區(qū)塊鏈技術(shù)在智能電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

雷 鳴， 崔曉丹,2， 楊天舒， 梁師哲， 吳家龍， 許劍冰,2

(1. 南瑞集團(tuán)有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)， 江蘇 南京 211106； 2. 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 211006)

安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)(簡稱“穩(wěn)控系統(tǒng)”)作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定第2道防線的重要手段，在我國電網(wǎng)發(fā)展過程中發(fā)揮著極其重要的安全保障作用[1].隨著我國電網(wǎng)的規(guī)模不斷發(fā)展，特別是在特高壓交直流電網(wǎng)發(fā)展的過渡期，電網(wǎng)特性愈發(fā)復(fù)雜化，大擾動下系統(tǒng)性的失穩(wěn)隱患持續(xù)存在[2-3].為了保障電網(wǎng)安全運(yùn)行、阻斷連鎖反應(yīng)，穩(wěn)控系統(tǒng)已經(jīng)成為重大輸電、電源建設(shè)、網(wǎng)架改造等重大工程的重要配置，發(fā)揮著不可或缺的作用.然而，隨著電網(wǎng)穩(wěn)定問題的跨區(qū)域演化、多穩(wěn)定形態(tài)交互作用，穩(wěn)控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略也變得越發(fā)復(fù)雜，給穩(wěn)控系統(tǒng)本體的可靠性帶來潛在隱患[4-5].

為提升穩(wěn)控系統(tǒng)自身可靠性，需要對其進(jìn)行全方位的控制.目前對于穩(wěn)控系統(tǒng)的控制，電網(wǎng)調(diào)度部門已經(jīng)形成了相關(guān)企業(yè)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對其可靠性的把控起到了關(guān)鍵性作用[6].然而，當(dāng)前的控制方式仍以人工、逐層管理的方式為主.由于整個控制過程涉及到相關(guān)管理部門、運(yùn)行單位、設(shè)備廠家、設(shè)備用戶、第3方驗(yàn)證單位等多類主體，當(dāng)前模式存在諸多問題或不足，主要表現(xiàn)在：① 工作效率低.由于目前管理模式大部分采用線下管理，通過人工操作進(jìn)行，導(dǎo)致穩(wěn)控裝置策略和定值信息等無法實(shí)時獲取數(shù)據(jù)，工作效率低下；同時，人為操作不當(dāng)也有可能造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)的錯誤修改和丟失，存在安全隱患；② 過程難追溯.目前控制模式缺乏對穩(wěn)控系統(tǒng)控制過程中的事前、事中、事后數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和可控使用，導(dǎo)致裝置非正確動作發(fā)生后，難以進(jìn)行追溯；③ 在線監(jiān)管及數(shù)據(jù)更新難.當(dāng)穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)被修改時，管理部門及運(yùn)行單位難以對現(xiàn)場裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)及時監(jiān)管，進(jìn)而同步更新保持一致[7].

近年來，很多學(xué)者和研究人員對區(qū)塊鏈技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了大量研究.區(qū)塊鏈在電力行業(yè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，目前主要集中在能源交易、數(shù)據(jù)存證、安全防護(hù)等方面.文獻(xiàn)[8]提出了基于聯(lián)盟鏈的分布式能源交易模型，可為促進(jìn)分布式能源交易提供決策支持.文獻(xiàn)[9]提出了一種基于區(qū)塊鏈的電力營銷數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)，支持電力數(shù)據(jù)上鏈、電力數(shù)據(jù)傳輸，具備存儲穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)可追溯等優(yōu)勢.

文中著力于區(qū)塊鏈在電力二次系統(tǒng)框架性設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在穩(wěn)控系統(tǒng)管理中，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式存儲、防篡改、非對稱加密、共識機(jī)制等特點(diǎn)[10-12]，將穩(wěn)控系統(tǒng)管理各階段涉及的試驗(yàn)驗(yàn)證、現(xiàn)場聯(lián)調(diào)、運(yùn)維管理等實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行區(qū)塊化封裝及分布式控制.基于Hyperledger Fabric平臺[13]，設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的穩(wěn)控系統(tǒng)管理系統(tǒng)架構(gòu)，同時采用股份授權(quán)證明共識機(jī)制(delegated proof of stake, DPOS)，根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)管理過程中涉及的數(shù)據(jù)信息，設(shè)計(jì)區(qū)塊結(jié)構(gòu).最后，以目前正在進(jìn)行的某示范應(yīng)用工程為例，驗(yàn)證實(shí)際效果.

1 可行性分析

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈的概念來源于2008年發(fā)表的文章《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》[10]，起初是作為比特幣的底層技術(shù)和基礎(chǔ)架構(gòu)被發(fā)明的.區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€分布式賬本，是一種通過去中心化、去信任的方式集體維護(hù)一個可靠數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方案[10]，是在不依賴第3方的情況下,通過加密算法將信息驗(yàn)證后上傳至分布式節(jié)點(diǎn),形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的信息處理技術(shù).其融合了密碼學(xué)原理、概率論、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科成果，具有去中心化、數(shù)據(jù)不可篡改、無需信任等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用在金融、司法、公證、能源、公共服務(wù)等領(lǐng)域[10].

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)在穩(wěn)控系統(tǒng)管理中的可行性

穩(wěn)控系統(tǒng)管理涵蓋試驗(yàn)驗(yàn)證、現(xiàn)場聯(lián)調(diào)、運(yùn)維管理等主要環(huán)節(jié)，涉及管理部門、運(yùn)行單位、設(shè)備廠家、第3方驗(yàn)證單位等諸多相關(guān)方.

基于區(qū)塊鏈技術(shù)，管理員首先為每個新用戶(管理部門、運(yùn)行單位、第3方驗(yàn)證單位)分配公私秘鑰，管理員和用戶可以通過公鑰來識別網(wǎng)絡(luò)中的用戶或自身.當(dāng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時，將設(shè)備廠家以及試驗(yàn)驗(yàn)證流程管理中涉及的各階段中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)等生成一條包含用戶、設(shè)備信息、試驗(yàn)流程中試驗(yàn)記錄等信息的試驗(yàn)驗(yàn)證流程記錄，利用用戶的私鑰對其進(jìn)行數(shù)字簽名，然后進(jìn)行上鏈，加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，可以有效防止任一方在沒有得到各方同意允許下私自修改執(zhí)行程序、策略文件及定值數(shù)據(jù)、中間試驗(yàn)數(shù)據(jù)等信息，提升試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)及結(jié)果的可靠性.此外，用戶可以查詢自己設(shè)備的試驗(yàn)驗(yàn)證全部記錄，管理員可以對用戶進(jìn)行管控，及查詢所有用戶的全部試驗(yàn)驗(yàn)證記錄，支持試驗(yàn)驗(yàn)證全過程步步留痕，提升試驗(yàn)驗(yàn)證過程與結(jié)果的公信度.

現(xiàn)場聯(lián)調(diào)與試驗(yàn)驗(yàn)證階段類似.運(yùn)維管理階段，對穩(wěn)控設(shè)備實(shí)時信息可以采取手動、自動(周、天)上報(bào)和校驗(yàn)，與歷史信息進(jìn)行比對，如果檢驗(yàn)結(jié)果不一致，發(fā)出告警信息.綜上，鑒于區(qū)塊鏈分布式存儲、防篡改、可追溯和各方信任共享機(jī)制等特點(diǎn)，區(qū)塊鏈技術(shù)是解決穩(wěn)控系統(tǒng)管理過程中諸多問題的有效途徑.

2 區(qū)塊鏈在穩(wěn)控系統(tǒng)控制中的應(yīng)用

根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)的特點(diǎn)及控制的高要求，在穩(wěn)控系統(tǒng)全生命周期控制運(yùn)行框架中，穩(wěn)控系統(tǒng)全周期業(yè)務(wù)流程圖在國網(wǎng)的業(yè)務(wù)體系中已經(jīng)在試運(yùn)行，主要需進(jìn)行的工作是構(gòu)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，在各業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)部署區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，接入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò).

對穩(wěn)控系統(tǒng)的控制過程涉及試驗(yàn)驗(yàn)證(試驗(yàn)啟動、試驗(yàn)實(shí)施方案制定、試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建、試驗(yàn)環(huán)境效果評估、試驗(yàn)驗(yàn)證、試驗(yàn)報(bào)告編寫、試驗(yàn)內(nèi)容變更、試驗(yàn)驗(yàn)收)、現(xiàn)場聯(lián)調(diào)、運(yùn)維管理等階段，涉及的部門包括管理部門、運(yùn)行單位、設(shè)備廠家、第3方驗(yàn)證單位.

2.1 基于區(qū)塊鏈的穩(wěn)控系統(tǒng)管理運(yùn)行架構(gòu)

穩(wěn)控系統(tǒng)管理業(yè)務(wù)流程由驗(yàn)證單位設(shè)計(jì)，目前處于試運(yùn)行階段，如圖1所示.

圖1 穩(wěn)控系統(tǒng)全生命周期控制運(yùn)行架構(gòu)圖

根據(jù)業(yè)務(wù)流程圖建立由管理部門、運(yùn)行單位、試驗(yàn)驗(yàn)證單位、設(shè)備廠家組成的穩(wěn)控系統(tǒng)管理成員聯(lián)盟.所有成員單位根據(jù)授權(quán)擁有不同的權(quán)利和義務(wù).設(shè)備廠家提交設(shè)備在驗(yàn)證單位進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，這是穩(wěn)控系統(tǒng)管理的起點(diǎn)；試驗(yàn)驗(yàn)證完畢，在現(xiàn)場聯(lián)調(diào)進(jìn)行現(xiàn)場部署轉(zhuǎn)入運(yùn)維管理；最終按照退役管理規(guī)定進(jìn)行設(shè)備退役，該設(shè)備的管理結(jié)束，整個過程中都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)和記錄.

以試驗(yàn)驗(yàn)證階段為例，其過程涉及的各成員的權(quán)利和責(zé)任如表1所示.

表1 試驗(yàn)驗(yàn)證過程涉及各成員的權(quán)利和職責(zé)

2.2 基于區(qū)塊鏈的穩(wěn)控系統(tǒng)控制應(yīng)用架構(gòu)

文中基于區(qū)塊鏈技術(shù)，構(gòu)建了穩(wěn)控系統(tǒng)控制架構(gòu)，如圖2所示，其自下而上由基礎(chǔ)設(shè)施層、區(qū)塊鏈服務(wù)層、業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層依次連接組成，其中區(qū)塊鏈服務(wù)層作為穩(wěn)控系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，各區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)連接基礎(chǔ)設(shè)施層和業(yè)務(wù)層，采用區(qū)塊鏈技術(shù)對穩(wěn)控系統(tǒng)控制中涉及的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存證，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的不可篡改、記錄可追溯及數(shù)據(jù)一致性保證.

圖2 基于區(qū)塊鏈的穩(wěn)控系統(tǒng)控制應(yīng)用架構(gòu)圖

基礎(chǔ)設(shè)施層是整個架構(gòu)的最底層，包含存儲設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、操作系統(tǒng)等，還包含一個無中心網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)用來存儲穩(wěn)控系統(tǒng)控制中的數(shù)據(jù)資源，通過一系列分布式存儲的算法和邏輯，結(jié)合上層的區(qū)塊鏈服務(wù)層、應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)設(shè)施層的可靠性、一致性和完整性.

服務(wù)層提供區(qū)塊鏈相關(guān)服務(wù)，主要包含成員管理、智能合約管理、試驗(yàn)驗(yàn)證、現(xiàn)場聯(lián)調(diào)、運(yùn)維管理等階段涉及的信息管理.文中采用業(yè)界較為成熟的商用級解決方案Hyperledger Fabric平臺[13].區(qū)塊鏈服務(wù)層主要由Fabric平臺和運(yùn)行于該平臺的穩(wěn)控系統(tǒng)控制智能合約程序兩部分構(gòu)成，核心目的是將穩(wěn)控系統(tǒng)控制中相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)區(qū)塊與記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈的共識機(jī)制、數(shù)據(jù)簽名等.具體地，F(xiàn)abric平臺主要提供區(qū)塊鏈賬本維護(hù)、分布式共識和成員管理等功能，而穩(wěn)控系統(tǒng)管理智能合約則實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)證、現(xiàn)場聯(lián)調(diào)、運(yùn)維管理等具體業(yè)務(wù)的執(zhí)行處理.穩(wěn)控系統(tǒng)控制中相關(guān)信息在存儲到基礎(chǔ)設(shè)施層的同時，會將關(guān)鍵信息Hash值通過Merkle樹的形式上鏈，這樣就實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵信息的不可篡改、記錄可追溯，同時數(shù)據(jù)一致性也會通過檢驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)和保證.

業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的業(yè)務(wù)請求傳遞和后臺業(yè)務(wù)管理功能，主要包括訪問控制、穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄查閱、業(yè)務(wù)管理等.具體可采用Java Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過Fabric提供的API接口實(shí)現(xiàn)交互，將業(yè)務(wù)過程中涉及相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)封裝后提交到區(qū)塊鏈服務(wù)層中處理.同時，它通過Web瀏覽器為管理部門、運(yùn)行單位、設(shè)備廠家、第3方驗(yàn)證單位等賦予不同的職責(zé)及功能.

應(yīng)用層通過客戶端為系統(tǒng)用戶提供操作界面和相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能，主要實(shí)現(xiàn)會員的注冊、成員登錄和退出等.

2.3 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

穩(wěn)控系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)包括：裝置編號、裝置名稱、裝置類型、裝置等級、所屬單位、投運(yùn)時間、生產(chǎn)廠家、電壓等級以及運(yùn)維管理中產(chǎn)生的重要數(shù)據(jù).穩(wěn)控系統(tǒng)控制中采用的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表2.

表2 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

需要指出的是，由于穩(wěn)控系統(tǒng)控制過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)較多，在實(shí)際應(yīng)用中，只需將關(guān)鍵數(shù)據(jù)Hash值上鏈，數(shù)據(jù)本身存儲在鏈下服務(wù)器中，即可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存證、可追溯及一致性確認(rèn).

穩(wěn)控系統(tǒng)控制過程中關(guān)鍵數(shù)據(jù)完成區(qū)塊化封裝后采用公鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，之后發(fā)布密文使管理部門、運(yùn)行單位、設(shè)備廠家、第3方驗(yàn)證單位根據(jù)授權(quán)權(quán)限，采用對應(yīng)的私鑰對密文進(jìn)行解密從而獲得所需的穩(wěn)控系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息.

2.4 共識機(jī)制

由于穩(wěn)控系統(tǒng)控制過程中涉及的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)基本可信，為避免算力浪費(fèi)，文中采用股份授權(quán)證明機(jī)制，DPOS共識機(jī)制是一種基于投票選舉的共識算法，該機(jī)制采用投票的方式選舉權(quán)益代表.DPOS能大幅度提升選舉效率，在犧牲一部分去中心化特性的情況下得到性能提升,使得共識達(dá)成的周期要短很多，同時可保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的防篡改和安全性.目前，已經(jīng)有很多相對成熟的采用DPOS的項(xiàng)目以及平臺，開發(fā)可借鑒性較強(qiáng).

3 應(yīng)用案例

以目前正在進(jìn)行的某穩(wěn)控系統(tǒng)控制項(xiàng)目實(shí)踐為例，驗(yàn)證區(qū)塊鏈的實(shí)際應(yīng)用效果.具體地，以已完成的穩(wěn)控系統(tǒng)控制中的運(yùn)維管理階段為例進(jìn)行說明.

3.1 具體應(yīng)用場景

在項(xiàng)目中，運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)解決穩(wěn)控系統(tǒng)控制過程中運(yùn)維管理階段策略文件和定值文件易被篡改、難以在線監(jiān)管的問題.目前，試點(diǎn)工程共包含4個區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，其中3個區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)為調(diào)度管理部門A、調(diào)度運(yùn)行單位B、C，另1個區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)為試驗(yàn)驗(yàn)證單位.基于區(qū)塊鏈的穩(wěn)控系統(tǒng)運(yùn)維管理階段流程圖見圖3.

圖3 基于區(qū)塊鏈的穩(wěn)控系統(tǒng)運(yùn)維管理階段流程圖

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目開發(fā)了基于區(qū)塊鏈的穩(wěn)控系統(tǒng)管理應(yīng)用平臺，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)的上鏈存證，同時通過實(shí)時或定時監(jiān)測與核查，保證了穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)在裝置側(cè)和管理側(cè)的一致性.穩(wěn)控系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)，在電網(wǎng)運(yùn)行中需要經(jīng)過管理部門(國調(diào)中心)、生產(chǎn)運(yùn)行部門(省公司)、第3方入網(wǎng)檢測機(jī)構(gòu)、廠家多方協(xié)調(diào)，目前都是線下紙質(zhì)材料蓋章流程管理，容易篡改(安全性低)、效率低(一趟流程走下來需要至少幾天時間)；而現(xiàn)在區(qū)塊鏈的管理系統(tǒng)僅需要幾分鐘操作即可，同時也實(shí)現(xiàn)了所有上鏈過程的可查詢(區(qū)塊鏈的本質(zhì)優(yōu)勢之一).基于區(qū)塊鏈的穩(wěn)控系統(tǒng)管理應(yīng)用平臺界面如圖4所示.

圖4 基于區(qū)塊鏈的穩(wěn)控系統(tǒng)管理界面

穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)在穩(wěn)控裝置試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)束后，通過區(qū)塊鏈上鏈模塊進(jìn)行上鏈存證，結(jié)果如圖5所示.

圖5 穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)上鏈結(jié)果示意圖

在穩(wěn)控裝置運(yùn)維管理階段，首次運(yùn)行的穩(wěn)控裝置與鏈上數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性比對，確保穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)是試驗(yàn)驗(yàn)證后的數(shù)據(jù)；后期穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)定時(按周或天)將鏈上數(shù)據(jù)和裝置側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢查；同時，可手動對選定穩(wěn)控裝置進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)的全部變動過程實(shí)現(xiàn)了全程記錄和可追溯；當(dāng)裝置側(cè)或管理側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新后，所有區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)同步更新，管理部門及運(yùn)行單位可對現(xiàn)場裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)及時監(jiān)管.一致性檢驗(yàn)示意圖如圖6所示.

圖6 穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)示意圖

4 結(jié) 論

1) 利用區(qū)塊鏈的技術(shù)優(yōu)勢，將區(qū)塊鏈技術(shù)內(nèi)嵌在穩(wěn)控系統(tǒng)控制框架中，使得關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)全過程可追溯、不可篡改，打造了穩(wěn)控系統(tǒng)控制新模式.與目前現(xiàn)有文章大多集中于各個環(huán)節(jié)的交易設(shè)計(jì)有較大區(qū)別，文中是對電力二次領(lǐng)域生產(chǎn)全過程管理的全面細(xì)致的管理和應(yīng)用，具有實(shí)際的應(yīng)用參考價值.

2) 文中提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的穩(wěn)控系統(tǒng)控制概念和方法，對穩(wěn)控系統(tǒng)以外的其他類似大型控制軟硬件系統(tǒng)、設(shè)備的運(yùn)維管理，同樣具有普適性的借鑒意義.當(dāng)然，目前區(qū)塊鏈技術(shù)在穩(wěn)控系統(tǒng)程控制中的應(yīng)用還處于探索階段，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，需要在具體研發(fā)的基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)用效果進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新或改進(jìn).