張林浩，陶 鵬，任 鵬，石振剛

（國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心，河北 石家莊 050051）

0 引言

數(shù)字化主動(dòng)電網(wǎng)建設(shè)提出通過(guò)主動(dòng)管理驅(qū)動(dòng)業(yè)態(tài)與信息技術(shù)數(shù)字化融合，提升業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，對(duì)多主體能源及交易數(shù)據(jù)的交互、隱私保護(hù)等核心技術(shù)提出了更高的要求。作為主動(dòng)電網(wǎng)中數(shù)量最大、覆蓋最廣、與用戶(hù)接觸最密切的末端設(shè)備，電能表承擔(dān)著法制計(jì)量、高效管理和優(yōu)質(zhì)服務(wù)的重要功能。但是，在表計(jì)應(yīng)用及用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，傳統(tǒng)電能表逐漸暴露出管理功能單一、用戶(hù)交互體驗(yàn)差、擴(kuò)展升級(jí)能力低等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)字化主動(dòng)電網(wǎng)建設(shè)需求[1]。

同時(shí)，隨著數(shù)字化主動(dòng)電網(wǎng)中分布式能源、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車(chē)等技術(shù)的快速應(yīng)用，傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，電網(wǎng)主體分散，網(wǎng)絡(luò)信任機(jī)制缺失，難以有效解決電力系統(tǒng)各參與主體的計(jì)量、交互、控制及決策等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表擴(kuò)展功能模組，既可解決傳統(tǒng)電能表不適應(yīng)數(shù)字化主動(dòng)電網(wǎng)發(fā)展要求的矛盾，又可以解決電網(wǎng)中各參與主體計(jì)量、交易過(guò)程中的信任問(wèn)題，促進(jìn)多形式能源、各參與主體的協(xié)同。本文基于國(guó)家電網(wǎng)有限公司提出的新一代智能電能表設(shè)計(jì)理念[2-4]，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表功能模組的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)驗(yàn)證了硬件工作的正確性。

1 智能物聯(lián)電能表模組化架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能物聯(lián)電能表將電能表的計(jì)量部分、管理部分和功能擴(kuò)展部分進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，形成計(jì)量模組、管理模組和擴(kuò)展模組。電能表通過(guò)獨(dú)立的計(jì)量模組進(jìn)行電能計(jì)量，通過(guò)管理模組和功能擴(kuò)展模組實(shí)現(xiàn)相關(guān)擴(kuò)展功能，可在確保計(jì)量功能準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定的前提下，提高表計(jì)的兼容性和擴(kuò)展性，滿(mǎn)足電能表新技術(shù)的發(fā)展需要，為日益多元化、復(fù)雜化的管理需求提供充分的預(yù)留空間。圖1為智能物聯(lián)電能表系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 智能物聯(lián)電能表架構(gòu)

計(jì)量模組硬件包括管理芯片、電池、時(shí)鐘、ESA M 芯片、存儲(chǔ)器、脈沖信號(hào)等，具備法制計(jì)量功能，為保證計(jì)量的準(zhǔn)確可靠，計(jì)量模組可不依賴(lài)其它模組獨(dú)立工作，在結(jié)構(gòu)上采用止逆設(shè)計(jì)，不支持拆卸及軟件升級(jí)。管理模組硬件包括主控芯片、按鍵、藍(lán)牙模塊、ESA M 芯片、存儲(chǔ)器、液晶等，具備數(shù)據(jù)路由分發(fā)和軟件在線升級(jí)功能，負(fù)責(zé)電能表的數(shù)據(jù)管理、模組管理和模組之間的數(shù)據(jù)交互。功能擴(kuò)展模組包括A 型擴(kuò)展模組和B 型擴(kuò)展模組，A 型擴(kuò)展模組主要用于電能表數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)上行和下行通信功能；B 型擴(kuò)展模組主要用于電能表擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)不同的電能表應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選配，例如非介入式負(fù)荷感知、有序充電控制、電能質(zhì)量分析等。

1.2 智能物聯(lián)電能表硬件結(jié)構(gòu)

智能物聯(lián)電能表的硬件結(jié)構(gòu)遵循“模組化”設(shè)計(jì)理念，在保證電能計(jì)量核心功能的同時(shí)，通過(guò)管理模組實(shí)現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)和通信的智能調(diào)度，通過(guò)擴(kuò)展功能模組實(shí)現(xiàn)適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的功能靈活配置。圖2為三相智能物聯(lián)電能表的硬件結(jié)構(gòu)示意。

圖2 三相智能物聯(lián)電能表硬件結(jié)構(gòu)示意

智能物聯(lián)電能表的各模組在結(jié)構(gòu)上獨(dú)立，除計(jì)量模組外，其他模組通過(guò)接插件實(shí)現(xiàn)連接，支持帶電熱插拔操作，在未接入、接入或更換擴(kuò)展模組時(shí)，電能表自身性能、運(yùn)行參數(shù)和正常計(jì)量均不受影響。

1.3 擴(kuò)展模組接口設(shè)計(jì)

擴(kuò)展模組通過(guò)接插件連接至表體，需要通過(guò)合理的接口設(shè)計(jì)和定義實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)。智能物聯(lián)電能表與擴(kuò)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(kuò)展功能模組的接口引腳定義如表1所示。

圖3 擴(kuò)展模組接口示意

表1 擴(kuò)展功能模組接口引腳定義

RXD、TXD 用于擴(kuò)展模組與管理模組之間的數(shù)據(jù)交互，SCLK、MOSI、CS用于擴(kuò)展模組與計(jì)量模組之間的數(shù)據(jù)通信，計(jì)量模組為擴(kuò)展模組提供數(shù)據(jù)支撐，以實(shí)現(xiàn)不同功能。另外，為支持?jǐn)U展模組互換功能，實(shí)現(xiàn)不同功能的擴(kuò)展模組的接口引腳定義應(yīng)保持一致。

2 基于區(qū)塊鏈的模組設(shè)計(jì)

結(jié)合智能物聯(lián)電能表模組化設(shè)計(jì)思路和區(qū)塊鏈技術(shù)，設(shè)計(jì)一種擴(kuò)展功能模組，實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)電能表設(shè)備信息的注冊(cè)上鏈以及數(shù)據(jù)信息的上鏈，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈＋物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)加密和分布式存儲(chǔ)，提升數(shù)字化主動(dòng)配電網(wǎng)中各參與主體之間的可信互認(rèn)。

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈（Block Chain）是一種去中心化的分布式記賬技術(shù)。區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存有一份完整的賬本信息，多個(gè)節(jié)點(diǎn)使用鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)賬本，通過(guò)共識(shí)機(jī)制來(lái)共同維護(hù)賬本。該技術(shù)方案讓參與系統(tǒng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，將一段時(shí)間內(nèi)的交易數(shù)據(jù)“打包”成區(qū)塊（Bl ock），區(qū)塊之間通過(guò)引用哈希值的方式鏈接（Chain）起來(lái)，形成完整的區(qū)塊鏈。節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)哈希值和數(shù)字簽名的驗(yàn)證來(lái)檢驗(yàn)信息的有效性，并將達(dá)成共識(shí)的區(qū)塊放入鏈中。區(qū)塊鏈的主要特征可以總結(jié)為:去中心化，不可篡改，可追溯性，非對(duì)稱(chēng)加密等。以應(yīng)用到智能電能表的角度看，分布式賬本的特征可以實(shí)現(xiàn)用電企業(yè)、家庭，學(xué)校，商戶(hù)等多參與主體在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的查詢(xún)操作，滿(mǎn)足快速檢索、詳細(xì)查詢(xún)和分布式記賬的需求[56]。

信息不可篡改的真實(shí)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(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)后，無(wú)法對(duì)其刪除和修改，用電信息上鏈后就可以實(shí)現(xiàn)信息的不可篡改和便捷追溯，保證參與到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中各主體用電信息的可信性，建立一個(gè)分布式的區(qū)塊鏈電力能源價(jià)值交換網(wǎng)絡(luò)。圖4為集中交易模式和區(qū)塊鏈交易模式示意。

圖4 集中交易模式和區(qū)塊鏈交易模式示意

圖4左側(cè)為集中交易模式，由中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理，若中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將無(wú)法工作；圖4右側(cè)為區(qū)塊鏈交易模式，網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表電力市場(chǎng)主體用戶(hù)，沒(méi)有中心化的概念，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與交易數(shù)據(jù)管理，最終形成平等的交易網(wǎng)絡(luò)。

2.2 基于區(qū)塊鏈的電能表模組設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表擴(kuò)展模組，設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的擴(kuò)展模組設(shè)計(jì)架構(gòu)

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(gè)模組提供工作電源，核心處理器負(fù)責(zé)模組信息處理和命令下發(fā)，電能表串口用于擴(kuò)展模組與管理模組、計(jì)量模組之間的信息傳輸，NB-Io T 通信模塊和射頻天線負(fù)責(zé)模組上行通信，SI M 卡負(fù)責(zé)電能表上鏈時(shí)的身份確認(rèn)。

智能物聯(lián)電能表通過(guò)配置基于區(qū)塊鏈的擴(kuò)展模組，實(shí)現(xiàn)與區(qū)塊鏈的連接，整體系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能物聯(lián)電能表上鏈系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

（1）配置有區(qū)塊鏈擴(kuò)展模組的智能物聯(lián)電能表，通過(guò)模組內(nèi)置SI M 卡加密和身份確認(rèn)，經(jīng)NB-Io T 網(wǎng)絡(luò)連接至區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，完成設(shè)備信息和數(shù)據(jù)信息的上鏈。

（2）應(yīng)用于數(shù)字化主動(dòng)電網(wǎng)，可通過(guò)BaaS（區(qū)塊鏈即服務(wù)）平臺(tái)構(gòu)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，利用主動(dòng)配電網(wǎng)中的云服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，將區(qū)塊鏈框架嵌入云計(jì)算平臺(tái)。

（3）數(shù)據(jù)上鏈后，主動(dòng)配電網(wǎng)中各參與主體可通過(guò)區(qū)塊鏈瀏覽器對(duì)電能表區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)和鏈上數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述內(nèi)容搭建如下測(cè)試系統(tǒng):基于區(qū)塊鏈技術(shù)的擴(kuò)展模組設(shè)計(jì)架構(gòu)，研制模組樣機(jī)（圖7），并安裝至國(guó)家電網(wǎng)有限公司統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的智能物聯(lián)電能表中，通過(guò)NB-Io T網(wǎng)絡(luò)連接至中國(guó)聯(lián)通雄安BaaS平臺(tái)，同時(shí)開(kāi)發(fā)區(qū)塊鏈瀏覽器，對(duì)智能電能表區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化展示，見(jiàn)圖8。

圖7 基于區(qū)塊鏈的智能物聯(lián)表擴(kuò)展模組樣機(jī)

圖8 智能物聯(lián)電能表區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可視化展示

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能:

（1）智能物聯(lián)電能表設(shè)備信息和數(shù)據(jù)信息的上鏈，上鏈數(shù)據(jù)通過(guò)區(qū)塊鏈交易操作，安全存儲(chǔ)在分布式賬本中，并存儲(chǔ)于每一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器；

（2）區(qū)塊鏈瀏覽器可選擇特定的節(jié)點(diǎn)服務(wù)器進(jìn)行賬本區(qū)塊數(shù)據(jù)監(jiān)控，通過(guò)解析區(qū)塊數(shù)據(jù)，可將智能物聯(lián)電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自身數(shù)據(jù)庫(kù)，供授權(quán)用戶(hù)查詢(xún)注冊(cè)表計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)和上鏈數(shù)據(jù)。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表在數(shù)字化主動(dòng)電網(wǎng)中將具備廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，其應(yīng)用價(jià)值至少包括:

（1）基于區(qū)塊鏈＋物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)加密和分布式存儲(chǔ)，使供電企業(yè)的數(shù)據(jù)更容易被參與流程的各方信任；

（2）區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)屬性決定了網(wǎng)絡(luò)中各參與方無(wú)法使用非授權(quán)方式訪問(wèn)、記錄、篡改交易數(shù)據(jù)；

（3）隨著物聯(lián)網(wǎng)交易自動(dòng)化發(fā)展，基于區(qū)塊鏈的智能物聯(lián)表可以實(shí)現(xiàn)交易自動(dòng)化，交易過(guò)程不受干擾；

（4）利用區(qū)塊鏈＋物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，供電企業(yè)可以在不侵犯隱私或產(chǎn)生數(shù)據(jù)泄露的前提下，通過(guò)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，刻畫(huà)消費(fèi)者需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表功能擴(kuò)展模組設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了智能物聯(lián)電能表數(shù)據(jù)上鏈系統(tǒng)。最后通過(guò)樣機(jī)和測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能物聯(lián)電能表擴(kuò)展模組的兼容性和正確性，同時(shí)驗(yàn)證了智能物聯(lián)電能表數(shù)據(jù)上鏈系統(tǒng)的功能性。隨著數(shù)字化主動(dòng)電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)和落實(shí)，作為網(wǎng)絡(luò)中重要的計(jì)量、感知、控制設(shè)備，智能物聯(lián)電能表通過(guò)靈活配置擴(kuò)展功能模組，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可信互認(rèn)、分布式存儲(chǔ)等各項(xiàng)功能，滿(mǎn)足數(shù)字化主動(dòng)電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景的需求。