基于區(qū)塊鏈技術的低壓臺區(qū)全狀態(tài)信息管理系統(tǒng)

蘇 斌 張 雅 李 程 張 健 李小軍 楊漢軍廖強強

1.國網(wǎng)漢中供電公司

2.上海電力大學

3.國網(wǎng)陜西電力科學研究院

0 引言

三相平衡是指三相電頻率、幅值相等，相位相差120°，但是由于我國配電網(wǎng)多使用三相四線制，低壓配電網(wǎng)的覆蓋面廣、結構復雜，配電網(wǎng)接線規(guī)劃不合理、因時間和季節(jié)的用電量不同會產(chǎn)生三相負荷不平衡，嚴重的三相不平衡會增加電能的損耗、影響變壓器的正常出力、削弱電能供電質(zhì)量、增加供電安全隱患［1］。在低壓配電網(wǎng)中，三相不平衡作為一種長期存在且無法消除的現(xiàn)象，電力部門應分析原因并采取針對性的措施。

對于大量新型負荷入網(wǎng)、用戶需求上升等問題，低壓臺區(qū)存在一些問題。首先低壓臺區(qū)的三相不平衡現(xiàn)象嚴重，農(nóng)村電網(wǎng)建設早、缺少規(guī)劃、臺區(qū)走線混亂，大量單相大容量負荷接入臺區(qū)，缺少線損等評估信息；其次缺乏臺區(qū)實時負荷信息以及歷史狀態(tài)信息，難以實現(xiàn)負荷的最優(yōu)接入；最后臺區(qū)管理不科學，缺乏規(guī)劃的低壓臺區(qū)不利于智能化的發(fā)展。低壓配電臺區(qū)的問題，從早期規(guī)劃、負荷最優(yōu)接入，到實時監(jiān)測各個環(huán)節(jié)都在影響臺區(qū)的三相平衡度，因此，為解決臺區(qū)三相不平衡問題制定智能管控系統(tǒng)很有必要。

近幾年區(qū)塊鏈技術作為分布式共享數(shù)據(jù)庫，在各領域都方興未艾［2］。根據(jù)低壓不平衡臺區(qū)實時狀態(tài)，基于區(qū)塊鏈技術研制一套臺區(qū)智能管控的系統(tǒng)，在實現(xiàn)三相平衡等功能的基礎上，還能為電力部門提供數(shù)據(jù)基礎。

1 三相不平衡智能管控系統(tǒng)總體框架

考慮到上述提到的低壓配電臺區(qū)的問題，該系統(tǒng)的設計目的是實現(xiàn)臺區(qū)管理的科學化和精細化，為保證三相平衡打下堅實的基礎。從低壓配電支路和負荷的電量信息采集，到根據(jù)采集的實時信息保證負荷接入最優(yōu)，再到最后根據(jù)信息庫來調(diào)整網(wǎng)絡結構，實現(xiàn)臺區(qū)的智能化進程，如圖1。在該系統(tǒng)中，包括終端感知層、通信網(wǎng)絡層、信息匯聚層、管理控制層、外部應用層。其中終端感知層完成負荷和線路信息的采集，信息匯聚層和通信網(wǎng)絡層完成信息的傳輸［3］，管理控制層完成數(shù)據(jù)的分類，外部應用層完成數(shù)據(jù)的分析及應用。

1）終端感知層

臺區(qū)的智能化管理依賴于信息的采集，對于低壓用戶具有小而分散的特點，所以信息的采集需要一級一級的采集，并傳輸?shù)酵ㄐ沤涌跈C到達通信網(wǎng)絡層。從最初的用電表測量電力用戶的數(shù)據(jù)采集，再到電表數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉鳎詈蠼y(tǒng)一傳輸?shù)郊衅?，為了?jié)約采集成本，數(shù)據(jù)傳輸方式包括低壓電力線載波、RS485等通信。

2）通信網(wǎng)絡層

通信層主要為感知層的數(shù)據(jù)提供網(wǎng)絡接入和傳輸。借助通信網(wǎng)絡層的傳輸，可以將采集到的負荷電量信息、配電網(wǎng)的電流等實時數(shù)據(jù)傳給匯聚層，最后打包到管理層，通信層的穩(wěn)定保證了采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸［3］。

3）信息匯聚層

信息匯聚層具有雙向性，向下為網(wǎng)絡層提供接口，實現(xiàn)終端層數(shù)據(jù)的收集；向上為將采集的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類，便于管理控制層的應用。其主要承擔下方數(shù)據(jù)的采集與訪問、數(shù)據(jù)的處理與分類、數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫、執(zhí)行上層的指令。其中數(shù)據(jù)庫有三種類型：電流、電壓、相序、線損等臺區(qū)實時狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)庫；臺區(qū)負荷歷史數(shù)據(jù)庫；臺區(qū)設備臺賬信息庫。

4）管理控制層

管理控制層對低壓配電網(wǎng)狀態(tài)進行分析與管理，從而實現(xiàn)三相平衡方案、臺區(qū)用電優(yōu)化等電力業(yè)務。

5）外部應用層

將管理控制層的數(shù)據(jù)信息與分析信息進行收集，并供外部6個電力分部門進行使用。生產(chǎn)管理、營銷管理、客服系統(tǒng)、用電信息、地理信息、監(jiān)察等系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息，進行三相不平衡度治理、用戶用電引導策略、臺區(qū)運行優(yōu)化系統(tǒng)等。

2 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈技術也稱分布式賬本技術，是一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術，讓每個人均可參與數(shù)據(jù)庫記錄，其特點是去中心化、公開透明、防竄改、可追溯性。區(qū)塊鏈是由區(qū)塊有序連接起來的數(shù)據(jù)結構；區(qū)塊是數(shù)據(jù)集合的基本單元，區(qū)塊又由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成；區(qū)塊頭由哈希值、時間戳等組成，區(qū)塊體用于記錄更新的數(shù)據(jù)［4］。

在分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)里，節(jié)點如何達成共識并將交易儲存在各個節(jié)點中的過程尤其關鍵。這個過程需要共識機制的保障，共識機制的種類很多，在實際需要中根據(jù)實際需要選取即可。

智能合約的執(zhí)行與驗證都是無人參與的，區(qū)塊鏈中各個獨立的節(jié)點共同參與制定合約，通過公私鑰對合約進行簽名，P2P網(wǎng)絡將合約部署到各個節(jié)點，對智能合約的哈希值進行計算并驗證，驗證通過后寫入?yún)^(qū)塊鏈，具有不可竄改性。系統(tǒng)整體框架設計見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體框架設計

3 基于區(qū)塊鏈的低壓臺區(qū)全狀態(tài)信息管理系統(tǒng)

為實現(xiàn)臺區(qū)的精細化和科學化管理，搭建了全狀態(tài)信息管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以實現(xiàn)對低壓臺區(qū)狀態(tài)的監(jiān)測、設備的數(shù)據(jù)監(jiān)測，對經(jīng)濟運行等情況進行管理。隨著電網(wǎng)智能化的發(fā)展，低壓配電臺區(qū)設備越來越多、監(jiān)測項目越來越廣、監(jiān)測數(shù)據(jù)越來越多樣化、電網(wǎng)規(guī)劃與評價越來越重要，為保證低壓配電網(wǎng)的三相平衡且安全運行，采用區(qū)塊鏈技術，可以彌補傳統(tǒng)的過中心化、不易溯源等，解決了數(shù)據(jù)延時、數(shù)據(jù)安全的問題。

3.1 總體架構

基于區(qū)塊鏈技術的管控系統(tǒng)，如圖2所示，其由自下而上的數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、合約層、應用層連接而成［5］，采用區(qū)塊鏈的系統(tǒng)具有去中心化、數(shù)據(jù)存證據(jù)且可溯源、數(shù)據(jù)安全且不可竄改，完整的系統(tǒng)數(shù)據(jù)為低壓臺區(qū)三相不平衡的管理提供強大的支持，上鏈的系統(tǒng)節(jié)點共同維持低壓臺區(qū)的三相平衡度。

圖2 基于區(qū)塊鏈技術的全狀態(tài)信息管理系統(tǒng)總體框架

將區(qū)塊鏈技術應用于全狀態(tài)信息管理系統(tǒng)，完成傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)管控系統(tǒng)的同時，兼顧區(qū)塊鏈的優(yōu)點。區(qū)塊鏈采用多個節(jié)點共同參與管理的聯(lián)盟鏈，每個層的內(nèi)容和作用：

1）數(shù)據(jù)層主要自下而上地完成數(shù)據(jù)的采集與匯集，記錄用戶的用電信息、配電網(wǎng)的狀態(tài)信息、低壓網(wǎng)三相不平衡的電量信息等，完成終端感應層的任務并且每個集中器或者配電終端作為節(jié)點，數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊鏈中，此外6個電力部門作為節(jié)點對數(shù)據(jù)的分析與應用結果也應該逐個記錄在區(qū)塊鏈中。

2）網(wǎng)絡層應用P2P的傳輸機制，完成節(jié)點對節(jié)點的全網(wǎng)傳播，與傳統(tǒng)的上下層中心化傳輸不同。

3）共識層利用共識機制檢測數(shù)據(jù)在節(jié)點之間的共享，根據(jù)共識算法決定記賬節(jié)點。

4）合約層的智能合約和腳本代碼是區(qū)塊鏈可編程的基礎，保障數(shù)據(jù)的安全，此外利用智能合約建立低壓配電網(wǎng)狀態(tài)的分析與管理的專家?guī)?，保證專家?guī)熘械囊?guī)則真實可靠、未被竄改［6］。將采集上鏈的數(shù)據(jù)經(jīng)過專家?guī)斓暮Y查轉(zhuǎn)化為專家經(jīng)驗的診斷決策建議提供生產(chǎn)管理部門進行決策。

5）應用層為各個電力部門應用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，可以完成三相平衡方案、用戶入網(wǎng)規(guī)劃、臺區(qū)用電優(yōu)化、經(jīng)濟運行管理，實現(xiàn)對配網(wǎng)的風險預警、停電監(jiān)測、故障搶修、資源調(diào)配等各種電力業(yè)務［3］。

3.2 基于區(qū)塊鏈的節(jié)點安全認證

區(qū)塊鏈在數(shù)據(jù)安全方面有效地解決了數(shù)據(jù)被竄改的問題，為數(shù)據(jù)的采集、傳輸、接收、存儲的安全提供了保障。針對區(qū)塊鏈節(jié)點接入的身份認證問題，本節(jié)提出的基于區(qū)塊鏈的節(jié)點安全認證，包括注冊、認證、狀態(tài)監(jiān)測。

區(qū)塊鏈中的用戶或者電力部門作為節(jié)點上鏈之前，首先需要完成信息注冊。注冊包括裝置編號、裝置名稱、裝置類型、裝置等級、所屬單位、投運時間、生產(chǎn)廠家、電流等級以及運維管理中產(chǎn)生的重要數(shù)據(jù)［7］，注冊后的信息存在區(qū)塊鏈中，實現(xiàn)電表數(shù)據(jù)與用戶用電費用自動關聯(lián)，從而做到用戶精準計費。

認證過程分為三個階段：電表-集中器通信、節(jié)點通信、認證信息存儲。本文采用智能合約來完成認證的三階段。合約是由各個節(jié)點共同參與制定，合約的代碼、執(zhí)行過程、執(zhí)行結果在鏈上對每個節(jié)點公開，當需要進行認證時，智能合約自動完成此次認證，系統(tǒng)認證過程見圖3。

圖3 系統(tǒng)認證過程

在電表-集中器通信階段，上傳的數(shù)據(jù)包括電表數(shù)據(jù)、配電網(wǎng)數(shù)據(jù)、各電力部門診斷上傳數(shù)據(jù)等，當電表等設備數(shù)據(jù)采集完成后，需要與集中器建立通信，首先給集中器發(fā)送信息上傳請求，集中器收到請求后返回身份驗證指令，隨后電表等采集數(shù)據(jù)設備將身份信息等發(fā)送至集中器。在節(jié)點通信階段，集中器收到身份信息后根據(jù)共識機制選出的節(jié)點發(fā)送安全認證請求，節(jié)點收到請求后返回認證所需要的信息，集中器將身份信息發(fā)送到區(qū)塊鏈，智能合約自動執(zhí)行并返回認證信息。在認證信息存儲階段，完成認證后的數(shù)據(jù)進行公私鑰加密處理、寫入智能合約并存儲到區(qū)塊鏈中。之后加密的密文數(shù)據(jù)在被其他部門應用時，根據(jù)授權權限，采用對應的私鑰對密文進行解密從而獲得所需的數(shù)據(jù)信息［2］，為低壓配電網(wǎng)的三相平衡長期規(guī)劃發(fā)展提供依據(jù)。

基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)具有實時狀態(tài)監(jiān)測功能，當設備出現(xiàn)問題、數(shù)據(jù)異常時，先經(jīng)過專家?guī)煸\斷決策，然后區(qū)塊鏈中的生產(chǎn)管理等節(jié)點向區(qū)塊鏈提交最終決策，通過P2P傳輸機制進行全網(wǎng)廣播，涉及的節(jié)點向下傳達設備動作的指令。所有診斷指令將在鏈上完整留存，便于日后追溯。

3.3 區(qū)塊鏈結構

區(qū)塊鏈是由具有存儲功能的數(shù)據(jù)塊組成，以時間為序形成特定的鏈狀結構。如圖4所示，區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，區(qū)塊頭由版本號、時間戳、隨機數(shù)、前區(qū)塊哈希值、Merkle樹、共識認證參數(shù)組成［5］，區(qū)塊體用來存儲低壓配電臺區(qū)的數(shù)據(jù)值、電力部門的決策結果、監(jiān)察機構的監(jiān)督結果等業(yè)務數(shù)據(jù)組成，所有節(jié)點都可以獲取區(qū)塊鏈的信息，各個節(jié)點通過計算哈希值來驗證信息的正確與否。

圖4 區(qū)塊鏈結構

3.4 系統(tǒng)特點

基于區(qū)塊鏈的低壓臺區(qū)全狀態(tài)信息管理系統(tǒng)，在信息采集環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸與處理環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)管理與應用環(huán)節(jié)預計具備以下特征：

1）去中心化。傳統(tǒng)的自下而上的中心化的分布式網(wǎng)絡結構［8］，海量數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街行?，造成響應速度慢，信息堵塞，?shù)據(jù)延時。區(qū)塊鏈節(jié)點之間彼此獨立，通過P2P進行全網(wǎng)廣播，數(shù)字簽名驗證實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，去中心化的網(wǎng)絡避免了數(shù)據(jù)的擁堵和數(shù)據(jù)竄改。

2）透明性。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的信息向全網(wǎng)公開，用戶可以查詢自己的電費情況；配電網(wǎng)故障決策人員可以查到每個用戶、每條線路的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、設備臺賬，以便更加方便地進行三相不平衡度的治理、線路的長期規(guī)劃、臺區(qū)的優(yōu)化等；監(jiān)察機構可以對數(shù)據(jù)、決策結果和動作結果進行溯源，當發(fā)生故障時公平定責。

3）防竄改。當區(qū)塊鏈的節(jié)點在達成共識之后，同時寫入多個節(jié)點，如單個節(jié)點對數(shù)據(jù)進行惡意竄改時，無法獲得全網(wǎng)的共識，避免了傳統(tǒng)管控模式存在的規(guī)避責任的情況。

4）安全性。傳統(tǒng)模式下數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、存儲的各過程都面臨受到竄改的風險，帶來了數(shù)據(jù)安全問題。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中沒有中心化的管控方控制整個系統(tǒng)，所有節(jié)點都存儲全部數(shù)據(jù)，若某節(jié)點的數(shù)據(jù)丟失，該節(jié)點會自動向其它節(jié)點同步數(shù)據(jù)，從而不影響整個系統(tǒng)的安全運行，可極大地提升數(shù)據(jù)存儲方面可靠性。

5）自動化與智能化。區(qū)塊鏈上可記錄智能合約，自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳認證，以及確認低壓臺區(qū)是否存在故障［2］。如果線路等發(fā)生故障或系統(tǒng)三相不平衡，則自動執(zhí)行評估和斷定低壓配電臺區(qū)的智能合約，由此避免事故延期判斷，大幅提升故障檢測與處理效率。

4 低壓臺區(qū)評估指標體系

為了更好地幫助決策者了解低壓臺區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)，為后期臺區(qū)的長期規(guī)劃和優(yōu)化提供可靠的決策意見，使利益最大化，運用AHP分析理念來構建低壓臺區(qū)評估指標體系，如圖5所示。評估體系分為三層，第一層為源層，是考慮指標后的綜合結果，用來供決策者判斷的數(shù)據(jù)支撐；第二層為策略層，包括低壓臺區(qū)的技術水平、供電能力、供電質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟性；第三層為因果層，其中的每一項都可單獨計算得到［9］。

為克服決策者的主觀因素，采用權重設置來規(guī)避。此方法對各個決策者的意見進行統(tǒng)籌規(guī)劃，先設定初始權重參數(shù)，再進行歸一化處理，最后判斷矩陣的一致性的方法來確定AHP方法的權重設置。

本節(jié)為區(qū)塊鏈低壓臺區(qū)的評估給出方法意見的指導，可以運用區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)庫來進行一系列的后續(xù)評估指導，通過上文的注冊驗證成為區(qū)塊鏈中可以共識的節(jié)點，就可以應用全網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫。

5 結論

針對三相不平衡在低壓臺區(qū)治理難的問題，本文將低壓臺區(qū)的管控與區(qū)塊鏈技術相結合，既從臺區(qū)的角度解決三相不平衡的問題，又保留了區(qū)塊鏈技術的眾多優(yōu)點，還能對用戶入網(wǎng)進行規(guī)劃、對不平衡臺區(qū)電價進行建議系統(tǒng)、對不平衡臺區(qū)結構進行優(yōu)化。本文基于低壓臺區(qū)三相不平衡的智能管控系統(tǒng)與區(qū)塊鏈技術下電力系統(tǒng)的契合點，研究兩者結合的新型臺區(qū)系統(tǒng)，并進行應用實踐驗證。通過構建的臺區(qū)系統(tǒng)表明，區(qū)塊鏈技術可以滿足臺區(qū)三相不平衡等指標的管控要求。