李程 張雅 郭磊 趙學(xué)風(fēng) 李旭 廖強(qiáng)強(qiáng)

1.國(guó)網(wǎng)漢中供電公司

2.上海電力大學(xué)

3.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司

4.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院

0 引言

電力物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)多學(xué)科交叉的網(wǎng)絡(luò)，涉及計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)、控制系統(tǒng)等學(xué)科的智能大網(wǎng)絡(luò)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電力系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多的遙感和通信設(shè)備以及分布式能源、分布式儲(chǔ)能、電制氫等能源裝置涌入電力物聯(lián)網(wǎng)。電力事業(yè)蓬勃發(fā)展，電纜是影響電力輸送的重要影響因素，但在實(shí)際的輸電過(guò)程中影響電纜輸電的因素十分復(fù)雜，為確保輸電設(shè)備能安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，需提高電纜等輸電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性與智能性，物聯(lián)網(wǎng)中的輸電設(shè)備狀態(tài)量采集和監(jiān)測(cè)是保證供電的重要環(huán)節(jié)，多中心化的分布式在線監(jiān)測(cè)方式已經(jīng)成為電力系統(tǒng)各級(jí)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確采集的重要支撐[1]。

區(qū)塊鏈技術(shù)從問(wèn)世以來(lái)受到廣泛關(guān)注，其擁有分布式、去中心化等特點(diǎn)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)與輸電設(shè)備的采集系統(tǒng)相融合，可以使數(shù)據(jù)的真實(shí)性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩玫奖ＷC，從而提升電纜等輸電設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，保障配電的穩(wěn)定傳輸[2]。

1 技術(shù)介紹

1.1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式，它是由多個(gè)記錄著各種信息的小區(qū)塊鏈接起來(lái)組成的一個(gè)鏈條，具有去中心化、信息不可竄改、可溯源、開(kāi)放性等特點(diǎn)。區(qū)塊鏈不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)控制權(quán)的共享，多個(gè)參與節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)一個(gè)不可竄改的賬本，當(dāng)其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息丟失或者竄改以后對(duì)賬本沒(méi)有任何影響，僅需要同步賬本即可；當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)共識(shí)機(jī)制后，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、改動(dòng)或者新模塊的生成[3]。區(qū)塊鏈的基本構(gòu)架體系見(jiàn)表1。

表1 區(qū)塊鏈的體系結(jié)構(gòu)

1.1.1 區(qū)塊鏈的準(zhǔn)入機(jī)制

區(qū)塊鏈按照準(zhǔn)入規(guī)則主要分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。公有鏈公開(kāi)透明，全網(wǎng)公開(kāi)，世界上任何個(gè)體或者團(tuán)體都可以在公有鏈發(fā)送信息，每個(gè)人都可以競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)；聯(lián)盟鏈半公開(kāi)，是某個(gè)機(jī)構(gòu)或組織內(nèi)部使用的區(qū)塊鏈，需要預(yù)先指定幾個(gè)節(jié)點(diǎn)為記賬人，每個(gè)區(qū)塊的生成由所有預(yù)選記賬人共同決定，其他節(jié)點(diǎn)可以交易，但是沒(méi)有記賬權(quán)；私有鏈則完全封閉，僅采用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行記賬，記賬權(quán)并不公開(kāi)，且只記錄內(nèi)部的交易，由公司或者個(gè)人獨(dú)享[4]。在采集電纜的狀態(tài)量時(shí)本文采用的是聯(lián)盟鏈加入規(guī)則。

1.1.2 共識(shí)機(jī)制

在進(jìn)行信息傳輸、信息存儲(chǔ)時(shí)，共識(shí)機(jī)制解決并保證增加的數(shù)據(jù)信息在所有記賬節(jié)點(diǎn)上的一致性和正確性問(wèn)題，區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制使其在不依靠中心化組織的情況下，依然大規(guī)模高效協(xié)作完成運(yùn)轉(zhuǎn)，多個(gè)參與方對(duì)信息上鏈達(dá)成了共識(shí)的機(jī)制[5]。

1.1.3 智能合約

智能合約為一段寫(xiě)在區(qū)塊鏈上的代碼，由事件驅(qū)動(dòng)、具有動(dòng)態(tài)狀態(tài)、獲得多方承認(rèn)，且能夠根據(jù)預(yù)設(shè)條件自動(dòng)處理鏈上信息。智能合約在區(qū)塊鏈上發(fā)揮作用如圖1所示，一旦某個(gè)事件觸發(fā)合約中的條款，代碼會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，智能合約最大的優(yōu)勢(shì)是利用程序算法替代人仲裁和執(zhí)行合同。一旦編寫(xiě)好就可以被用戶信賴，合約條款不能被改變，因此合約是不可更改的。程序滿足條件即可執(zhí)行，無(wú)法進(jìn)行人為干擾，保證絕對(duì)公正公平[6]。本文將診斷專家?guī)?、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)成不能竄改的智能合約。

圖1 智能合約

1.1.4 安全機(jī)制

首先利用高冗余的數(shù)據(jù)庫(kù)保障信息安全，分布式賬本的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)著完整的信息數(shù)據(jù)。其次利用密碼學(xué)的相關(guān)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，保證不可竄改。如給大到幾個(gè)G小到幾個(gè)Byte的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的哈希算法，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制，且算法具有不可逆性，即使知道哈希值，也很難得到原始數(shù)據(jù)。哈希值相當(dāng)于數(shù)據(jù)的身份證，具有唯一性，當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了微小的改變，哈希值也會(huì)有很大的變化[7]；區(qū)塊鏈通過(guò)哈希值來(lái)判斷數(shù)據(jù)的一致性以保證數(shù)據(jù)的安全。然后在權(quán)限管理方面，運(yùn)用了多私鑰規(guī)則進(jìn)行訪問(wèn)權(quán)限控制。區(qū)塊鏈的整體示意圖見(jiàn)圖2。區(qū)塊頭用于區(qū)塊的連接和安全，區(qū)塊體用于存儲(chǔ)區(qū)塊內(nèi)的內(nèi)容。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中非堆成加密中節(jié)點(diǎn)間驗(yàn)簽時(shí)少不了公鑰和私鑰，來(lái)保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。本文使用安全性較高的橢圓曲線簽名算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名。

圖2 區(qū)塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基于區(qū)塊鏈的電纜狀態(tài)量體系框架

通過(guò)區(qū)塊鏈和傳統(tǒng)電纜設(shè)備采集的體系，可以看出電纜的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)過(guò)于中心化，大量的狀態(tài)量數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致通信的信道堵塞，而且數(shù)據(jù)的安全也無(wú)法保證，大量數(shù)據(jù)可溯源性很差，采用區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)方式能避免上述問(wèn)題。感知層的非法訪問(wèn)、節(jié)點(diǎn)欺騙等可以利用區(qū)塊鏈的設(shè)備身份鑒別、數(shù)據(jù)源認(rèn)證來(lái)解決；網(wǎng)絡(luò)層可能存在的網(wǎng)絡(luò)攻擊、信息偽造等問(wèn)題通過(guò)區(qū)塊鏈的區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)、P2P網(wǎng)絡(luò)得以解決；共識(shí)層的數(shù)據(jù)處理、隱私保護(hù)由區(qū)塊鏈的訪問(wèn)授權(quán)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)訪問(wèn)解決；應(yīng)用層可能出現(xiàn)的身份冒充、業(yè)務(wù)濫用、竄改信息等因區(qū)塊鏈的信息溯源、密鑰管理而解決[8,9]。遵循這個(gè)原則和解決方案，本文將區(qū)塊鏈與配電網(wǎng)電纜狀態(tài)量采集相融合，利用區(qū)塊鏈的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)想。圖3展示了配電網(wǎng)電纜狀態(tài)量采集、傳輸、儲(chǔ)存體系構(gòu)架，可見(jiàn)配電網(wǎng)電纜狀態(tài)量體系與區(qū)塊鏈體系很好的兼容性。

圖3 配電網(wǎng)電纜狀態(tài)量采集、傳輸、儲(chǔ)存體系構(gòu)架

配電網(wǎng)電纜狀態(tài)量體系構(gòu)架包括：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層和應(yīng)用層。

1）感知層具備數(shù)據(jù)采集、本地通信、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，包含電纜溫度、電壓參數(shù)、電流參數(shù)狀態(tài)量。傳感器采集的狀態(tài)量作為數(shù)據(jù)源傳輸給局部計(jì)算中心，在局部計(jì)算中心利用小波奇異熵法將信號(hào)數(shù)據(jù)分解為零序電壓，再把其傳給數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)，以形成多個(gè)數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)。

2）監(jiān)督層具備管理電纜上鏈的功能，狀態(tài)量數(shù)據(jù)利用接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全可靠的傳輸。

3）共識(shí)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取與處理，格式整理與融合。利用智能合約，對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與維護(hù)，是數(shù)據(jù)診斷中心，通過(guò)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的智能合約來(lái)判斷故障類型，在由運(yùn)行人員決策雙重保證下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與管理。

4）應(yīng)用層即對(duì)信息進(jìn)行脫敏處理后，由監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行考核，應(yīng)用層面向終端客戶，確保操作合理并且能使用戶和計(jì)算機(jī)間實(shí)現(xiàn)良好交互。

2 分布式電纜狀態(tài)量采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

分布式電纜狀態(tài)量采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、診斷中心和監(jiān)管機(jī)構(gòu)構(gòu)成，由所有的狀態(tài)量采集終端、診斷中心、監(jiān)管機(jī)構(gòu)組建成區(qū)塊網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間形成端對(duì)端的P2P網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)P2P通信將數(shù)據(jù)傳輸給全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)，從而建立起端對(duì)端的分布式存儲(chǔ)架構(gòu)。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)采用分布式分類賬結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)就近上鏈，可實(shí)現(xiàn)電纜狀態(tài)量的實(shí)時(shí)采集。分布式輸電纜采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了端端互聯(lián)后，每個(gè)終端都保存著完整的數(shù)據(jù)備份，不會(huì)引起數(shù)據(jù)信息的丟失，當(dāng)某個(gè)終端因人為破壞或者惡意竄改時(shí)，因?yàn)閿?shù)據(jù)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)完整備份的同時(shí)，數(shù)據(jù)采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，保證了數(shù)據(jù)的安全。

圖4顯示了基于區(qū)塊鏈的分布式配電網(wǎng)電纜狀態(tài)量采集系統(tǒng)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中包含一條中心區(qū)塊鏈（主鏈）和若干數(shù)據(jù)采集終端塊鏈（側(cè)鏈）。主鏈依托于數(shù)據(jù)終端節(jié)點(diǎn)及其他與數(shù)據(jù)終端直接往來(lái)的節(jié)點(diǎn)（包括各局部計(jì)算中心節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳感器），每條側(cè)鏈則以相對(duì)應(yīng)的一個(gè)數(shù)據(jù)采集終端為據(jù)點(diǎn)，向其覆蓋的底層設(shè)備鋪開(kāi)。

圖4 基于區(qū)塊鏈的分布式配電網(wǎng)電纜狀態(tài)量采集系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集終端塊鏈（側(cè)鏈）

在靠近終端處設(shè)置局部計(jì)算中心，在局部計(jì)算中心對(duì)傳感器或人工錄入的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（篩查過(guò)濾、簡(jiǎn)單計(jì)算），通過(guò)霧計(jì)算將事先約定的少量必要數(shù)據(jù)（熟數(shù)據(jù)）上傳，減少傳送至主鏈的數(shù)據(jù)量，提升主鏈的處理效率。

局部計(jì)算中心還負(fù)責(zé)通過(guò)數(shù)據(jù)終端從主鏈上同步診斷指令并傳送至側(cè)鏈，從而傳達(dá)至在區(qū)塊鏈中接入的本地設(shè)備，同時(shí)通過(guò)反饋機(jī)制監(jiān)督本地設(shè)備執(zhí)行。

2.2 中心區(qū)塊鏈（主鏈）

在主鏈上利用智能合約建立診斷決策的專家?guī)欤ＷC專家?guī)熘械囊?guī)則真實(shí)可靠、未被竄改。將采集上鏈的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)專家?guī)斓暮Y查轉(zhuǎn)化為專家經(jīng)驗(yàn)的診斷決策建議提供給診斷中心，輔助運(yùn)行人員進(jìn)行決策。運(yùn)行人員提交決策指令至主鏈，由主鏈將相關(guān)指令同步至各數(shù)據(jù)采集的側(cè)鏈。

所有診斷指令將在鏈上完整留存，便于日后追溯。一旦出現(xiàn)因診斷決策錯(cuò)誤導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，可隨時(shí)調(diào)取診斷指令歷史，查看診斷指令申報(bào)、審批、執(zhí)行的全過(guò)程記錄，輔助定責(zé)。監(jiān)管機(jī)構(gòu)作為主鏈的節(jié)點(diǎn)，同步數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理指令進(jìn)行信息脫敏處理后，公開(kāi)發(fā)布數(shù)據(jù)庫(kù)，各供電公司、部門(mén)可以查閱，實(shí)現(xiàn)電纜輸電設(shè)備狀態(tài)量的公開(kāi)、透明。

3 安全機(jī)制

本文采用ECDSA非對(duì)稱橢圓曲線作為加密算法解決了密鑰傳遞的問(wèn)題，哈希算法解決了完整性驗(yàn)證問(wèn)題的同時(shí)提高了數(shù)字效率，監(jiān)督層作為第三方為公鑰的所有者背書(shū)，解決公鑰的持有者證明問(wèn)題，形成一個(gè)解決信息安全、信息機(jī)密性、完整性、抗抵賴的完整解決方案。

橢圓曲線加解密算法原理：

通過(guò)基數(shù)的階N、基數(shù)坐標(biāo)G(x,y)等來(lái)定義橢圓曲線，從而形成一條光滑的曲線，要求x、y均取實(shí)數(shù)，橢圓曲線加密算法使用有限域。

節(jié)點(diǎn)通過(guò)選擇k為私鑰，p=kG為節(jié)點(diǎn)公鑰。其中公鑰用來(lái)加密，私鑰用來(lái)解密。

公鑰加密過(guò)程：

1）選擇隨機(jī)數(shù)r。

2）將數(shù)據(jù)等消息M生成密文C，C為一個(gè)點(diǎn)對(duì)C(a,b)。

式中，p為節(jié)點(diǎn)公鑰。

私鑰解密過(guò)程：

式中：k——私鑰，p——公鑰。

橢圓曲線簽名算法原理：

私鑰簽名:

1）選擇隨機(jī)數(shù)r，計(jì)算點(diǎn)rG(x,y)。

2）根據(jù)隨機(jī)數(shù)r、消息M的哈希h、私鑰k，計(jì)算

3）將消息M和簽名(rG,s)發(fā)送給接受方。

公鑰驗(yàn)證簽名：

1）接受方收到消息M和簽名。

2）根據(jù)消息M求的哈希值。

3）使用發(fā)送方的公鑰p計(jì)算hG/s+xk/s，與rG比較，相等則驗(yàn)簽成功[10-12]。

式中：hash()為哈希算法實(shí)現(xiàn)函數(shù)。

基于上述區(qū)塊鏈的分布采集系統(tǒng)，輸變電設(shè)備的狀態(tài)量采集數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)：設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程。

3.1 設(shè)備接入

在分布式電纜狀態(tài)量采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集終端作為節(jié)點(diǎn)，終端采集數(shù)據(jù)包括測(cè)量電壓、電流和溫度的數(shù)據(jù)流，終端采集數(shù)據(jù)下又擁有不同的局部計(jì)算中心，對(duì)所有終端采集點(diǎn)的接入由監(jiān)督層進(jìn)行注冊(cè)和驗(yàn)證。

圖5所示的設(shè)備接入步驟如下：

圖5 設(shè)備接入示意圖

1）利用ECDSA非對(duì)稱橢圓曲線作為加密算法，生成設(shè)備的公鑰和私鑰。

2）將私鑰和設(shè)備信息（該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類：電壓狀態(tài)量、電流狀態(tài)量、溫度狀態(tài)量等）發(fā)送給監(jiān)督層。

3）監(jiān)督層收到設(shè)備信息并檢查無(wú)誤后，監(jiān)督層私鑰根據(jù)設(shè)備公鑰對(duì)其進(jìn)行加密并且簽名sign，再把生成的sign返回設(shè)備。

4）設(shè)備通過(guò)公鑰和sign進(jìn)行接入憑證，其他設(shè)備可以根據(jù)監(jiān)督層的公鑰來(lái)驗(yàn)證sign的真實(shí)性。接入的設(shè)備需要自動(dòng)向監(jiān)督層上傳信息，并且自動(dòng)同步監(jiān)督層的數(shù)據(jù)信息。

3.2 數(shù)據(jù)采集

不同狀態(tài)量由各種不同傳感器采集生成狀態(tài)量數(shù)據(jù)，并且自動(dòng)上傳至局部計(jì)算中心，局部計(jì)算中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，針對(duì)局部故障就地處理并上傳處理信息，針對(duì)其他故障對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后上傳至數(shù)據(jù)采集終端，采集終端采用ECDSA非對(duì)稱橢圓曲線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，當(dāng)數(shù)據(jù)在局部計(jì)算中心和采集終端流通時(shí)經(jīng)過(guò)公鑰和私鑰的雙重認(rèn)證才能上鏈進(jìn)行交易，通過(guò)共識(shí)機(jī)制寫(xiě)入賬本[13]。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)采集器就近上鏈，采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)保證了數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定，數(shù)據(jù)廣播、共識(shí)、上鏈、同步的具體存儲(chǔ)過(guò)程見(jiàn)圖6，

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程

每隔一段時(shí)間監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享請(qǐng)求，當(dāng)請(qǐng)求通過(guò)時(shí)，分布式存儲(chǔ)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)脫敏處理后同步共享。

4 智能合約

電纜故障按照發(fā)生類型可以分為絕緣故障、接地故障、短路故障、開(kāi)路故障以及閃絡(luò)性故障等五大類[14]。采集電纜出現(xiàn)故障時(shí)所產(chǎn)生的電壓行波，然后得出這種波的小波奇異熵值，綜合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)故障類型的判斷，將這一方法寫(xiě)入智能合約，能夠幫助運(yùn)行人員對(duì)故障判斷進(jìn)行參考，更加高效快速地解決故障問(wèn)題。本文將故障信號(hào)分為如圖7所示的類型。

圖7 電纜故障類型識(shí)別結(jié)構(gòu)圖

在局部計(jì)算中心階段將采集的電纜故障信號(hào)利用小波奇異熵法分解為零序電壓信號(hào)，從而提取故障特征分量，是故障初步分類的基礎(chǔ)。在智能合約中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)過(guò)大量的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，在判斷故障時(shí)三相電壓小波奇異熵值作為BP神經(jīng)網(wǎng)的輸入，故障預(yù)測(cè)結(jié)果為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，即可判斷為兩相短路或者接地故障，為運(yùn)行決策人員提供參考。

本文在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練中，采用單個(gè)隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中單層結(jié)構(gòu)中存在15個(gè)神經(jīng)元，大量電纜故障數(shù)據(jù)中70%用于訓(xùn)練、15%用于驗(yàn)證訓(xùn)練結(jié)果、15%用于預(yù)測(cè)，使用優(yōu)化效率提高的LM(Levenberg-Marquardt)算法訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為智能合約里的固定代碼[15-17]。圖8為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障分析結(jié)構(gòu)圖、圖9為測(cè)試數(shù)據(jù)的分析擬合結(jié)果。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障分析結(jié)構(gòu)圖

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練擬合情況

5 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

本節(jié)對(duì)電纜狀態(tài)量采集系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明，所有的數(shù)據(jù)采集終端作為節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配有進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈主鏈的緩沖區(qū)和分布式存儲(chǔ)庫(kù)，緩沖區(qū)用于緩沖沒(méi)有進(jìn)入主鏈的經(jīng)過(guò)局部計(jì)算中心處理的數(shù)據(jù)。

如圖10系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制所示，進(jìn)入主鏈的數(shù)據(jù)通過(guò)記賬點(diǎn)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入新區(qū)塊，記賬點(diǎn)在本文中即為運(yùn)行人員決策點(diǎn)，同時(shí)智能合約建立診斷決策庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，輔助決策點(diǎn)的決策。新區(qū)塊寫(xiě)入主鏈后進(jìn)行全網(wǎng)傳播，寫(xiě)入分布數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)入側(cè)鏈，數(shù)據(jù)采集終端、局部計(jì)算中心以及設(shè)備之間都是雙向通信信道，電纜等輸電設(shè)備的故障動(dòng)作來(lái)保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖10 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

6 區(qū)塊鏈仿真

利用Python對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行仿真，首先用區(qū)塊分批保存交易，為區(qū)塊加入防竄改代碼，將區(qū)塊相連形成區(qū)塊鏈并且實(shí)現(xiàn)工作量證明的算法，進(jìn)一步形成區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈代碼，最后實(shí)現(xiàn)共識(shí)機(jī)制以及智能合約等，其中，使用Python內(nèi)置的hashlib模塊計(jì)算MD5哈希函數(shù)計(jì)算區(qū)塊的哈希代碼實(shí)現(xiàn)：

1.import hashlib

2.md5=hashlib.md5()

3.data=""

4.md5.update(data.encode('utf-8'))

5.print(md5.hexdigest)

通過(guò)Python仿真區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)工作量證明：

1.class Blockchain

2.difficulty of PoW algorithm

3.def proof_of_work(self,block):

4.Function that tries different values of nonce to get a hash that satisfies our difficulty criteria.

5.block.nonce=0

6.computed_hash=block.compute_hash()

7.return computed_hash

通過(guò)對(duì)比區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制，對(duì)POW（工作量證明）、POS（權(quán)益證明）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)POS隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多，傳播時(shí)間大于POW，因此，本文采用POW共識(shí)機(jī)制[16]。區(qū)塊傳播時(shí)間與節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖11。

圖11 區(qū)塊傳播時(shí)間與節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系

7 結(jié)論

本文將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)電纜狀態(tài)采集和故障診斷，從區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制、智能合約設(shè)計(jì)、安全機(jī)制等角度，對(duì)電纜狀態(tài)量采集系統(tǒng)進(jìn)行了整體的設(shè)計(jì)，對(duì)電纜故障識(shí)別進(jìn)行了智能合約的編寫(xiě)。設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電纜狀態(tài)采集和故障診斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)及時(shí)、安全采集和傳輸?shù)墓δ堋脑O(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三方面進(jìn)行了具體闡釋。區(qū)塊鏈對(duì)于電纜狀態(tài)量的采集和故障診斷的提升是全方位、多維度的，構(gòu)成基于區(qū)塊鏈的輸電設(shè)備狀態(tài)量的系統(tǒng)涉及的多種關(guān)鍵技術(shù)，能夠自底向上發(fā)揮其作用，有望從根本上解決狀態(tài)量采集和故障處理面臨的種種挑戰(zhàn)。不過(guò)，目前電力系統(tǒng)區(qū)塊鏈仍然有很長(zhǎng)一段路要走，除了從技術(shù)理論方面展開(kāi)更加深入的研究，還需要在行業(yè)中進(jìn)行更加廣泛的應(yīng)用實(shí)踐。