去中心化的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺

2021-09-23 08:24:08張雙雙吳賀揚

電氣自動化 2021年4期

張雙雙，吳賀揚

(1.華南師范大學政治與公共管理學院，廣東廣州 510631； 2. 中山大學數(shù)據(jù)科學與計算機學院，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的結構體系。在運行體系中完成智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換、設備維護以及用戶的信息資源處理等，中心化的結構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)多維聚合反饋機制，此機制能夠使智能電網(wǎng)中的硬件設備與相關數(shù)據(jù)同時關聯(lián)，提升了智能電網(wǎng)的運行效率，但是這種機制的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的傳輸精準度較低，同時也為管理人員增加了工作負擔[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)控和管理平臺的結構構建

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

為了防止節(jié)點的數(shù)據(jù)驗證疲憊而導致信息外漏現(xiàn)象的產(chǎn)生，本文構建的去中心化數(shù)據(jù)鏈結構，最佳節(jié)點是根據(jù)時間段來進行劃分，數(shù)據(jù)根據(jù)不同的時間段來選擇最佳節(jié)點進行數(shù)據(jù)安全驗證[5]。節(jié)點中的數(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，本文的結構構架如圖1所示。

圖1 去中心化智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控和管理平臺結構構架圖

結構中的智能電表主要安裝在客戶的用電設備中，方便智能電表對多維數(shù)據(jù)的采集。智能電表是根據(jù)用戶的用電特點以及用電設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)點中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)應用的靈活性和精準性，同時也降低了智能電網(wǎng)中的通信負載。智能電網(wǎng)的運行單位收到數(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，以合約的形式對設定的用電設備實時監(jiān)控與管理。智能電網(wǎng)中的合約達到設定條件時，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，對用電設備進行調(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)的供電負擔。合約中的智能電網(wǎng)供電效率運算函數(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)自動分配技術來完成，避免因人員參與而導致的數(shù)據(jù)賬戶被盜。另控制中心數(shù)據(jù)管理結構中還安裝有電網(wǎng)運行芯片，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)出預警[7]。圖3為電網(wǎng)運行芯片的內(nèi)部電路示意圖。

圖3 電網(wǎng)運行芯片的內(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)鏈結構的協(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)點中，節(jié)點再通過區(qū)塊鏈技術進一步將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳墓芾砥脚_。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)的加密機制本文應用聚合加密的方式實現(xiàn)，多維數(shù)據(jù)的加密機制函數(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鍵數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，檢測數(shù)據(jù)的防竊電功能是否完備，預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)點中的數(shù)據(jù)應當傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈中，永久性地儲存數(shù)據(jù)，保障智能電網(wǎng)的運行穩(wěn)定。數(shù)據(jù)監(jiān)測可以由電力設備中的診斷網(wǎng)絡實現(xiàn)。圖5為數(shù)據(jù)監(jiān)測結構圖。

圖5 數(shù)據(jù)監(jiān)測結構圖

智能電網(wǎng)的運營商對實時數(shù)據(jù)也需要進行有效控制與管理，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。此技術的實現(xiàn)主要通過運營商與用戶之間的合約機制實現(xiàn)，智能合約中含有用戶電量消耗與電網(wǎng)電量供給兩個運算函數(shù)。當合約中的數(shù)據(jù)發(fā)生改變時會發(fā)出預警，需要設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 設備狀態(tài)分類示意圖

式中:(c，l)為門限值結果；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用時，智能合約同樣會減少對用戶的持續(xù)供電，用戶欠費嚴重的情況下將停止供電。智能電網(wǎng)中的設備資產(chǎn)相關數(shù)據(jù)同樣需要進行監(jiān)控管理，設備供應商首先提供一定的出廠數(shù)據(jù)，在去中心化的數(shù)據(jù)鏈結構中對設備的安全運行狀態(tài)進行處理，本結構將電網(wǎng)設備的運行狀態(tài)劃分為：正常運行狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)和停運狀態(tài)。當設備出現(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)出廠信息作出相應的調(diào)節(jié)方案，設備供應商也應當將設備的相關數(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，用戶的相關數(shù)據(jù)與智能電網(wǎng)中的相關數(shù)據(jù)進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立的密鑰。當智能電網(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)鏈結構中發(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區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)塊的機密特點。圖7為試驗環(huán)境構建流程圖。

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)鏈結構具有永久性，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)控與管理平臺的運行效果及性能方面的比較結果如表2所示。

圖7 試驗環(huán)境構建流程圖

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，對于電氣化設備的資產(chǎn)管理本文建立去中心化的臺賬管理結構，實現(xiàn)電氣化設備資源的運行、維護和檢修等多狀態(tài)下的監(jiān)控與管理。試驗中首先對智能電網(wǎng)中的電氣設備資產(chǎn)監(jiān)控與管理的安全性能進行比較，在相同的試驗環(huán)境下對相同的電氣設備數(shù)據(jù)信息進行監(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)傳輸精準性監(jiān)測結果

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)被竊取率達到最高(0.04%左右)，互聯(lián)網(wǎng)分布商業(yè)模式次之，達到0.08%左右，數(shù)據(jù)多維聚合反饋機制最差，達到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)最初來源為設備供應商。本文方案以供應商提供的數(shù)據(jù)作為多維數(shù)據(jù)鏈結構的基礎，以相關安全性能數(shù)據(jù)監(jiān)控電氣設備運行過程中是否會出現(xiàn)數(shù)據(jù)故障與泄露為依據(jù)，對電氣設備信道中的漏洞進行科學管理，與智能電網(wǎng)的監(jiān)管部門取得實時聯(lián)系，增強安全性能的穩(wěn)定性。本文還在整體結構中完成了去中心化，使智能電網(wǎng)電氣化設備資產(chǎn)的監(jiān)控與管理成為一套獨立的運行體系，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)點來完成通信，節(jié)點與節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸精準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)點與節(jié)點之間傳輸，在信道中對數(shù)據(jù)的傳輸精準性監(jiān)測。結果如圖9所示。

本文方案的智能電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控與管理的精準程度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)100%的數(shù)據(jù)精準傳輸，其他兩種傳統(tǒng)方案精準度最低達到近30%。在相同的區(qū)域內(nèi)，本文方案中應用智能電表對用戶的供電數(shù)據(jù)進行采集，所采集的數(shù)據(jù)具有實名特點，且節(jié)點的傳輸需要經(jīng)過安全驗證才能夠?qū)崟r傳輸，進而保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的精準程度。本文方案的資產(chǎn)監(jiān)控與管理的通信信道中應用智能合約的方式作為通信協(xié)議，可以及時反饋不正當?shù)臄?shù)據(jù)，減少了整體結構的信道壓力，去中心化的節(jié)點區(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，進而提升了整體結構的工作效率。

圖10 通信信道壓力對比圖

4 結束語