基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理技術研究

余 敏，彭家從，柏 帆，吳佩穎

（國網浙江省電力有限公司寧海縣供電公司，浙江 寧波 315600）

0 引言

實時掌握用戶側的用能情況對供電公司的發展十分重要，但在現有的供電公司監控體系中，對電能的監控僅局限于高電壓層級，目前仍缺乏完善的對用戶側用能情況的監控措施，當發生分支箱漏電、著火等常見故障時，往往無法實現故障的精準判責。由于對于供電公司來說，提高供電可靠性、減少用戶停電損失，這既是自身的社會責任，也是實現企業健康發展的必要前提[1]。因此為解決這個技術難題，區塊鏈技術的發展恰好為其提供了新的研究思路。隨著習近平總書記在中央政治局第十八次集體學習中關于“區塊鏈推動產業創新”主張的提出，區塊鏈技術的發展已成必然[2]。為此，該研究欲借助區塊聯盟鏈技術來解決分支箱監測數據的高效采集、存儲問題，并利用其可溯源、不可篡改等特性實現分支箱監測環節中參與主體的精準追責與信息共享。

1 國內外研究現狀

由于配網自動化系統的不完善，雖然電纜分支箱是配電網的重要環節，但目前關于分支箱運行和監測方面的措施仍存在局限性[3]。因此，為提高配網運行的可靠性，確保及時、準確地發現、處理故障，亟需提高分支箱監測的智能化水平，實現對分支箱監測數據價值的深度挖掘。基于此，眾多的國內外學者對此競相開展了不斷的研究。

在分支箱監測運維方面，由于目前分支箱監測大都通過人工實現，無法實時準確地對故障進行處理，易造成資源浪費。為此，文獻[4]為解決分支箱內部故障問題，提出了一種組網式分支箱在線監測系統，通過借助環境溫度、線路情況及電能狀態等信息，增強系統功能，進而促進電網運行的可靠智能。為實時監測分支箱運行狀況，給配電設備運維方案提供依據，文獻[5]借助無線測溫傳感器，提出一種改進的分支箱在線監測系統，促進了工作效率的提高。文獻[6]結合分支箱監測壓接點的溫度變化和線路運行狀況等信息，進行對分支箱故障的預測，以期通過提前檢修來提高輸配電質量，進而保障電網的智能化運行。文獻[7]為保障電纜等器件安全，設計出一個多功能電纜終端智能檢測單元，推動了分支箱在線監測系統“智能化、網絡化”的研究進程。在用戶側信息采集分析方面，隨著電力用戶在整個電力系統中地位和作用的提高，為幫助供電企業的運營管理，需通過對電力用戶用電的精細化需求側管控來分析用戶用電模式。為此，文獻[8]基于數據關聯理論，提出了一種低壓配電網拓撲識別方法，促進了配網信息化水平和數據質量的提升。文獻[9]為提高傳統用電采集系統中信息量采集效率，設計了一種基于數據驅動的用電采集系統優化運維技術。王春義等[10]針對智能電表獲取的用戶用電信息，基于智能配用電大數據[11]以及高維隨機矩陣理論（RMT），建立用電模型，解析用戶用電行為。文獻[12]針對配網用電安全及數據采集問題，提出一種運用于中低壓配電間的新型感應取能裝置，保障了采集系統運行的穩定。在用戶側數據信息應用方面，文獻[13]基于云計算技術，提出“無證書證明數據存在”方案，提高了數據利用效率。文獻[14]結合區塊鏈技術和工業物聯網技術，實現數據的高效存儲傳輸，進而實現對數據價值的深度挖掘。文獻[15]為有效利用用戶側能源，結合區塊鏈技術設計了一種能源互聯網調度平臺，從利益主體、數據結構等角度優化用戶側能源調度過程。

通過上述文獻可知，目前供電公司數據監控體系在用戶側的措施尚處于完善階段，對于分支箱運行數據的采集、應用等方面仍缺乏完善的應對措施，區塊鏈與分支箱監測數據的融合仍不夠密切。但縱觀國內外相關研究發現，區塊聯盟鏈技術的去中心化、可溯源、不可篡改等優點可有效提升數據質量，實現數據溯源求真，可有效推動分支箱監測數據的優化管理。為此，該研究將對區塊聯盟鏈視角下分支箱監測數據管理機理進行兼容性分析；再構建基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據分析模型，闡明系統內部運行機理；最后通過搭建基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理系統來實現分支箱監測數據的高效采集存儲以及精準溯源。

2 區塊聯盟鏈技術與智能化分支箱數據管理的融合

2.1 智能化分支箱監測數據特征分析

作為電網進行入戶的最后環節，分支箱是電網和客戶進行交互的紐帶，其和用戶用能情況密切相關。因此，通過分支箱數據監測系統采集到的數據往往牽涉到電網內部的眾多利益主體，需要進行深度挖掘才能體現出巨大的應用價值。但由于這些系統獨立于現有供電公司監控體系之外，在運行過程中缺少必要的數據質量監控及清洗等預處理環節，最終導致了分支箱監測數據的冗余、多源性。同時，在分支箱數據監測系統內部包含著一系列電網傳輸線路、終端傳感器等設備，數據采集終端會對相應節點處的諸如電壓電流類電氣參數、電能質量數據、箱內溫濕度情況等各方面數據進行實時采集。這些收集的數據信息種類多樣，其本質屬性的不同進一步導致了分支箱數據監測系統中數據信息的異構性。

此外，由于分支箱牽涉到包括供電公司、小區物業、用戶等多方利益主體，但目前的分支箱數據監測系統大都是中心化的，各主體間缺乏信任，使得在運行過程中各主體間缺少數據交流，各方采集的信息無法實時共享，進而導致了分支箱監測數據的“信息孤島”現象，從而加劇了監測數據多源異構性問題。通過對分支箱數據監測系統采集數據的多源異構性分析可知，可將數據差異大致分為屬性差異、模式差異、語義差異三類。這些差異將導致系統在采集數據的過程中造成資源的浪費，極大地阻礙了數據質量的提升以及數據溯源求真的進程，不利于分支箱監測數據的優化管理和潛在價值的挖掘。

2.2 區塊聯盟鏈與分支箱數據管理系統的兼容性分析

區塊鏈技術是“互聯網+”思維延伸，其去中心化、可溯源、不可篡改等技術優勢適用于智能化電網數據系統多方領域[16-17]。其中，聯盟鏈作為集合了公有鏈和私有鏈優點的一種區塊鏈[18]，其擁有有限許可、授權的讀寫交易權限，具有較強的綜合性，可以更好地保護數據安全。聯盟鏈在進行維護時，僅選取部分節點作為認證對象，因此這在滿足管理者足夠控制權限同時，也縮短認證時間，提高數據存儲靈活性，降低數據信息維護成本。將該技術應用于智能化分支箱數據管理系統的技術框架搭建過程，能夠有效解決分支箱監測數據冗余、多源異構、信息存儲等問題，提高數據應用價值的挖掘效率。而若要實現聯盟鏈技術與智能化分支箱數據管理系統的高效結合，則需先論證兩者間的兼容性，分析結果如表1所示。

表1 區塊聯盟鏈與智能化分支箱數據管理系統的兼容性分析

3 基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據分析模型搭建

3.1 智能化分支箱數據分析模型的框架構建

分支箱作為電網和客戶進行交互的紐帶，牽涉到多方利益主體，是電力配電網的重要組成部分，其構成的分支箱數據監測系統的智能化水平和抗干擾能力時刻影響系統的運行穩定，進而對后期監測數據的智能分析效率產生影響。因此，為提高分支箱監測數據質量、保障數據真實完整、實現數據準確溯源，進而完成借助分支箱監測數據明確各方主體責任的目的。該研究依據管理知識體系和區塊聯盟鏈技術等相關知識，構建了一種基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據分析模型，其結構框架如圖1所示。該框架結構大致可分6 部分，即采集層、數據層、網絡層、共識層和合約層及應用層。這些層級都各自含有相應的核心功能模塊，通過相互間配合來構成智能化分支箱數據分析模型的基本框架。

圖1 智能化分支箱數據分析模型框架結構

其中，采集層負責分支箱監測數據采集工作，通過現場測控終端及移動終端App 等設備提取固定時段內流經分支箱傳輸線路參數、溫濕度情況、GPS 定位等各方面信息。在信息經過采集提取后，合約層需通過智能合約對其進行篩選，實現數據的交互。之后，則由數據層對符合合約條件的數據進行融合，通過特定的哈希散列函數進行Merkle 層級加密并存入新建區塊。然后，再將新建的區塊通過網絡共識層進行共識廣播，用以確保存入數據庫數據的真實可靠。最后，將完成共識后的數據區塊鏈入主鏈，在完成數據可視化的同時，實現數據求真溯源、提升數據質量的目的，進而為后期數據的應用分析提供依據。

3.2 智能化分支箱數據分析模型的數據采集

分支箱監測數據種類多樣，具有多個數據源，而這些數據源又來自不同的數據采集系統；這些系統往往獨立運行，缺乏協同性，進而導致分支箱監測數據信息存在多格式、多來源等問題，使得數據信息冗余現象嚴重，從而對分支箱監測數據的高效存儲、分析應用等工作造成諸多阻礙。為此，為了減輕數據冗余現象，實現高效率的數據交互，該研究將借助智能合約對所采集的監測數據進行預處理。

智能合約是基于區塊鏈可編程性的基礎上設計的，基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理系統中存有多種智能合約，包括節點認證管理合約、電壓電流類電氣參數收集合約、GPS 定位圖像采集合約等。這些合約的制定由系統根據自身功能需求發起，由眾多管理節點共同負責管理與維護，其在被發起節點部署運行后，便開始自動執行，期間不會受到任何因素的干擾。因此該研究在合約內部規定了數據交易的預定義狀態、觸發條件、轉換規則、違約條件及責任等，基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理系統內部智能合約運作流程如圖2 所示。系統將通過智能合約對分支箱監測數據源采集到的數據進行審核，若審核通過則將數據信息形成一個新區塊；之后對其共識廣播，確認信息真實可靠；在通過共識后，最終將該區塊鏈入主鏈中，用于后期數據的智能分析與應用。

圖2 智能化分支箱數據管理系統智能合約運行流程

3.3 智能化分支箱數據分析模型的數據存儲

在經過智能合約的數據交互、篩選后，需對清洗后的分支箱監測數據進行融合加密，即利用區塊聯盟鏈中哈希算法和Merkle 結構樹，進行集成、轉換等數據處理措施，以實現格式的統一和數據的融合。分支箱監測數據的融合大體上可分為三個步驟：1）通過現場測控終端、移動終端App 等方式對分支箱內線路電氣參數、溫濕度、GPS 定位等監測數據進行采集、錄入，并將各項數據指標進行相關性映射和歸集。2）制定智能化分支箱數據管理系統的智能合約方案，將監測數據進行篩選，提高存儲數據的質量。3）使用特定哈希算法和Merkle結構樹對分支箱監測數據進行非對稱加密，將信息轉化為固定長度的數學進制類密文，并存儲于基于區塊聯盟鏈的數據管理系統中，進而實現對分支箱監測數據的融合處理。

基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理系統以非對稱加密技術為核心，將冗長的分支箱監測數據加密成固定的字符長度后加入區塊中，并以時間戳為依據進行鏈接。這些區塊均由區塊頭和區塊體組成，如圖3所示。

區塊頭中包含索引號、前一哈希值、時間戳、隨機數、難度、Merkle根等識別信息；區塊體主要存放分支箱監測數據，包括箱內各類傳感器采集數據信息、箱體地址定位信息、開箱負責人照片以及密鑰指令等。在進行數據交互時，分支箱監測數據的摘要信息通過哈希加密形成密文，并融入Merkle 根中；箱體節點則會將密文和公鑰封裝成一個新區塊；其余節點根據該區塊的索引號、前一哈希值、時間戳、Merkle根等信息進行認證，確認是否合法；最終把合法區塊添加到自己主鏈上，完成數據存儲操作。

3.4 智能化分支箱數據分析模型的數據維護

由于電能設備傳感器故障、傳輸線路受到外徑干擾、箱體環境因素等都會造成分支箱監測數據失真或缺失，進而對數據后期的智能分析造成干擾。所以，還需對存儲的數據信息進行合法性驗證，并通過分支箱數據管理系統對無效或缺失的數據進行重新采集，用以保障分支箱監測數據的真實完整。

為此，智能化分支箱數據管理系統實現對監測數據的融合加密后，將由網絡節點共同對數據進行維護，如圖4 所示。當一個箱體節點產生新區塊時，會將該區塊在系統內廣播，并散播至其余各節點；其余節點將根據接收區塊的索引號、前一哈希值、時間戳、Merkle根等信息進行合法性驗證，并將驗證結果反饋給管理節點；當管理節點收到的確認合法信息數超過2/3時，將賦予自身數字簽名并進行系統廣播，直至最終將該區塊鏈接到自身主鏈上；同時其余節點賬本也將進行同步更新。合法區塊一旦完成上鏈過程，節點即會進行下一輪運算。區塊節點的集體維護增強了分支箱數據管理系統的抗干擾能力，能將系統存儲信息的失真概率降至最低，進而提高了系統的安全可靠性。

圖4 智能化分支箱數據維護流程

4 基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理系統開發

4.1 智能化分支箱數據管理系統初始化運行

該研究項目采用Java、Html、JavaScript、Css 等編程語言，借助IDEA、Atom、Sql Server 2008 等開發工具，在jdk-8u211-windows-x64、apache-tomcat-8.5.55-windows-x64 等運行環境下進行基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理系統的開發構建。在本地部署區塊鏈程序后，通過本地服務器—localhost：8081端口來實現智能化分支箱數據管理系統的運行流程，系統程序的初始化運行如圖5 所示。此外，當系統程序顯示初始化運行正常后，還需通過外接baidu-map實現系統地圖的下載，如圖6所示。

圖5 系統程序運行初始化

圖6 系統地圖下載程序

由于該研究是基于區塊聯盟鏈技術特性而構建的智能化分支箱數據管理系統，為防止數據被非法盜用，該系統按用戶角色應用場景不同，將訪問用戶授予了不同的訪問權限。所以在完成上述基本操作后，還需通過47.96.0.155：8081/login.html 地址進入系統的登入界面，進行用戶賬號的登錄操作，進而在相應的系統操作界面實行系統功能的操作過程，系統登入與顯示界面如圖7 和圖8 所示。在系統操作界面，供電公司員工可根據工作需要對分支箱監測數據信息進行下載應用，診斷分支箱節點處線路運轉狀況以及箱體自身情況，維護系統的安全穩定運行。

圖7 系統登入界面

圖8 系統操作界面

4.2 智能化分支箱數據管理系統信息存儲

為驗證底層區塊鏈網絡系統的功能與鏈碼邏輯的正確性，該研究項目以吉林市、杭州市、北京市等地區為監測節點，構造了一種基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理網絡。管理員在初次進入系統操作界面時，需先進行設備節點ID 的注冊存儲，完善分支箱節點網絡的搭建，如圖9 所示。之后，通過借助箱體內安裝的現場監測終端等設備的實時監測，將采集的數據上傳至后臺數據庫，再經過合約約束條件的智能篩選后，將符合閾值的數據信息進行整理提交，完成數據的上鏈操作，如圖10所示。

一旦將數據信息以區塊的形式存入區塊鏈中，那么這些數據則被認定為合法數據區塊，無法再被篡改，管理員可通過后臺數據庫查看所有的區塊信息，進行數據信息的溯源，以便為數據價值的分析應用提供依據，如圖11 所示。通過對該系統網絡的開發運行，證實了系統數據信息的采集、存儲等功能的實用性，圖12 為截取自2021 年5 月至2021 年11 月時間段內的設備錄入情況。

圖11 分支箱監測數據區塊信息

圖12 節點設備存儲信息列表

4.3 智能化分支箱數據管理系統信息提取

通過借助箱體內現場終端設備進行的定時采集、存儲分支箱監測數據信息，操作人員可從系統的操作界面中查詢相應箱體節點處的狀態信息，包括在線狀態、箱門開關、門磁狀態、地址定位等信息。此外，操作人員還可通過設備ID 的具體名稱，進行定位查詢出箱體內部的具體信息，如溫濕度、信號強度、線路電氣參數以及開門負責人圖像等信息。箱體設備具體信息展示如圖13 所示，關于固定時段內箱體節點的溫濕度監控及負責人圖像采集信息如圖14 所示。

圖13 分支箱設備監測數據信息

圖14 箱體節點的溫濕度監控及負責人圖像信息采集

綜上，該研究設計的智能化分支箱數據管理系統以區塊鏈網絡作為底層架構，增設負責人圖像取證環節，在提升分支箱監測數據質量、實現數據溯源求真的同時，也實現了供電公司、小區物業、用戶等參與主體的精準追責，為后期的智能分析與解決糾紛奠定了基礎。經過上述的系統功能驗證表明，基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理系統能夠滿足供電公司對于分支箱監測數據應用的安全透明、可追溯、不可篡改以及易監管的功能需求，通過Web 服務層的封裝使得成果展示更加的直觀易懂，滿足了正常的使用需求。

5 結語

配電網的安全穩定運行與電纜分支箱密切相關，但由于目前在供電公司的監測體系中，監測對象只截止到箱式變電站，對于用戶側分支箱的數據監測、責任確認等難題仍缺乏完善的處理措施。為此，該研究采用JavaScript 等編程語言，借助區塊聯盟鏈技術以及Sql Server 2008 等開發工具，提出一種基于區塊聯盟鏈的智能化分支箱數據管理系統，可實現電纜分支箱在線溫濕度、線路運行參數、負責人圖像等信息的監測與存儲。經過研究驗證表明，該系統能夠準確地實現分支箱監測數據的精準溯源，保障了數據信息的真實可靠性的同時，也實現了分支箱環節中眾多參與主體間利益與責任的分離，為后期的運維保障提供決策依據。但筆者在研究過程中發現，該研究設計的系統尚有不完善之處，單個節點的部署步驟仍較為繁瑣，若在未來投入企業級應用，還需對此進行深入研究，將節點部署過程簡化，提高效率。