有效解决高电压开闭所设备数据管理中各类棘手问题，表2 为区块链应用于开闭所数据管理的可行性分析。

表1 三类区块链技术特征对比

表2 区块链应用于开闭所数据管理的可行性分析

2.3 云技术应用在开闭所设备数据管理的可行性分析

云技术（Cloud technology）可以将广域网或局域网中的软件、硬件以及网络资源连接起来，是集成计算、处理、存储、共享的数据管理技术。目前云技术发展日益完善、应用成果不断落地，可以针对高压开闭所设备运行环节中产生的数据冗余、信息获取被动、信息更新不及时、数据存储安全隐患大等问题提出解决方案。通过构建云计算与云存储视角下的数据管理模式，可以将设备数据进行提取、分析、清洗等处理手段以解决设备信息的冗余问题。云技术高效存储能力可实现设备数据的云端存储海量化，以便利用5G 技术实现智能移动终端的内外部工作协调，以实现信息共享最大化，使员工及时判断并处理开闭所设备的问题，表3为云技术应用在开闭所数据管理中的技术特征。

表3 云技术应用在开闭所数据管理中的技术特征

通过分析对云技术在开闭所数据管理中的应用特征，并对电力设备的管理要求流程进行梳理，将开闭所设备数据进行提取分析、传输共享并进行存储技术的信息建模，在此基础上构建“智能终端+ 多云技术”模式的配电网开闭所数据管理模型。

3 高压开闭所设备的数据语义物联管理机制

3.1 高压开闭所设备数据的采集提取

高压开闭所在运行过程中所产生的设备运行状况、配电额度、运行时间、地址来源等海量数据会被智能传感器采集，然后通过区块链技术对开闭所的不同类型数据进行采集提取，哈希函数（Hash Function）将提取后的信息转换成统一格式的字符串，然后将设备运转信息封装在加盖时间戳的区块中，形成新的节点并链接到最长的主链上，图1 为高压开闭所数据的采集处理流程。Hash 运算是开闭所数据进行非对称加密的关键步骤，目前普遍使用的MD5 信息摘要算法（MD5 message-digest algorithm）可以产生16 字节散列值，以保障开闭所数据传输的真实完整性。时间戳等信息通常是以字符串的形式封装在数据区块中，标记了设备数据的签发时间、数字签名、来源地址等信息，使得电力设备数据具有较强的可追溯性，使电网企业建立不可伪造、不易抵赖的区块链数据库。

图1 高压开闭所数据的采集处理流程

数据采集完成后要进行非对称加密处理，开闭所在区块中进行加密并按时间序列进行链接，区块由区块头和区块体构成。区块头主要包括序列号、时间戳、Merkle 根值，区块体包含设备运行数据、公钥与私钥、地址来源等信息。当非对称加密流程进行时，高压开闭所设备数据关键信息通过哈希算法转化成密文，并将密文存储至区块体。参与数据记录的节点将密文和公钥进行封装后链接到区块链上，其他节点通过分析区块头信息来判断链接的区块是否合法。若验证通过后，下一个区块便会通过私钥来对密文进行解密，将密文解密后添加到区块账本中。至此，区块链本轮数据的非对称加密流程结束，进入下一轮数据处理。图2 为区块链视角下开闭所数据非对称加密流程。

图2 区块链视角下开闭所数据的非对称加密

3.2 高压开闭所设备数据的语义聚合

高压开闭所设备在配电网运行过程中会产生各种故障，这些设备的故障类型差异性较小，依赖人工识别效率非常低。区块链与云技术可以通过分析设备数据的细微差别，增强数据结构的语义性，使故障识别更加精准。设备数据的差异性主要表现为“语义差异”和“属性差异”，而语义差异是数据聚合的关键问题，通过区块链技术可以建立起数据结构之间的联系，解决语义冲突等问题，使开闭所数据信息能够共享和反复应用。区块链技术使用统一资源标识符（Uniform resource identifier, URI）来标记开闭所数据，开闭所数据信息经过处理后存储在区块节点中，节点之间依靠资源描述框架（Resource description framework, RDF）来完成连接，节点不断缔结延伸下去最后形成语义网。从某一处节点出发，顺着链接就会发现更多相互连接的节点不断拓展，区块链将无数区块连接起来，区块中包含的数据包含范围较广，数据可以是来源于同一个设备的数据集，也可以是来自不同设备的数据集；可以是相似语义的，也可以是不同语义的。正是由于开闭所数据的特殊性质，使得智能设备既能整合不同类型的信息资源，又能跨数据库对不同数据进行语义聚合分析。

为了增强配电网中数据信息语义性，可以借助基于混合本体（Hybrid ontology）的异构数据聚合方法对开闭所设备数据信息进行聚合，实现数据重用共享与信息深度挖掘。首先对数据标签进行预处理，包括对标签数据的清洗、去重、去燥，选取所需要的标签数据并对标签进行切片处理；然后对Tag 进行数据特征处理，如高频词、关键短语提取以及优化；最后在优化预处理后进行语义关系架构处理，形成微本体（Micro ontology）语义模型。开闭所设备数据信息语义聚合过程如图3 所示。

图3 开闭所设备数据信息语义聚合过程

3.3 高压开闭所设备数据的传输存储

高压开闭所设备数据通过区块链的部分去中心化网络进行点对点（Peer to peer, P2P）传输，P2P 式的传输网络能将所有开闭所智能感应终端连接起来，形成巨大的泛在物联网络，图4 为区块链视角下开闭所数据信息传输网络。设备产生的数据在扁平式物联网中进行传输交互，智能开闭所终端承担网络路由协议，负责区块信息认证，同时还进行数据信息传递。从扁平式的网络结构看，数据管理系统的结构为部分去中心化、分布式存储，这种模式优点为不依赖网络中所有节点数据信息即可在网络中进行传输。若非法节点或失效节点不超过节点总数的51% 则无法发起“双花攻击”（51%Attack），外界影响因素很难对区块主链的数据传输与存储产生不利影响。为了解决区块对开闭所数据识别及信任的问题，区块链中内嵌了工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、股份授权证明（DPoS）、拜占庭容错（BFT）、实用拜占庭容错（PBFT）、RAFT 协议以及Ripple 协议等多种共识机制，这些共识机制确保节点在最短时间内识别数据并达成共识，提高了配电网开闭所的设备数据传输效率。

图4 区块链视角下开闭所数据信息传输网络

在开闭所数据进行传输的同时，云技术对处理后的数据信息进行实时云端存储。通过物理存储器记录数据备份的策略确实能够增加信息可靠性。但缺点也同样存在，开闭所设备数据存储体量较大，非常浪费存储空间且消耗存储性能，这种方案数据存储往往通过单个主机就能获取完整数据文件，信息泄露风险较高。在数据存储过程中，采取存储备份的方式基于多对映射模型，将数据文件通过特殊方式进行切割，切割完成后对文件块进行非对称加密处理，然后依照多对多映射模型的数据备份方式，将分散后的文件存储在对应的云服务器上。这样可以减少数据备份所产生的冗余，既确保了存储系统高效运转，又能提升每个数据单元的安全性，从多个角度实现了开闭所数据安全存储与备份。

3.4 高压开闭所设备数据的应用共享

高压开闭所的设备物联与数据应用共享是区块链、云技术以及通信网络深度融合的产物，是实现万物互联和信息互通的基础[21-22]。开闭所智能终端对采集到的数据进行分析，可以判断出当前设备乃至整个电力物联网的运行状况，当设备出现问题时会触发智能合约，智能合约不受人为以及外部因素的干扰，按照程序编码自动执行合约条款。在智能合约运行后，系统会按照预置的编程自动对数据进行互联共享并反馈相关问题，这同时也为分布式存储的可靠性以及电力数据的共享与应用性提供了安全保障。数据区块通过接口获取所需要的数据信息，在这个过程中建立开闭所数据交互机制并完成预定功能。例如，节点区块对开闭所数据进行提取后，分析并确认设备是否正常运运转，分析完成后的数据又被其他节点所获取重新再次被区块记录、传输，使数据信息可以被多个部门反复共享应用。通过开闭所的数据分析结果可以判断出开闭所设备以及配电系统的状况，对产生的问题及时反馈并解决。

高压开闭所设备的运行数据借助云技术共享到企业云当中，能够实现电力企业内部的数据网络信息互联共享，云存储视角下的高压开闭所数据管理机制的服务器端、云端以及移动端三方数据联动、同步更新，将开闭所数据统一管理。电网工作人员可以不受时间和地点的限制，随时登录系统查看、使用全部公开信息，使开闭所数据的获取更加快捷方便，同时可以深度挖掘信息潜在价值、提高设备数据利用率。云存储视角下的高压开闭所设备数据互联共享机制，通过搭建“智能终端+ 多云技术”的信息应用模式，梳理高压开闭所的业务流程与数据处理流程，利用物联网、工业互联网实现设备数据的互联互通，通过对设备信息整合以及创新管理流程来实现开闭所的数据物联共享。图5 为云技术视角下开闭所数据的信息共享流程。

图5 云技术视角下开闭所数据互联共享流程

4 结束语

将区块链与云技术应用在高压开闭所设备的数据语义物联管理中，不仅包含了技术上的创新，同时还包含了管理理念与思维方式的创新。在工业互联网与电力物联网快速发展的背景下，本成果对高电压开闭所的设备带数据及管理流程进行了分析，确定了高压开闭所设备的数据集以后，采取适当方法对数据进行处理为信息挖掘和价值共享打下基础。为了深度剖析电力设备数据信息语义库中的数据文档价值，电网企业已经开发出了基于区块链与云技术研发出具有数据提取分类的前端物联平台以及存储应用的后台共享系统。开闭所数据管理系统通过对设备数据的归纳总结，并根据以往的数据分析形成设备运行管理报告，为配电系统的各个环节进行决策辅助，方便今后新建配电网项目规划与施工。以高压开闭所为主的配电网设备数据语义物联管理不仅是为了获取更多数据信息，更多是借助区块链与云计算等新兴技术进一步挖掘数据规律，利用工业互联网实现信息在多个场景的实时共享，提升电力数据资产的可利用价值。

本成果将区块链和云技术应用在高压开闭所设备的数据语义物联管理过程中，研究了高压开闭所设备的数据特征以及数据信息物联管理机制，提升了配电网规划水平以及运维人员对配电系统的认知程度。但目前将区块链和云技术应用在开闭所数据管理中的学者较少，并且在探索研究过程中存在诸多障碍，希望本研究能加速开闭所设备数据语义物联管理的科研成果落地转化。