甄自競，劉 柱，王利民，宋澤華

（1.電力規(guī)劃總院有限公司，北京 100032；2.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司，北京 102200；3.國網(wǎng)國際發(fā)展有限公司，北京 100032）

0 引言

區(qū)塊鏈技術(shù)自問世以來，一直受到廣泛的關(guān)注。區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上是一種由多個節(jié)點共同參與維護的分布式賬本技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲、在多個主體之間建立信任機制以及保證數(shù)據(jù)不可篡改等功能。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)原理、共識機制和應(yīng)用研究方面的發(fā)展，其在金融、物聯(lián)網(wǎng)、分布式存儲、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用更加深入和廣泛[1-4]。在能源領(lǐng)域，對于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用探索主要集中在分布式能源交易[5-9]、虛擬電廠調(diào)度[10]、數(shù)字身份認(rèn)證[11]以及數(shù)據(jù)的去中心化存儲[12-15]等方面。文獻[5-6]建立了以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)的去中心化交易系統(tǒng)來滿足電力系統(tǒng)日趨復(fù)雜的交易場景。文獻[7]提出采用異構(gòu)區(qū)塊鏈技術(shù)來解決跨鏈通信問題，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了多能交易系統(tǒng)。文獻[8]采用運行在區(qū)塊鏈上的智能合約來執(zhí)行充電站的購電策略，達到降低購電成本的目的。文獻[9]提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微網(wǎng)能源交易機制。文獻[10]將區(qū)塊鏈技術(shù)引入到虛擬電廠的調(diào)度運行當(dāng)中。文獻[11]利用區(qū)塊鏈技術(shù)來對電力系統(tǒng)的資產(chǎn)數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)進行分布式存儲，優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲模式。

目前將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲的研究相對較少，文獻[12]雖然提出配電網(wǎng)數(shù)據(jù)池的構(gòu)想，但是側(cè)重于管理架構(gòu)的創(chuàng)新，并未將區(qū)塊鏈技術(shù)和配電網(wǎng)臺區(qū)設(shè)備相結(jié)合，無法從根源上確保配電網(wǎng)臺區(qū)數(shù)據(jù)的完整和有效。文獻[13]提出了將區(qū)塊鏈技術(shù)和電力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相結(jié)合的構(gòu)想，但并未進一步給出詳細(xì)的技術(shù)方案和系統(tǒng)的運行機制。

現(xiàn)行的配電物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)如圖1 所示，臺區(qū)終端在架構(gòu)中屬于感知層部分，負(fù)責(zé)將智能電表、故障診斷設(shè)備、開關(guān)設(shè)備等臺區(qū)設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)進行收集，做初步處理后上送到平臺層的云主站端，云主站對數(shù)據(jù)進行存儲，并將數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用層?，F(xiàn)行的配電物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)本質(zhì)上是一種中心化的數(shù)據(jù)存儲和處理模式，會帶來以下三方面問題：

圖1 配電物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

（1）過于中心化

在現(xiàn)行架構(gòu)中，所有臺區(qū)的數(shù)據(jù)最終都要匯總并且存儲到云主站端，主站是整個系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)依賴于云主站的正常運行，一旦主站發(fā)生故障，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。同時，雖然配電終端具備一定的數(shù)據(jù)存儲能力，但是如果某個臺區(qū)對應(yīng)的終端和主站發(fā)生故障，則重要數(shù)據(jù)仍然會丟失，無法真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的去中心化存儲。

（2）無法保證安全性

在現(xiàn)行架構(gòu)下，所有臺區(qū)數(shù)據(jù)均存儲在主站中，而主站端的數(shù)據(jù)備份數(shù)量有限，如果主站遭受惡意攻擊，導(dǎo)致數(shù)據(jù)被篡改或丟失，數(shù)據(jù)的安全性難以得到保證。

（3）不適用于分布式能源交易

去中心化能源交易概念的提出和微網(wǎng)技術(shù)的成熟，使得不同臺區(qū)的分布式能源之間實現(xiàn)“點-點”的去中心化交易成為可能，也將成為未來分布式能源的主要交易方式之一。而現(xiàn)有中心化架構(gòu)并不適用于分布式能源的去中心化交易方式。

上述問題產(chǎn)生的實質(zhì)在于現(xiàn)行配電物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)過于中心化，而采用區(qū)塊鏈技術(shù)將臺區(qū)數(shù)據(jù)進行分布式存儲可以一定程度上彌補中心化存儲的問題。本文遵循這個思路提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式終端系統(tǒng)，試圖將區(qū)塊鏈技術(shù)和電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，構(gòu)建配電網(wǎng)數(shù)據(jù)主鏈，確保臺區(qū)數(shù)據(jù)的安全、有效和不可篡改。本文將對分布式終端的系統(tǒng)架構(gòu)、共識機制和運行機制做出詳細(xì)的說明。

1 分布式終端系統(tǒng)架構(gòu)

分布式配電網(wǎng)終端系統(tǒng)主要由配電網(wǎng)臺區(qū)終端構(gòu)成，由配電網(wǎng)所有的臺區(qū)終端作為節(jié)點共同組建成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，臺區(qū)終端之間通過無線專網(wǎng)/公網(wǎng)實現(xiàn)端-端通信，臺區(qū)終端收集到的數(shù)據(jù)除了向主站上送外，其中重要的數(shù)據(jù)也會傳輸給全網(wǎng)其他終端；同時配電網(wǎng)臺區(qū)數(shù)據(jù)以區(qū)塊鏈的形式存儲在所有臺區(qū)終端中，由此可以在配電網(wǎng)終端間建立起端-端通信和分布式存儲的架構(gòu)。分布式終端系統(tǒng)在終端之間建立端-端通信通道，終端之間的通信不再需要經(jīng)過主站，當(dāng)主站發(fā)生故障或者不穩(wěn)定時，臺區(qū)重要數(shù)據(jù)仍能在終端間進行傳輸，確保系統(tǒng)不會癱瘓；同時由于臺區(qū)數(shù)據(jù)采取分布式存儲的模式，使得每一臺終端內(nèi)都有相應(yīng)數(shù)據(jù)備份，在主站遭受惡意攻擊或者人為篡改后，所有終端保存著完整的數(shù)據(jù)備份，并且數(shù)據(jù)采用的是鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而保證了數(shù)據(jù)不會丟失和被篡改，大大提高了數(shù)據(jù)的安全性。

需要說明的是，目前配電終端數(shù)據(jù)存儲能力是有限的，因此本文所提出的系統(tǒng)中，分布式臺區(qū)終端系統(tǒng)并不具備存儲大量臺區(qū)實時數(shù)據(jù)的條件，需要根據(jù)臺區(qū)具體需求來確定儲存的數(shù)據(jù)內(nèi)容。根據(jù)目前的臺區(qū)終端試點和工程實際來看，可以將分布式能源的交易數(shù)據(jù)、終端數(shù)字ID、臺區(qū)停電信息、臺區(qū)設(shè)備故障信息和臺區(qū)用電量等較為重要的數(shù)據(jù)采用區(qū)塊鏈技術(shù)進行存儲，而實時性要求較高的數(shù)據(jù)，例如實時電壓、電流等還是需要上送到云主站進行存儲。

從這個角度而言，本文提出的分布式配電網(wǎng)終端系統(tǒng)是對現(xiàn)行中心化數(shù)據(jù)存儲模式的補充，將臺區(qū)最為重要的數(shù)據(jù)進行去中心化存儲，用來解決中心化存儲的缺點，而不是徹底取代現(xiàn)有中心化模式。兩種模式相輔相成，才能更好發(fā)揮配電網(wǎng)臺區(qū)終端的作用，在保證配電網(wǎng)臺區(qū)數(shù)據(jù)實時性的同時，確保數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，臺區(qū)終端的計算能力和存儲能力也在不斷增強，未來分布式終端可以存儲的臺區(qū)數(shù)據(jù)內(nèi)容也將會更加豐富。

1.1 配電網(wǎng)臺區(qū)終端

在本文所提出的分布式終端系統(tǒng)架構(gòu)中，臺區(qū)終端是核心，每一個臺區(qū)終端都作為完整節(jié)點共同參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的維護當(dāng)中。作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，需要存儲整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的主鏈數(shù)據(jù)，因此相比于現(xiàn)行架構(gòu)中處于感知層的終端，分布式終端系統(tǒng)中的終端不僅需要收集數(shù)據(jù)，還需要具備更強的數(shù)據(jù)存儲能力和計算能力。

1.2 端-端通信機制

在分布式終端系統(tǒng)中，終端間的通信不再需要經(jīng)過云平臺，通過制定端-端通信協(xié)議，并在終端之間建立通信通道就可以確保終端之間實現(xiàn)端-端通信機制，使得整個系統(tǒng)的運行不再依賴于某幾個中心節(jié)點，實現(xiàn)了真正意義上的去中心化。

終端收集到其對應(yīng)臺區(qū)的數(shù)據(jù)后，需要向整個系統(tǒng)中其他終端傳輸該數(shù)據(jù)，這個過程稱為全網(wǎng)廣播。當(dāng)一個終端收到其他終端的數(shù)據(jù)時，需要將該數(shù)據(jù)進一步傳輸給相鄰終端，這個過程稱為轉(zhuǎn)發(fā)。終端A 收集到其對應(yīng)臺區(qū)的數(shù)據(jù)后，進行全網(wǎng)廣播，終端B 收到終端A 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，立即轉(zhuǎn)發(fā)給終端C 和D，終端C 和D 再轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰終端。由此，當(dāng)某個終端需要向全網(wǎng)其他終端傳輸數(shù)據(jù)時，只需先轉(zhuǎn)發(fā)給自己的相鄰終端即可，由其相鄰終端再進一步轉(zhuǎn)發(fā)，從而使得全網(wǎng)所有終端都收到該數(shù)據(jù)。

1.3 配電網(wǎng)主鏈

分布式終端系統(tǒng)中的臺區(qū)數(shù)據(jù)以區(qū)塊的方式進行存儲，每一個區(qū)塊由區(qū)塊頭和臺區(qū)數(shù)據(jù)列表構(gòu)成，區(qū)塊頭又包含區(qū)塊版本、前一個區(qū)塊的哈希值、該區(qū)塊的創(chuàng)建時間，臺區(qū)數(shù)據(jù)列表包含該區(qū)塊所存儲的臺區(qū)數(shù)據(jù)，區(qū)塊之間通過哈希值相連接，形成鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即配電網(wǎng)主鏈，如圖2 所示。每過一段時間都會有新的區(qū)塊產(chǎn)生，這段時間內(nèi)臺區(qū)數(shù)據(jù)將會存儲在新的區(qū)塊上，新區(qū)塊通過在區(qū)塊頭中記錄上一個區(qū)塊的哈希值來連接到主鏈上。當(dāng)一個終端將一段時間的臺區(qū)重要數(shù)據(jù)和上一個區(qū)塊的哈希值按照區(qū)塊的結(jié)構(gòu)形成新的區(qū)塊并連接到主鏈時，稱之為打包。

圖2 配電網(wǎng)主鏈

1.4 軟件和硬件實現(xiàn)方案

目前終端硬件主要由交采板、主控板和通信模塊組成，交采板主要包括交采芯片，用于臺區(qū)數(shù)據(jù)的采集；主控板包括主控芯片，內(nèi)嵌操作系統(tǒng)和各種嵌入式APP，是整個終端的核心組件；通信模塊包括載波通信模塊和無線通信模塊等。硬件方面需要新增一個可信芯片，作為終端區(qū)塊功能的硬件載體。

軟件層面，終端采用的是軟硬件解耦的設(shè)計方式，通過在主控芯片上的嵌入式APP 來確保終端功能的實現(xiàn)。分布式終端系統(tǒng)中，需要保證終端具備端-端通信功能、區(qū)塊生成功能和區(qū)塊廣播功能。為此需要開發(fā)區(qū)塊數(shù)據(jù)APP 來保證上述功能的實現(xiàn)，區(qū)塊APP 需要嵌入到可信芯片上。

2 共識機制選取

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，為了維護系統(tǒng)安全，會采用共識機制來激勵節(jié)點進行記賬，一個節(jié)點只有在和其他節(jié)點的競爭中勝出才擁有將一段時間內(nèi)交易信息打包的權(quán)利，即記賬權(quán)。在分布式終端系統(tǒng)中，如果采用工作量證明機制或者權(quán)益證明機制，將會造成大量計算資源的浪費，影響終端其他功能，為此本文提出一種基于可信芯片的POR（隨機數(shù)證明）機制，計算功能由可信芯片完成，并不占用主控板的系統(tǒng)資源，可信芯片中內(nèi)嵌區(qū)塊APP，使得終端具備生成區(qū)塊、廣播區(qū)塊、驗證區(qū)塊等功能。在系統(tǒng)運行過程中由可信芯片內(nèi)嵌入的區(qū)塊APP 來運行可驗證隨機數(shù)生成程序，不同終端生成隨機數(shù)的時間是不同的，用時最短的終端會被選為記賬節(jié)點，由于芯片是可信的，并且隨機數(shù)生成的時間也是隨機的，因此，并不需要消耗大量計算資源對記賬權(quán)進行競爭，從而可以更快地在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)共識，降低對計算資源的消耗。當(dāng)其他終端收到該新區(qū)塊時需要對隨機數(shù)進行驗證，驗證通過則其他終端會將新區(qū)塊寫入主鏈，此時整個配電網(wǎng)主鏈更新完畢，隨后再運行隨機數(shù)生成程序生成新的隨機數(shù)，來確定擔(dān)任下一個記賬節(jié)點的終端。

為了證明隨機數(shù)證明機制的優(yōu)越性，從傳播時間、吞吐量和CPU 占用率這3 個維度對POW（工作量證明）、POS（權(quán)益證明）和POR 進行對比。仿真系統(tǒng)見參考文獻[14-15]，仿真系統(tǒng)是由多個終端組成的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，其中每個終端都作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，在進行仿真時，分別選取100，200，300，400，500 個節(jié)點這5 個層次的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來對比3 種共識機制，仿真系統(tǒng)基于ns3 開源程序編寫，可用于模擬不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊生成和傳播過程。

2.1 區(qū)塊傳播時間

傳播時間是指一個新區(qū)塊生成后，新區(qū)塊傳播到全網(wǎng)所有節(jié)點的時間。仿真系統(tǒng)模擬不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下分別采用3 種共識機制的系統(tǒng)運行情況，圖3 給出了區(qū)塊傳播時間的仿真結(jié)果。

圖3 區(qū)塊傳播時間對比

由圖3 可知，采用POR 的系統(tǒng)區(qū)塊傳播時間顯著小于采用POW 和POS 的系統(tǒng)，意味著POR機制可以更加迅速地形成共識，系統(tǒng)運行效率更高。

2.2 吞吐量

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的吞吐量是指一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)每秒所能處理的交易數(shù)量，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，吞吐量越高，意味著系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的效率越高。在分布式終端系統(tǒng)中，吞吐量特指系統(tǒng)每秒所能處理的臺區(qū)數(shù)據(jù)數(shù)量。圖4 給出了采用3 種不同機制的系統(tǒng)吞度量對比結(jié)果。

圖4 系統(tǒng)吞吐量對比

從圖4 中可以看出，采用POR 共識機制的系統(tǒng)吞吐量明顯高于POW 和POS，而且隨著系統(tǒng)節(jié)點數(shù)的上升，POR 吞吐量下降并不明顯，說明采用POR 的系統(tǒng)運行效率更高，相同時間內(nèi)能處理的數(shù)據(jù)量更大。

2.3 CPU 占用率

采用不同共識機制，對終端主控板的CPU占用率也不一樣，圖5 中給出對比結(jié)果。

由圖5 中可知，在節(jié)點數(shù)到達400 時，采用POW 和POS 共識機制的主控板CPU 占用率達到100%，意味著終端將會死機，無法正常工作，顯然在實際工程中是不能采用POW 和POS 共識機制的。而采用POR 共識機制對主控板CPU 的占用率一直在1%左右，并未隨著節(jié)點數(shù)量的增加而大幅增加，這是因為在POR 共識機制下，計算功能主要由可信芯片來完成，對主控板CPU 占用率可以忽略不計。因此POR 共識機制更具備工程實用性。

圖5 系統(tǒng)CPU 占用率對比

綜上，通過區(qū)塊傳播時間、吞吐量、CPU 占用率3 個方面的對比，POR 共識機制顯著優(yōu)于POW 和POS 共識機制，因此在分布式終端系統(tǒng)中，選取POR 作為系統(tǒng)的共識機制。

3 系統(tǒng)運行機制

在確定系統(tǒng)的共識機制后，本節(jié)對分布式終端系統(tǒng)的運行機制進行詳細(xì)說明，系統(tǒng)運行機制如圖6 所示。所有臺區(qū)終端作為節(jié)點共同組成了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，臺區(qū)數(shù)據(jù)將在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中進行端-端傳輸和分布式存儲，每個節(jié)點均存儲有配電網(wǎng)主鏈和未進入?yún)^(qū)塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩存區(qū)中存儲有未進入?yún)^(qū)塊的臺區(qū)數(shù)據(jù)。

圖6 系統(tǒng)運行機制

假設(shè)臺區(qū)a 的數(shù)據(jù)被終端收集到，該終端會首先將數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，同時該終端將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰終端，相鄰終端也將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)緩存區(qū)，同時進一步轉(zhuǎn)發(fā)，直到數(shù)據(jù)存儲到全網(wǎng)所有終端的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。

在臺區(qū)數(shù)據(jù)進行全網(wǎng)廣播后，終端的可信芯片會運行可驗證隨機數(shù)生成程序，由隨機數(shù)決定擔(dān)任記賬節(jié)點的終端，記賬節(jié)點終端將臺區(qū)數(shù)據(jù)打包成新區(qū)塊，寫入主鏈中，同時將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩存區(qū)中刪除；記賬節(jié)點隨后將新區(qū)塊進行全網(wǎng)廣播，其他終端在接收到新區(qū)塊后，對隨機數(shù)進行驗證，驗證通過后將新區(qū)塊連接到配電網(wǎng)主鏈上，并將數(shù)據(jù)池緩存區(qū)的臺區(qū)數(shù)據(jù)刪除，至此所有終端的配電網(wǎng)主鏈均已被加入了新的區(qū)塊，臺區(qū)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了分布式存儲。

通過對示例系統(tǒng)運行機制的說明，可以看到分布式終端系統(tǒng)中的臺區(qū)數(shù)據(jù)從產(chǎn)生到存儲到全網(wǎng)所有終端中的整個過程，在臺區(qū)數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，首先會進入終端內(nèi)未進入?yún)^(qū)塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，在系統(tǒng)選取記賬節(jié)點后，被選為記賬節(jié)點的終端將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中所有數(shù)據(jù)進行打包形成新的區(qū)塊，并全網(wǎng)廣播，隨后全網(wǎng)所有終端將這個新的區(qū)塊連接到各自存儲的配電網(wǎng)主鏈上，新區(qū)塊內(nèi)的臺區(qū)數(shù)據(jù)將會分布存儲在臺區(qū)的所有終端內(nèi)，實現(xiàn)了臺區(qū)數(shù)據(jù)的分布式存儲。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)描述了分布式終端系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、共識機制和運行機制，得出以下主要結(jié)論：

（1）分布式終端系統(tǒng)在大量分散的終端間建立了協(xié)作機制，使得整個系統(tǒng)的運行不再依賴于中心節(jié)點，即便云主站發(fā)生故障，分布式終端系統(tǒng)仍能正常運行，彌補了現(xiàn)行配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)過于中心化的缺點，也在一定程度上緩解了云主站的存儲壓力。

（2）臺區(qū)數(shù)據(jù)均以配電網(wǎng)主鏈的形式存儲在系統(tǒng)的所有終端內(nèi)，難以被篡改，即便云主站和部分終端發(fā)生故障造成數(shù)據(jù)丟失，其他終端仍存有完整的數(shù)據(jù)備份，可以最大限度保證臺區(qū)數(shù)據(jù)的安全和完整。

（3）本文提出的基于可信芯片的POR 共識機制在性能上顯著優(yōu)于目前主流的POW 機制和POS 機制，可以在大量終端間快速形成共識，更適用于在電力設(shè)備間建立協(xié)作機制，具備工程實用性。

（4）區(qū)塊鏈技術(shù)和電力系統(tǒng)硬件設(shè)備相結(jié)合的應(yīng)用尚屬空白，隨著大量臺區(qū)終端接入到配電網(wǎng)中，逐漸形成了大量臺區(qū)終端分布式的結(jié)構(gòu)，非常適合采用區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式終端間建立協(xié)作機制，同時電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和臺區(qū)終端設(shè)備存儲、計算能力的不斷提升也使得分布式終端系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。分布式終端系統(tǒng)是將區(qū)塊鏈技術(shù)和電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的有益探索和嘗試，也為區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。分布式終端系統(tǒng)會進一步在實際電力系統(tǒng)的臺區(qū)中進行試點驗證，根據(jù)實際運行情況有針對性地做出改進和優(yōu)化。