基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電網(wǎng)安全技術(shù)分析

孫俊暉 蔣云昊 胡睿 伍科

[摘 ? ?要]與傳統(tǒng)的中心服務(wù)器相比，區(qū)塊鏈技術(shù)可以讓所有的參與方在底層技術(shù)上建立相互信任的關(guān)系。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的系統(tǒng)中，所有交易者的身份都是保密的，交易時區(qū)塊鏈內(nèi)部的全部節(jié)點都會共同參與解決數(shù)據(jù)交易的一致性問題。正是由于區(qū)塊鏈技術(shù)的以上特性，作為一種分布式的數(shù)據(jù)儲存技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)可以被應(yīng)用在許多行業(yè)和領(lǐng)域。為了促進我國電力行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，使得電網(wǎng)的安全性得到保障，區(qū)塊鏈技術(shù)開始應(yīng)用于電網(wǎng)行業(yè)?；诖?，闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)的相關(guān)概念，對基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電網(wǎng)安全技術(shù)分析，以促進我國電網(wǎng)行業(yè)的安全發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]區(qū)塊鏈技術(shù);電網(wǎng)安全技術(shù);電網(wǎng)系統(tǒng)

[中圖分類號]TM76 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–0–03

[Abstract]Compared with the traditional central server， blockchain technology allows all participants to establish a mutual trust relationship on the underlying technology. In the system based on blockchain technology， the identities of all traders are confidential， and all nodes in the block chain will jointly participate in solving the consistency problem of data transaction. Due to the above characteristics of blockchain technology， as a distributed data storage technology， blockchain technology can be applied in many industries and fields. In order to promote the stable development of China's power industry and ensure the security of the power grid， blockchain technology has been applied to the power grid industry. Based on this， this paper first expounds the relevant concepts of blockchain technology， and then analyzes the power grid security technology based on blockchain technology， in order to provide some reference for the security development of China's power grid industry.

[Keywords]blockchain technology; power grid security technology; grid system

1 區(qū)塊鏈技術(shù)的概述

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的概念

區(qū)塊鏈指的是分布式的節(jié)點，即在區(qū)塊鏈內(nèi)所包含的全部節(jié)點都處于平等的地位，不存在中心處理器，所有的節(jié)點都沒有被中心處理器控制。由于區(qū)塊鏈內(nèi)所包含的全部信息的處理程序都是透明、平等、公開的，所以基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)信息是可靠的、低風(fēng)險的、有較高安全性。相比于傳統(tǒng)的中央處理器對數(shù)據(jù)信息的處理流程，區(qū)塊鏈技術(shù)對于數(shù)據(jù)信息的處理，完美地避免了傳統(tǒng)中央處理器處理信息過程中出現(xiàn)的存儲扎堆問題，從而提高了分析和處理數(shù)據(jù)信息的效率。區(qū)塊鏈內(nèi)所包含的所有節(jié)點都可以處理數(shù)據(jù)信息，甚至所有節(jié)點都可以對數(shù)據(jù)信息進行編碼。綜上所述，相較于傳統(tǒng)的中心服務(wù)器來說，區(qū)塊鏈技術(shù)可以更加高效地對搜集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，同時區(qū)塊鏈技術(shù)的信息處理也減少了中心服務(wù)器的壓力，使得數(shù)據(jù)信息的儲存和安全性都得到了保障。區(qū)塊鏈技術(shù)可以在確保數(shù)據(jù)信息真實可靠、信息內(nèi)容保密的前提下，對大量數(shù)據(jù)進行分析與管理，同時盡可能降低數(shù)據(jù)管理的成本。

區(qū)塊鏈技術(shù)可以建構(gòu)一種按照時間記錄、保證數(shù)據(jù)信息真實可靠，以及可以高效地對數(shù)據(jù)信息進行分析處理的數(shù)據(jù)庫?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)庫不僅可以對所有的數(shù)據(jù)信息進行充分的記錄，同時還可以對數(shù)據(jù)信息進行處理、管控、分類和加密，從而保證數(shù)據(jù)信息的可靠性和真實性。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)的特點

1.2.1 去中心化

區(qū)塊鏈技術(shù)不存在中心處理器，不需要借助第三方就可以完成點對點的交易，進行一定的協(xié)調(diào)和合作。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的系統(tǒng)中，不存在一個單獨的機構(gòu)或者個人可以全面控制所有的節(jié)點和數(shù)據(jù)。同時，區(qū)塊鏈內(nèi)所包含的任何一個節(jié)點停止工作也會不影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)的正常運行。正是區(qū)塊鏈技術(shù)這種去中心化的特征極大地提高了數(shù)據(jù)信息的安全性。

1.2.2 不可篡改性

區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以利用加密技術(shù)來分析和儲存數(shù)據(jù)信息，利用分布式共識算法來搜集和更新數(shù)據(jù)信息。對于一個交易的進行，區(qū)塊鏈技術(shù)需要所有的節(jié)點參與并且對交易進行驗證，一旦任何數(shù)據(jù)發(fā)生了修改，那么就需要更改后續(xù)所有的記錄。同時，僅僅是對單個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行修改，并不會影響到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的最終數(shù)據(jù)信息。

1.2.3 公開透明性

區(qū)塊鏈內(nèi)所包含的所有節(jié)點都會對各個區(qū)塊的內(nèi)容進行單獨記錄，每個節(jié)點都包括最新的完整數(shù)據(jù)庫拷貝，而且節(jié)點中所包含的全部信息記錄都是透明公開的，任何人利用透明公開的接口都可以查詢到節(jié)點數(shù)據(jù)。

1.2.4 集體維護性

區(qū)塊鏈技術(shù)分布式的特點使得它具有集體維護性。區(qū)塊鏈技術(shù)不需要中心處理器，因此區(qū)塊鏈技術(shù)需要以平等的方式由各個參與方進行統(tǒng)一的維護，所有參與方權(quán)責(zé)分明，不需要向除了參與方之外的第三方機構(gòu)讓渡權(quán)限，具備一定的集體維護性。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)系統(tǒng)

隨著我國電網(wǎng)系統(tǒng)的不斷更新和改革，以及區(qū)塊鏈技術(shù)的快速發(fā)展?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)，電網(wǎng)系統(tǒng)可以構(gòu)建一個分布式的電力交易市場，通過電力交易市場可以將電網(wǎng)系統(tǒng)與科技通信技術(shù)進行一定的融合，為我國電網(wǎng)系統(tǒng)的各方參與者構(gòu)建一個可靠性更高的交易和支付平臺。區(qū)塊鏈去中心化的特征可以幫助分布在各地的能源用戶交易電力能源，從而減少電力在傳輸過程中的資源消耗。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)，可以將電表信息與區(qū)塊鏈內(nèi)部的各個節(jié)點進行連接，使得所有的電表數(shù)據(jù)信息存儲于區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，從而取代傳統(tǒng)人工方式搜集電表信息，進而提高電力信息數(shù)據(jù)搜集的效率。區(qū)塊鏈技術(shù)所具備的公開透明性和不可篡改性，也保障了我國電力市場的公開透明，以及數(shù)據(jù)庫中電力信息的真實性和可靠性。區(qū)塊鏈技術(shù)具備集體維護性的特征，這就要求所有的由區(qū)塊鏈系統(tǒng)連接起來的電力參與者履行各自的責(zé)任，從而提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的管理效率。

2.2 區(qū)塊鏈技術(shù)提升電網(wǎng)安全風(fēng)險管控水平

通過區(qū)塊鏈技術(shù)可以實現(xiàn)交易票據(jù)數(shù)字化，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)治理能力。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、公開透明性、不可篡改等特點，因此在電力系統(tǒng)的安全管控工作中，借助區(qū)塊鏈技術(shù)、生物識別技術(shù)以及身份認(rèn)證等科技手段，可以實現(xiàn)將票據(jù)、實際電力勘察數(shù)據(jù)等票據(jù)執(zhí)行程序進行記錄，從而保證所有工作票據(jù)的負(fù)責(zé)人員、簽發(fā)人員等工作人員的身份信息是正確可靠的。在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的身份認(rèn)證功能，可以有效地避免出現(xiàn)人票無法匹配的現(xiàn)象，降低電網(wǎng)系統(tǒng)中的管理漏洞，提升電網(wǎng)系統(tǒng)安全風(fēng)險管控水平，增強電網(wǎng)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)治理能力。

2.3 構(gòu)建電力能源互聯(lián)網(wǎng)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)出來，互聯(lián)網(wǎng)可以為企業(yè)提供一個覆蓋范圍廣泛、資源消耗低、工作效率高的平臺。因此，對于電網(wǎng)行業(yè)來說，區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展為電網(wǎng)行業(yè)帶來了新的機遇。借助于區(qū)塊鏈技術(shù)，電網(wǎng)系統(tǒng)可以構(gòu)建一個電力能源的互聯(lián)網(wǎng)，電力能源互聯(lián)網(wǎng)可以聚集全國各個地區(qū)可以轉(zhuǎn)化為電能的資源，可以高效地連接各類能源所處的地區(qū)，從而實現(xiàn)能源的準(zhǔn)確調(diào)配與高效使用。由于全球各個地區(qū)的運輸距離較遠(yuǎn)、通訊數(shù)據(jù)難以有效的傳達，導(dǎo)致蘊藏在全球各個地區(qū)的大量資源難以高效的交換，進而造成了各個地區(qū)電能分布不均勻的情況，有些地區(qū)電能富裕，而有些地區(qū)電能匱乏，并且電能也很難實現(xiàn)有效的調(diào)配。然而區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，使得構(gòu)建全球各地電能互聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實。在電力能源互聯(lián)網(wǎng)中收集了世界各地各種各樣的電力設(shè)備和能源，這些數(shù)據(jù)信息可以長期記錄在互聯(lián)網(wǎng)中，并且可以有效地對這些數(shù)據(jù)進行管理，從而優(yōu)化各地的電能管理與調(diào)配。

由于區(qū)塊鏈技術(shù)是分布式的，所以電力能源互聯(lián)網(wǎng)也是分布式的，因此就無需在線下建立一個統(tǒng)一的第三方機構(gòu)進行管理，只需要電力能源互聯(lián)網(wǎng)的各個參與方進行相互的協(xié)調(diào)與管理?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的電力能源數(shù)據(jù)庫可以提高電網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性，因為數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息是公開透明、可溯源的。同時，區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式特點也使得數(shù)據(jù)庫可以自動分區(qū)塊管理，各個地區(qū)的電網(wǎng)企業(yè)可以自主地對所在地區(qū)的電力能源進行管理。

2.4 區(qū)塊鏈降低電能消耗

區(qū)塊鏈技術(shù)可以幫助電網(wǎng)企業(yè)建構(gòu)更加可靠、高效的融合物聯(lián)網(wǎng)。區(qū)塊鏈技術(shù)所具備的去中心化特征和分布式特征可以有效調(diào)節(jié)電網(wǎng)電能，幫助電網(wǎng)企業(yè)建立分布式的用電模式，幫助企業(yè)實現(xiàn)綠色環(huán)保的用電模式。目前，以區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建成的微電網(wǎng)已經(jīng)被有效應(yīng)用到電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)當(dāng)中，與傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)具備電力能源分散、負(fù)荷分散、電力能源就近消耗的特征，是對傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的創(chuàng)新和優(yōu)化。借助微電網(wǎng)可以使得遠(yuǎn)端供電變成現(xiàn)實，為我國電網(wǎng)系統(tǒng)提供了更加穩(wěn)定的、安全的、可靠的電力系統(tǒng)運輸環(huán)境，解決了偏僻地區(qū)以及海島地區(qū)無法通電的現(xiàn)實問題。

2.5 區(qū)塊鏈助力電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)服務(wù)

家電企業(yè)擁有家電的各項運行和控制數(shù)據(jù)，有實現(xiàn)家電節(jié)能減排的技術(shù)實力，電網(wǎng)擁有居民家庭用電的數(shù)據(jù)，同時有著能耗節(jié)省、負(fù)荷降低的需求?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)，可以把兩者的優(yōu)勢和需求充分地融合起來。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，家電企業(yè)和電網(wǎng)可以在保障各自的數(shù)據(jù)權(quán)益和安全的前提下，實現(xiàn)家用電器各項數(shù)據(jù)的可信共享。基于更完備的數(shù)據(jù)，可進一步推動家電智能化水平的提升，提升客戶體驗;家電可以及時響應(yīng)用電負(fù)荷需求，更好地實現(xiàn)節(jié)能減排，客戶也可以從電網(wǎng)獲得一定的節(jié)能補貼等實惠。在這個場景中，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的互信機制，較好解決了客戶隱私保護、家電廠家和電網(wǎng)數(shù)據(jù)互信共享的難題，可以說通過區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，三方都能各取所需、互利共贏。針對分布式光伏電站數(shù)量多、范圍大、分散廣，缺乏有效監(jiān)管和運行維護難度大等問題。國家電網(wǎng)公司建設(shè)了基于可信區(qū)塊鏈的新能源云，以電網(wǎng)為樞紐，全面實現(xiàn)電源端、客戶端泛在連接，通過“橫向協(xié)同、縱向貫通”的管理體系，實現(xiàn)了全生態(tài)、全場景的新能源服務(wù)體系。①它可為政府部門、電網(wǎng)公司、發(fā)電企業(yè)提供可靠數(shù)據(jù)和政策分析，引導(dǎo)新能源規(guī)劃布局;②可為新能源廠商、發(fā)電企業(yè)、設(shè)備供應(yīng)商及運行維護商提供開放交易平臺。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電網(wǎng)安全技術(shù)分析

3.1 建立安全可靠的區(qū)塊鏈保障體系

區(qū)塊鏈技術(shù)雖然取得了迅速的發(fā)展，但是區(qū)塊鏈技術(shù)目前尚未發(fā)展成熟，因此需要根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)現(xiàn)有的可靠性特征和潛在的安全威脅，分別從物理安全、數(shù)據(jù)信息安全、密鑰安全以及應(yīng)用安全四個層面建構(gòu)更加可靠的區(qū)塊鏈體系。通過建立主動免疫框架和可信任務(wù)計算，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊黑客無法侵入、非授權(quán)者無法接收關(guān)鍵信息、無法解除密鑰取得隱私數(shù)據(jù)信息、無法非法篡改數(shù)據(jù)信息、工作系統(tǒng)不會出現(xiàn)異常癱瘓等安全防護目標(biāo)。

3.2 電網(wǎng)區(qū)塊鏈安全性評估

智能電表的設(shè)計往往存在著安全漏洞。隨著越來越多的聯(lián)網(wǎng)用能機器設(shè)備不斷地接入到電網(wǎng)中，增大了網(wǎng)絡(luò)攻擊給電網(wǎng)帶來的潛在風(fēng)險。然而區(qū)塊鏈技術(shù)擁有著諸多優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)危險防御功能也是區(qū)塊鏈技術(shù)的特點之一，主要是因為區(qū)塊鏈技術(shù)具備不可篡改數(shù)據(jù)、完整數(shù)據(jù)可用性、冗余性、隱私與控制和外包計算的特點。

防止篡改數(shù)據(jù)指的是，區(qū)塊鏈技術(shù)在得到合理的應(yīng)用之后，全部的計算都會以散列模式開展，自數(shù)據(jù)形成開始就已經(jīng)具有了不可篡改性，這就保證了區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中不會被篡改，提高了數(shù)據(jù)信息的安全性。完整數(shù)據(jù)可用性是指區(qū)塊鏈技術(shù)具有分布式的特點，區(qū)塊鏈內(nèi)部的信息是以分布式的形式存儲在多個節(jié)點中。在分布式管理下，即便是某個或者某幾個節(jié)點遭到了外來的侵入，也不會對整體的數(shù)據(jù)信息造成影響，從而保證了完整數(shù)據(jù)可用性。冗余性，區(qū)塊鏈在運行的過程中是不存在中心故障點的，區(qū)塊鏈正是由于這種冗余性的特征，使其非常安全。隱私與控制，區(qū)塊鏈用戶具備對數(shù)據(jù)的控制能力，用戶可以選擇對部分?jǐn)?shù)據(jù)進行隱私加密，只給特定的接受者看特定的內(nèi)容。外包計算是指區(qū)塊鏈內(nèi)加密的信息可以傳輸給第三方機構(gòu)處理，而且在傳輸?shù)倪^程中數(shù)據(jù)信息的內(nèi)容是一直處于加密狀態(tài)的。

在數(shù)據(jù)通訊漏洞修復(fù)層面，區(qū)塊鏈技術(shù)可以將電力批發(fā)市場與結(jié)算功能整合成一個可靠、安全的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，從而有效地減少虛假數(shù)據(jù)信息的流入和電力價格操控的潛在風(fēng)險。區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以保障各個交易方之間的數(shù)據(jù)信息或通訊系列的固定性，同時，提高存儲數(shù)據(jù)的保密性和可靠性。區(qū)塊鏈技術(shù)具備的防御網(wǎng)絡(luò)危險的功能可以有效地應(yīng)用到電力系統(tǒng)的保護上，從而降低惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊對電網(wǎng)系統(tǒng)的破壞。

隨著能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)化和去中心化水平的提高，電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)攻擊的可靠防御的需求大幅增加。如果得到恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠修復(fù)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信的漏洞，提高數(shù)據(jù)機密性與私密性，從而有力地防御來自內(nèi)部和外部的各種威脅。區(qū)塊鏈技術(shù)和那些旨在將其更廣泛地推向大眾化應(yīng)用的技術(shù)正在為實現(xiàn)一種新型用戶身份驗證模式鋪平道路。當(dāng)前的用戶名/密碼組合系統(tǒng)已經(jīng)過時多年。公鑰-私鑰對（也被稱作公開秘鑰加密）是一種更加安全的身份驗證模式，也是像比特幣和以太坊等系統(tǒng)的默認(rèn)身份驗證模式。隨著這些區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的用戶友好程度提高，所有登錄系統(tǒng)都將自然而然地完成向這種更現(xiàn)代、更安全的模式的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的快速發(fā)展，以及區(qū)塊鏈技術(shù)所具備不可篡改性、去中心化、可追溯性的特點，使得區(qū)塊鏈技術(shù)在我國多個領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用。尤其是在我國的電網(wǎng)行業(yè)，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用可以為整個電網(wǎng)系統(tǒng)帶來收益，增加電網(wǎng)系統(tǒng)運行管理的可靠性和穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)的安全性，同時可以為廣大的電力用戶提供高效、可靠、方便的電能使用環(huán)境。在未來，區(qū)塊鏈技術(shù)的有效應(yīng)用可以使得我國電力能源的高效分配變?yōu)楝F(xiàn)實，可以精確地分析我國各個地區(qū)電力市場和電力的使用情況，節(jié)省電網(wǎng)行業(yè)的管理成本，對我國電網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻

[1] 宋玉龍.基于區(qū)塊技術(shù)的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全與隱私保護[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2020.

[2] 鈕丹陽.基于區(qū)塊鏈的用電網(wǎng)安全防護技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2019.

[3] 胡健，肖鵬，尹君.基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電網(wǎng)安全研究[J].云南電力技術(shù)，2018，46（6）：7-11.

[4] 吳振銓，梁宇輝，康嘉文，等.基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全存儲與共享系統(tǒng)[J].計算機應(yīng)用，2017，37（10）：2742-2747.