去中心化的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺

張雙雙， 吳賀揚(yáng)

(1.華南師范大學(xué) 政治與公共管理學(xué)院，廣東 廣州 510631； 2. 中山大學(xué) 數(shù)據(jù)科學(xué)與計算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

傳統(tǒng)的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺主要由互聯(lián)網(wǎng)的分布式商業(yè)模式實現(xiàn)，因此需要建立一個具有中心化特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系。在運(yùn)行體系中完成智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換、設(shè)備維護(hù)以及用戶的信息資源處理等，中心化的結(jié)構(gòu)體系由于存在大量的交易管理系統(tǒng)[1]，因此會對智能電網(wǎng)的眾多數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾與安全隱患。2016年曾有研究人員提出智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)多維聚合反饋機(jī)制，此機(jī)制能夠使智能電網(wǎng)中的硬件設(shè)備與相關(guān)數(shù)據(jù)同時關(guān)聯(lián)，提升了智能電網(wǎng)的運(yùn)行效率，但是這種機(jī)制的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的傳輸精準(zhǔn)度較低，同時也為管理人員增加了工作負(fù)擔(dān)[2]。

為了解決傳統(tǒng)方案中存在的問題，本文基于去中心化對智能電網(wǎng)的資產(chǎn)監(jiān)控與管理平臺進(jìn)行研究。

1 去中心化的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺的結(jié)構(gòu)構(gòu)建

本文應(yīng)用去中心化技術(shù)對智能電網(wǎng)中的電氣設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控管理，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)以及設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)塊化管理，分別設(shè)定相應(yīng)的監(jiān)控管理體系結(jié)構(gòu)。首先應(yīng)用去中心化設(shè)立電氣設(shè)備的臺賬管理結(jié)構(gòu)，對電氣設(shè)備的型號、運(yùn)行狀態(tài)、安裝日期、購買日期和覆蓋范圍等信息進(jìn)行統(tǒng)計，還需要對電氣設(shè)備的維修次數(shù)和檢查次數(shù)等信息備份完整的信息記錄，科學(xué)地建造能夠及時提取調(diào)出的安全數(shù)據(jù)庫[3]。電氣設(shè)備在工作的過程中難免會產(chǎn)生一定的自身損耗，需要對設(shè)備可能存在的漏洞進(jìn)行管理，分區(qū)域地記錄電氣設(shè)備的損耗情況與漏洞信息，并及時反應(yīng)到相關(guān)電網(wǎng)部門，主要是及時對電氣設(shè)備的漏洞排查與實時管理。電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控是智能電網(wǎng)運(yùn)行過程中非常重要的工作之一，對設(shè)備的日常檢修數(shù)據(jù)和設(shè)備故障狀況、設(shè)備運(yùn)行時間以及相應(yīng)的檢修方案都需要建立一套完整的去中心化數(shù)據(jù)庫，保障了智能電網(wǎng)的正常運(yùn)行，也保障了智能電網(wǎng)電氣設(shè)備資產(chǎn)的監(jiān)控與管理[4]。

為了防止節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)驗證疲憊而導(dǎo)致信息外漏現(xiàn)象的產(chǎn)生，本文構(gòu)建的去中心化數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)，最佳節(jié)點(diǎn)是根據(jù)時間段來進(jìn)行劃分，數(shù)據(jù)根據(jù)不同的時間段來選擇最佳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)安全驗證[5]。節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)包解析時需要通過數(shù)據(jù)密鑰來獲取數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，保證了智能電網(wǎng)單向的數(shù)據(jù)安全，本文的結(jié)構(gòu)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 去中心化智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)架圖

結(jié)構(gòu)中的智能電表主要安裝在客戶的用電設(shè)備中，方便智能電表對多維數(shù)據(jù)的采集。智能電表是根據(jù)用戶的用電特點(diǎn)以及用電設(shè)備的特征量身定做的，需要經(jīng)過用戶的實名登錄才能與區(qū)塊中的數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行連接。智能電表會將用戶的多維數(shù)據(jù)直接發(fā)送到智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)應(yīng)用的靈活性和精準(zhǔn)性，同時也降低了智能電網(wǎng)中的通信負(fù)載。智能電網(wǎng)的運(yùn)行單位收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同類型的客戶制定不同的用電反饋政策，以合約的形式對設(shè)定的用電設(shè)備實時監(jiān)控與管理。智能電網(wǎng)中的合約達(dá)到設(shè)定條件時，合約中的內(nèi)容將自動實現(xiàn)，用戶再配合合約中的條件反饋用電信息，對用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)整[6]，不僅提升了智能電網(wǎng)的供電效率，還能降低智能電網(wǎng)的供電負(fù)擔(dān)。合約中的智能電網(wǎng)供電效率運(yùn)算函數(shù)為：

?=x×J(N)

(1)

式中:?為智能電網(wǎng)的工作效率；x為合約中的信道壓力系數(shù)；J(N)為多維數(shù)據(jù)反饋的時間參數(shù)。圖2為智能電表的實物。

圖2 智能電表實物圖

智能電網(wǎng)中含有資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺的控制中心，控制中心利用數(shù)據(jù)通信鏈路的區(qū)塊化與去中心化實現(xiàn)了數(shù)據(jù)儲存、管理和檢測的獨(dú)立性與永久性。這種功能的實現(xiàn)不需要人為參與，通過智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動分配技術(shù)來完成，避免因人員參與而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)賬戶被盜。另控制中心數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)中還安裝有電網(wǎng)運(yùn)行芯片，監(jiān)控電網(wǎng)資產(chǎn)的數(shù)據(jù)信息是否出現(xiàn)故障與違規(guī)操作，及時向管理人員發(fā)出預(yù)警[7]。圖3為電網(wǎng)運(yùn)行芯片的內(nèi)部電路示意圖。

圖3 電網(wǎng)運(yùn)行芯片的內(nèi)部電路示意圖

2 去中心化的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺工作流程分析

去中心化的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺的工作流程主要體現(xiàn)在對多維數(shù)據(jù)的分析中，從多維數(shù)據(jù)的獲取到多維數(shù)據(jù)的管理均需要通過本文去中心化數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)分配。智能電表首先對用戶的智能電網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，并發(fā)布到去中心化的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)再通過區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)一步將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的管理平臺。為了保障數(shù)據(jù)的安全性，多維數(shù)據(jù)的傳輸形式主要以加密文件的形式傳輸，多維數(shù)據(jù)的加密機(jī)制本文應(yīng)用聚合加密的方式實現(xiàn)，多維數(shù)據(jù)的加密機(jī)制函數(shù)為：

(2)

加密公鑰N定義為：

N=gN×modN2

(3)

式中:U為聚合加密結(jié)果；K為多維數(shù)據(jù)的加密安全系數(shù)；N為公鑰代碼。圖4為聚合加密的實現(xiàn)流程圖。

圖4 聚合加密的實現(xiàn)流程圖

智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取成功后需要對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，檢測數(shù)據(jù)的防竊電功能是否完備，預(yù)防非法用戶對高壓電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)篡改而竊取高壓電，通過對數(shù)據(jù)的監(jiān)控可以得到三相電壓數(shù)據(jù)、電流預(yù)處理數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)維數(shù)。監(jiān)測時的數(shù)據(jù)需要發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈中，此時主節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈中，永久性地儲存數(shù)據(jù)，保障智能電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定。數(shù)據(jù)監(jiān)測可以由電力設(shè)備中的診斷網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。圖5為數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖。

圖5 數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖

智能電網(wǎng)的運(yùn)營商對實時數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行有效控制與管理，針對用戶獲取電量的情況來保障智能電網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的電量穩(wěn)定供給，避免出現(xiàn)用電高峰期供電不足的問題。此技術(shù)的實現(xiàn)主要通過運(yùn)營商與用戶之間的合約機(jī)制實現(xiàn)，智能合約中含有用戶電量消耗與電網(wǎng)電量供給兩個運(yùn)算函數(shù)。當(dāng)合約中的數(shù)據(jù)發(fā)生改變時會發(fā)出預(yù)警，需要設(shè)定解碼的門限值來限制智能電網(wǎng)的持續(xù)供電[7]。合約中的門限值限制函數(shù)如式(4)所示。

e(c,1)=e[k,H(N)]

(4)

圖6 設(shè)備狀態(tài)分類示意圖

式中:(c，l)為門限值結(jié)果；k為多維數(shù)據(jù)用電系數(shù)；H(N)為用戶的電量消耗量。用戶的用電量超出供電費(fèi)用時，智能合約同樣會減少對用戶的持續(xù)供電，用戶欠費(fèi)嚴(yán)重的情況下將停止供電。智能電網(wǎng)中的設(shè)備資產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)同樣需要進(jìn)行監(jiān)控管理，設(shè)備供應(yīng)商首先提供一定的出廠數(shù)據(jù)，在去中心化的數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)中對設(shè)備的安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行處理，本結(jié)構(gòu)將電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)劃分為：正常運(yùn)行狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)和停運(yùn)狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時需要第一時間向管理人員傳送故障信息，管理人員根據(jù)出廠信息作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)方案，設(shè)備供應(yīng)商也應(yīng)當(dāng)將設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到區(qū)塊數(shù)據(jù)鏈中，形成去中心化永久的數(shù)據(jù)庫[8]。圖6為設(shè)備的狀態(tài)分類示意圖。

3 試驗研究

本文方案的實現(xiàn)首先需要在智能電網(wǎng)的常規(guī)覆蓋范圍內(nèi)安裝智能電表，對智能電網(wǎng)的資產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在智能電表中引入通信合約，并在合約的內(nèi)容數(shù)據(jù)中去除中心化，使智能終端的數(shù)據(jù)通信與智能電網(wǎng)的總線實時連接。為了保障試驗過程中的穩(wěn)定性，試驗中智能電表的型號均為DB-2750三相智能電表。智能電表中合約主要在雙工通信模式下對外傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型確定通信合約的工作方式。合約中最為常規(guī)的通信幀數(shù)為48H，8字節(jié)為一個單獨(dú)的通信地域，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中字節(jié)調(diào)動后形成一個條形碼，此條形碼具有加密功能，需要管理人員的密鑰方可解析數(shù)據(jù)內(nèi)容，增強(qiáng)試驗的安全穩(wěn)定性。如表1為試驗中智能電表的通信參數(shù)。

表1 試驗中智能電表的通信參數(shù)

為了確保試驗環(huán)境中不出現(xiàn)其他電網(wǎng)數(shù)據(jù)的干擾，在智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)環(huán)境中建立數(shù)據(jù)簽密過程，用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)與智能電網(wǎng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與交換均需要建立密鑰體系，數(shù)據(jù)的接收端口可以擁有獨(dú)立的密鑰。當(dāng)智能電網(wǎng)資產(chǎn)的攻擊者在數(shù)據(jù)信道中安裝竊取文件，在用戶向去中心化的數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)中發(fā)布數(shù)據(jù)信息前，竊聽文件是無法產(chǎn)生作用的，需要通過簽密密碼對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解密。信道傳輸中的密文處于封存狀態(tài)，即便攻擊文件獲取到信道中的數(shù)據(jù)信息也無法對加密文件破解，電力的多維數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的永久性與去中心化性都能夠適應(yīng)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)塊的機(jī)密特點(diǎn)。圖7為試驗環(huán)境構(gòu)建流程圖。

試驗中智能電網(wǎng)的資產(chǎn)信息與管理平臺需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容都是多維數(shù)據(jù)，管理平臺的接收與處理要配合智能電網(wǎng)的調(diào)控，且去中心化的數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)具有永久性，數(shù)據(jù)被管理平臺儲存后不能再次改正。通過智能條約內(nèi)容，三種方案在相同的智能電網(wǎng)中面對數(shù)據(jù)攻擊的資產(chǎn)監(jiān)控與管理平臺的運(yùn)行效果及性能方面的比較結(jié)果如表2所示。

圖7 試驗環(huán)境構(gòu)建流程圖

表2 三種方案的性能比較

本文方案中對智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控與管理平臺的實現(xiàn)覆蓋范圍較廣，包含智能電網(wǎng)電氣化設(shè)備資產(chǎn)與用戶的數(shù)據(jù)信息資產(chǎn)監(jiān)控與管理，對于電氣化設(shè)備的資產(chǎn)管理本文建立去中心化的臺賬管理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電氣化設(shè)備資源的運(yùn)行、維護(hù)和檢修等多狀態(tài)下的監(jiān)控與管理。試驗中首先對智能電網(wǎng)中的電氣設(shè)備資產(chǎn)監(jiān)控與管理的安全性能進(jìn)行比較，在相同的試驗環(huán)境下對相同的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控，分別在三種不同的方案中安裝相同的數(shù)據(jù)竊取文件。圖8為三種方案對相同竊取文件的安全處理能力比較。

圖8 三種方案對相同竊取文件的安全處理能力比較

圖9 信道中數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)性監(jiān)測結(jié)果

由圖8可知，本文方案下的安全性能最高，在100 h后數(shù)據(jù)被竊取率達(dá)到最高(0.04%左右)，互聯(lián)網(wǎng)分布商業(yè)模式次之，達(dá)到0.08%左右，數(shù)據(jù)多維聚合反饋機(jī)制最差，達(dá)到0.15%左右，且本文方案的安全處理能力在100 h內(nèi)處于平穩(wěn)增長，而傳統(tǒng)方法在10 h內(nèi)就上升到0.03%至0.04%，安全穩(wěn)定性較差。本文方案中對智能電網(wǎng)中資產(chǎn)電氣化數(shù)據(jù)的多維數(shù)據(jù)最初來源為設(shè)備供應(yīng)商。本文方案以供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)作為多維數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，以相關(guān)安全性能數(shù)據(jù)監(jiān)控電氣設(shè)備運(yùn)行過程中是否會出現(xiàn)數(shù)據(jù)故障與泄露為依據(jù)，對電氣設(shè)備信道中的漏洞進(jìn)行科學(xué)管理，與智能電網(wǎng)的監(jiān)管部門取得實時聯(lián)系，增強(qiáng)安全性能的穩(wěn)定性。本文還在整體結(jié)構(gòu)中完成了去中心化，使智能電網(wǎng)電氣化設(shè)備資產(chǎn)的監(jiān)控與管理成為一套獨(dú)立的運(yùn)行體系，安全性能得到了更高的保障。智能電網(wǎng)中的資產(chǎn)監(jiān)控與管理需要共同通過數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)來完成通信，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)性也是本試驗的對比對象之一，分別獲取相同種類的數(shù)據(jù)并使其在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間傳輸，在信道中對數(shù)據(jù)的傳輸精準(zhǔn)性監(jiān)測。結(jié)果如圖9所示。

本文方案的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控與管理的精準(zhǔn)程度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)100%的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)傳輸，其他兩種傳統(tǒng)方案精準(zhǔn)度最低達(dá)到近30%。在相同的區(qū)域內(nèi)，本文方案中應(yīng)用智能電表對用戶的供電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所采集的數(shù)據(jù)具有實名特點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)的傳輸需要經(jīng)過安全驗證才能夠?qū)崟r傳輸，進(jìn)而保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的精準(zhǔn)程度。本文方案的資產(chǎn)監(jiān)控與管理的通信信道中應(yīng)用智能合約的方式作為通信協(xié)議，可以及時反饋不正當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，減少了整體結(jié)構(gòu)的信道壓力，去中心化的節(jié)點(diǎn)區(qū)塊鏈中采用分時段的工作形式，也減少了信道的通信壓力。圖10為2018年三種方案下的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控與管理的通信信道壓力對比圖。

由圖10可知本文方案下的信道壓力最小，本文方案的信道占比控制在20%以內(nèi)，而傳統(tǒng)方案的信道占比均達(dá)到了30%。本文主要從信道的數(shù)據(jù)傳輸根源與傳輸介質(zhì)方面進(jìn)行了改善，提升資產(chǎn)監(jiān)控與管理的數(shù)據(jù)傳輸流暢性，進(jìn)而提升了整體結(jié)構(gòu)的工作效率。

圖10 通信信道壓力對比圖

4 結(jié)束語

智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺是智能電網(wǎng)高效穩(wěn)定供電的基本保障，傳統(tǒng)的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控與管理平臺的實現(xiàn)方案主要是在中心化的模式下運(yùn)行的，容易受到其他電網(wǎng)數(shù)據(jù)的干擾。針對智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺的安全性、精準(zhǔn)性與高效性，本文建立去中心化的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控與管理平臺結(jié)構(gòu)，應(yīng)用信道智能合約、節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和密鑰的處理等技術(shù)改善了傳統(tǒng)方案中存在的問題。