基于區(qū)塊鏈的智能物聯(lián)電能表功能模組設(shè)計

張林浩，陶 鵬，任 鵬，石振剛

（國網(wǎng)河北省電力有限公司營銷服務(wù)中心，河北 石家莊 050051）

0 引言

數(shù)字化主動電網(wǎng)建設(shè)提出通過主動管理驅(qū)動業(yè)態(tài)與信息技術(shù)數(shù)字化融合，提升業(yè)務(wù)運轉(zhuǎn)效率，對多主體能源及交易數(shù)據(jù)的交互、隱私保護等核心技術(shù)提出了更高的要求。作為主動電網(wǎng)中數(shù)量最大、覆蓋最廣、與用戶接觸最密切的末端設(shè)備，電能表承擔(dān)著法制計量、高效管理和優(yōu)質(zhì)服務(wù)的重要功能。但是，在表計應(yīng)用及用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)過程中，傳統(tǒng)電能表逐漸暴露出管理功能單一、用戶交互體驗差、擴展升級能力低等問題，無法滿足數(shù)字化主動電網(wǎng)建設(shè)需求[1]。

同時，隨著數(shù)字化主動電網(wǎng)中分布式能源、儲能和電動汽車等技術(shù)的快速應(yīng)用，傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，電網(wǎng)主體分散，網(wǎng)絡(luò)信任機制缺失，難以有效解決電力系統(tǒng)各參與主體的計量、交互、控制及決策等問題。

針對上述問題，設(shè)計基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表擴展功能模組，既可解決傳統(tǒng)電能表不適應(yīng)數(shù)字化主動電網(wǎng)發(fā)展要求的矛盾，又可以解決電網(wǎng)中各參與主體計量、交易過程中的信任問題，促進(jìn)多形式能源、各參與主體的協(xié)同。本文基于國家電網(wǎng)有限公司提出的新一代智能電能表設(shè)計理念[2-4]，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表功能模組的設(shè)計方法，同時驗證了硬件工作的正確性。

1 智能物聯(lián)電能表模組化架構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

智能物聯(lián)電能表將電能表的計量部分、管理部分和功能擴展部分進(jìn)行獨立設(shè)計，形成計量模組、管理模組和擴展模組。電能表通過獨立的計量模組進(jìn)行電能計量，通過管理模組和功能擴展模組實現(xiàn)相關(guān)擴展功能，可在確保計量功能準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定的前提下，提高表計的兼容性和擴展性，滿足電能表新技術(shù)的發(fā)展需要，為日益多元化、復(fù)雜化的管理需求提供充分的預(yù)留空間。圖1為智能物聯(lián)電能表系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 智能物聯(lián)電能表架構(gòu)

計量模組硬件包括管理芯片、電池、時鐘、ESA M 芯片、存儲器、脈沖信號等，具備法制計量功能，為保證計量的準(zhǔn)確可靠，計量模組可不依賴其它模組獨立工作，在結(jié)構(gòu)上采用止逆設(shè)計，不支持拆卸及軟件升級。管理模組硬件包括主控芯片、按鍵、藍(lán)牙模塊、ESA M 芯片、存儲器、液晶等，具備數(shù)據(jù)路由分發(fā)和軟件在線升級功能，負(fù)責(zé)電能表的數(shù)據(jù)管理、模組管理和模組之間的數(shù)據(jù)交互。功能擴展模組包括A 型擴展模組和B 型擴展模組，A 型擴展模組主要用于電能表數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)上行和下行通信功能；B 型擴展模組主要用于電能表擴展功能實現(xiàn)，可根據(jù)不同的電能表應(yīng)用場景進(jìn)行選配，例如非介入式負(fù)荷感知、有序充電控制、電能質(zhì)量分析等。

1.2 智能物聯(lián)電能表硬件結(jié)構(gòu)

智能物聯(lián)電能表的硬件結(jié)構(gòu)遵循“模組化”設(shè)計理念，在保證電能計量核心功能的同時，通過管理模組實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)和通信的智能調(diào)度，通過擴展功能模組實現(xiàn)適用于不同應(yīng)用場景的功能靈活配置。圖2為三相智能物聯(lián)電能表的硬件結(jié)構(gòu)示意。

圖2 三相智能物聯(lián)電能表硬件結(jié)構(gòu)示意

智能物聯(lián)電能表的各模組在結(jié)構(gòu)上獨立，除計量模組外，其他模組通過接插件實現(xiàn)連接，支持帶電熱插拔操作，在未接入、接入或更換擴展模組時，電能表自身性能、運行參數(shù)和正常計量均不受影響。

1.3 擴展模組接口設(shè)計

擴展模組通過接插件連接至表體，需要通過合理的接口設(shè)計和定義實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和擴展功能的實現(xiàn)。智能物聯(lián)電能表與擴展功能模組采用2～6雙排插座作為連接件，如圖3所示。圖3中擴展功能模組的接口引腳定義如表1所示。

圖3 擴展模組接口示意

表1 擴展功能模組接口引腳定義

RXD、TXD 用于擴展模組與管理模組之間的數(shù)據(jù)交互，SCLK、MOSI、CS用于擴展模組與計量模組之間的數(shù)據(jù)通信，計量模組為擴展模組提供數(shù)據(jù)支撐，以實現(xiàn)不同功能。另外，為支持?jǐn)U展模組互換功能，實現(xiàn)不同功能的擴展模組的接口引腳定義應(yīng)保持一致。

2 基于區(qū)塊鏈的模組設(shè)計

結(jié)合智能物聯(lián)電能表模組化設(shè)計思路和區(qū)塊鏈技術(shù)，設(shè)計一種擴展功能模組，實現(xiàn)智能物聯(lián)電能表設(shè)備信息的注冊上鏈以及數(shù)據(jù)信息的上鏈，實現(xiàn)區(qū)塊鏈＋物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)加密和分布式存儲，提升數(shù)字化主動配電網(wǎng)中各參與主體之間的可信互認(rèn)。

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈（Block Chain）是一種去中心化的分布式記賬技術(shù)。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的每個節(jié)點都保存有一份完整的賬本信息，多個節(jié)點使用鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲賬本，通過共識機制來共同維護賬本。該技術(shù)方案讓參與系統(tǒng)中的多個節(jié)點，將一段時間內(nèi)的交易數(shù)據(jù)“打包”成區(qū)塊（Bl ock），區(qū)塊之間通過引用哈希值的方式鏈接（Chain）起來，形成完整的區(qū)塊鏈。節(jié)點通過對哈希值和數(shù)字簽名的驗證來檢驗信息的有效性，并將達(dá)成共識的區(qū)塊放入鏈中。區(qū)塊鏈的主要特征可以總結(jié)為:去中心化，不可篡改，可追溯性，非對稱加密等。以應(yīng)用到智能電能表的角度看，分布式賬本的特征可以實現(xiàn)用電企業(yè)、家庭，學(xué)校，商戶等多參與主體在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的查詢操作，滿足快速檢索、詳細(xì)查詢和分布式記賬的需求[56]。

信息不可篡改的真實性特征可以保證電能表信息的可信度，用電信息生成并記錄到電能表區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)后，無法對其刪除和修改，用電信息上鏈后就可以實現(xiàn)信息的不可篡改和便捷追溯，保證參與到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中各主體用電信息的可信性，建立一個分布式的區(qū)塊鏈電力能源價值交換網(wǎng)絡(luò)。圖4為集中交易模式和區(qū)塊鏈交易模式示意。

圖4 集中交易模式和區(qū)塊鏈交易模式示意

圖4左側(cè)為集中交易模式，由中心節(jié)點負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理，若中心節(jié)點出現(xiàn)問題，整個網(wǎng)絡(luò)將無法工作；圖4右側(cè)為區(qū)塊鏈交易模式，網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點代表電力市場主體用戶，沒有中心化的概念，每個節(jié)點都參與交易數(shù)據(jù)管理，最終形成平等的交易網(wǎng)絡(luò)。

2.2 基于區(qū)塊鏈的電能表模組設(shè)計方法

設(shè)計基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表擴展模組，設(shè)計架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的擴展模組設(shè)計架構(gòu)

模組由電源模塊、核心處理器、電能表串口、NB-Io T 通信模塊、SI M 卡、射頻天線組成，其中電源模塊為整個模組提供工作電源，核心處理器負(fù)責(zé)模組信息處理和命令下發(fā)，電能表串口用于擴展模組與管理模組、計量模組之間的信息傳輸，NB-Io T 通信模塊和射頻天線負(fù)責(zé)模組上行通信，SI M 卡負(fù)責(zé)電能表上鏈時的身份確認(rèn)。

智能物聯(lián)電能表通過配置基于區(qū)塊鏈的擴展模組，實現(xiàn)與區(qū)塊鏈的連接，整體系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能物聯(lián)電能表上鏈系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

（1）配置有區(qū)塊鏈擴展模組的智能物聯(lián)電能表，通過模組內(nèi)置SI M 卡加密和身份確認(rèn)，經(jīng)NB-Io T 網(wǎng)絡(luò)連接至區(qū)塊鏈節(jié)點，完成設(shè)備信息和數(shù)據(jù)信息的上鏈。

（2）應(yīng)用于數(shù)字化主動電網(wǎng)，可通過BaaS（區(qū)塊鏈即服務(wù)）平臺構(gòu)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，利用主動配電網(wǎng)中的云服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，將區(qū)塊鏈框架嵌入云計算平臺。

（3）數(shù)據(jù)上鏈后，主動配電網(wǎng)中各參與主體可通過區(qū)塊鏈瀏覽器對電能表區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)和鏈上數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

3 試驗驗證

根據(jù)上述內(nèi)容搭建如下測試系統(tǒng):基于區(qū)塊鏈技術(shù)的擴展模組設(shè)計架構(gòu)，研制模組樣機（圖7），并安裝至國家電網(wǎng)有限公司統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的智能物聯(lián)電能表中，通過NB-Io T網(wǎng)絡(luò)連接至中國聯(lián)通雄安BaaS平臺，同時開發(fā)區(qū)塊鏈瀏覽器，對智能電能表區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化展示，見圖8。

圖7 基于區(qū)塊鏈的智能物聯(lián)表擴展模組樣機

圖8 智能物聯(lián)電能表區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可視化展示

通過試驗驗證，測試系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能:

（1）智能物聯(lián)電能表設(shè)備信息和數(shù)據(jù)信息的上鏈，上鏈數(shù)據(jù)通過區(qū)塊鏈交易操作，安全存儲在分布式賬本中，并存儲于每一個區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器；

（2）區(qū)塊鏈瀏覽器可選擇特定的節(jié)點服務(wù)器進(jìn)行賬本區(qū)塊數(shù)據(jù)監(jiān)控，通過解析區(qū)塊數(shù)據(jù)，可將智能物聯(lián)電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在自身數(shù)據(jù)庫，供授權(quán)用戶查詢注冊表計的運行狀態(tài)和上鏈數(shù)據(jù)。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表在數(shù)字化主動電網(wǎng)中將具備廣闊的應(yīng)用場景，其應(yīng)用價值至少包括:

（1）基于區(qū)塊鏈＋物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)加密和分布式存儲，使供電企業(yè)的數(shù)據(jù)更容易被參與流程的各方信任；

（2）區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)屬性決定了網(wǎng)絡(luò)中各參與方無法使用非授權(quán)方式訪問、記錄、篡改交易數(shù)據(jù)；

（3）隨著物聯(lián)網(wǎng)交易自動化發(fā)展，基于區(qū)塊鏈的智能物聯(lián)表可以實現(xiàn)交易自動化，交易過程不受干擾；

（4）利用區(qū)塊鏈＋物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，供電企業(yè)可以在不侵犯隱私或產(chǎn)生數(shù)據(jù)泄露的前提下，通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)行市場調(diào)研，刻畫消費者需求。

4 結(jié)束語

本文提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表功能擴展模組設(shè)計方案，設(shè)計了智能物聯(lián)電能表數(shù)據(jù)上鏈系統(tǒng)。最后通過樣機和測試系統(tǒng)試驗，驗證了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表擴展模組的兼容性和正確性，同時驗證了智能物聯(lián)電能表數(shù)據(jù)上鏈系統(tǒng)的功能性。隨著數(shù)字化主動電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)和落實，作為網(wǎng)絡(luò)中重要的計量、感知、控制設(shè)備，智能物聯(lián)電能表通過靈活配置擴展功能模組，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可信互認(rèn)、分布式存儲等各項功能，滿足數(shù)字化主動電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景的需求。