基于區塊鏈的智能物聯電能表功能模組設計

張林浩，陶 鵬，任 鵬，石振剛

（國網河北省電力有限公司營銷服務中心，河北 石家莊 050051）

0 引言

數字化主動電網建設提出通過主動管理驅動業態與信息技術數字化融合，提升業務運轉效率，對多主體能源及交易數據的交互、隱私保護等核心技術提出了更高的要求。作為主動電網中數量最大、覆蓋最廣、與用戶接觸最密切的末端設備，電能表承擔著法制計量、高效管理和優質服務的重要功能。但是，在表計應用及用電信息采集系統建設過程中，傳統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，無法滿足數字化主動電網建設需求[1]。

同時，隨著數字化主動電網中分布式能源、儲能和電動汽車等技術的快速應用，傳統電網結構發生改變，電網主體分散，網絡信任機制缺失，難以有效解決電力系統各參與主體的計量、交互、控制及決策等問題。

針對上述問題，設計基于區塊鏈技術的智能物聯電能表擴展功能模組，既可解決傳統電能表不適應數字化主動電網發展要求的矛盾，又可以解決電網中各參與主體計量、交易過程中的信任問題，促進多形式能源、各參與主體的協同。本文基于國家電網有限公司提出的新一代智能電能表設計理念[2-4]，提出了一種基于區塊鏈技術的智能物聯電能表功能模組的設計方法，同時驗證了硬件工作的正確性。

1 智能物聯電能表模組化架構設計

1.1 系統架構設計

智能物聯電能表將電能表的計量部分、管理部分和功能擴展部分進行獨立設計，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行電能計量，通過管理模組和功能擴展模組實現相關擴展功能，可在確保計量功能準確、可靠、穩定的前提下，提高表計的兼容性和擴展性，滿足電能表新技術的發展需要，為日益多元化、復雜化的管理需求提供充分的預留空間。圖1為智能物聯電能表系統架構。

圖1 智能物聯電能表架構

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，為保證計量的準確可靠，計量模組可不依賴其它模組獨立工作，在結構上采用止逆設計，不支持拆卸及軟件升級。管理模組硬件包括主控芯片、按鍵、藍牙模塊、ESA M 芯片、存儲器、液晶等，具備數據路由分發和軟件在線升級功能，負責電能表的數據管理、模組管理和模組之間的數據交互。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據通信，實現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，可根據不同的電能表應用場景進行選配，例如非介入式負荷感知、有序充電控制、電能質量分析等。

1.2 智能物聯電能表硬件結構

智能物聯電能表的硬件結構遵循“模組化”設計理念，在保證電能計量核心功能的同時，通過管理模組實現電能表數據和通信的智能調度，通過擴展功能模組實現適用于不同應用場景的功能靈活配置。圖2為三相智能物聯電能表的硬件結構示意。

圖2 三相智能物聯電能表硬件結構示意

智能物聯電能表的各模組在結構上獨立，除計量模組外，其他模組通過接插件實現連接，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、運行參數和正常計量均不受影響。

1.3 擴展模組接口設計

擴展模組通過接插件連接至表體，需要通過合理的接口設計和定義實現數據交互和擴展功能的實現。智能物聯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據交互，SCLK、MOSI、CS用于擴展模組與計量模組之間的數據通信，計量模組為擴展模組提供數據支撐，以實現不同功能。另外，為支持擴展模組互換功能，實現不同功能的擴展模組的接口引腳定義應保持一致。

2 基于區塊鏈的模組設計

結合智能物聯電能表模組化設計思路和區塊鏈技術，設計一種擴展功能模組，實現智能物聯電能表設備信息的注冊上鏈以及數據信息的上鏈，實現區塊鏈＋物聯網的數據加密和分布式存儲，提升數字化主動配電網中各參與主體之間的可信互認。

2.1 區塊鏈技術

區塊鏈（Block Chain）是一種去中心化的分布式記賬技術。區塊鏈系統中的每個節點都保存有一份完整的賬本信息，多個節點使用鏈式的數據結構存儲賬本，通過共識機制來共同維護賬本。該技術方案讓參與系統中的多個節點，將一段時間內的交易數據“打包”成區塊（Bl ock），區塊之間通過引用哈希值的方式鏈接（Chain）起來，形成完整的區塊鏈。節點通過對哈希值和數字簽名的驗證來檢驗信息的有效性，并將達成共識的區塊放入鏈中。區塊鏈的主要特征可以總結為:去中心化，不可篡改，可追溯性，非對稱加密等。以應用到智能電能表的角度看，分布式賬本的特征可以實現用電企業、家庭，學校，商戶等多參與主體在區塊鏈網絡上的查詢操作，滿足快速檢索、詳細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塊鏈網絡后，無法對其刪除和修改，用電信息上鏈后就可以實現信息的不可篡改和便捷追溯，保證參與到區塊鏈網絡中各主體用電信息的可信性，建立一個分布式的區塊鏈電力能源價值交換網絡。圖4為集中交易模式和區塊鏈交易模式示意。

圖4 集中交易模式和區塊鏈交易模式示意

圖4左側為集中交易模式，由中心節點負責網絡的管理，若中心節點出現問題，整個網絡將無法工作；圖4右側為區塊鏈交易模式，網絡中每一個節點代表電力市場主體用戶，沒有中心化的概念，每個節點都參與交易數據管理，最終形成平等的交易網絡。

2.2 基于區塊鏈的電能表模組設計方法

設計基于區塊鏈技術的智能物聯電能表擴展模組，設計架構如圖5所示。

圖5 基于區塊鏈技術的擴展模組設計架構

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，核心處理器負責模組信息處理和命令下發，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責模組上行通信，SI M 卡負責電能表上鏈時的身份確認。

智能物聯電能表通過配置基于區塊鏈的擴展模組，實現與區塊鏈的連接，整體系統技術架構如圖6所示。

圖6 智能物聯電能表上鏈系統技術架構

（1）配置有區塊鏈擴展模組的智能物聯電能表，通過模組內置SI M 卡加密和身份確認，經NB-Io T 網絡連接至區塊鏈節點，完成設備信息和數據信息的上鏈。

（2）應用于數字化主動電網，可通過BaaS（區塊鏈即服務）平臺構建區塊鏈網絡，利用主動配電網中的云服務基礎設施，將區塊鏈框架嵌入云計算平臺。

（3）數據上鏈后，主動配電網中各參與主體可通過區塊鏈瀏覽器對電能表區塊鏈網絡和鏈上數據進行查詢。

3 試驗驗證

根據上述內容搭建如下測試系統:基于區塊鏈技術的擴展模組設計架構，研制模組樣機（圖7），并安裝至國家電網有限公司統一標準下的智能物聯電能表中，通過NB-Io T網絡連接至中國聯通雄安BaaS平臺，同時開發區塊鏈瀏覽器，對智能電能表區塊鏈網絡進行可視化展示，見圖8。

圖7 基于區塊鏈的智能物聯表擴展模組樣機

圖8 智能物聯電能表區塊鏈網絡可視化展示

通過試驗驗證，測試系統可實現如下功能:

（1）智能物聯電能表設備信息和數據信息的上鏈，上鏈數據通過區塊鏈交易操作，安全存儲在分布式賬本中，并存儲于每一個區塊鏈節點服務器；

（2）區塊鏈瀏覽器可選擇特定的節點服務器進行賬本區塊數據監控，通過解析區塊數據，可將智能物聯電能表的相關數據存儲在自身數據庫，供授權用戶查詢注冊表計的運行狀態和上鏈數據。

基于區塊鏈技術的智能物聯電能表在數字化主動電網中將具備廣闊的應用場景，其應用價值至少包括:

（1）基于區塊鏈＋物聯網的數據加密和分布式存儲，使供電企業的數據更容易被參與流程的各方信任；

（2）區塊鏈物聯網的本質屬性決定了網絡中各參與方無法使用非授權方式訪問、記錄、篡改交易數據；

（3）隨著物聯網交易自動化發展，基于區塊鏈的智能物聯表可以實現交易自動化，交易過程不受干擾；

（4）利用區塊鏈＋物聯網應用程序，供電企業可以在不侵犯隱私或產生數據泄露的前提下，通過數據分析進行市場調研，刻畫消費者需求。

4 結束語

本文提出了基于區塊鏈技術的智能物聯電能表功能擴展模組設計方案，設計了智能物聯電能表數據上鏈系統。最后通過樣機和測試系統試驗，驗證了基于區塊鏈技術的智能物聯電能表擴展模組的兼容性和正確性，同時驗證了智能物聯電能表數據上鏈系統的功能性。隨著數字化主動電網建設的不斷推進和落實，作為網絡中重要的計量、感知、控制設備，智能物聯電能表通過靈活配置擴展功能模組，能夠實現數據可信互認、分布式存儲等各項功能，滿足數字化主動電網不同業務和應用場景的需求。