余 敏，彭家從，柏 帆，吳佩穎

（國網浙江省電力有限公司寧?？h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(fā)展十分重要，但在現有的供電公司監(jiān)控體系中，對電能的監(jiān)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(jiān)控措施，當發(fā)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(yè)健康發(fā)展的必要前提[1]。因此為解決這個技術難題，區(qū)塊鏈技術的發(fā)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(qū)塊鏈推動產業(yè)創(chuàng)新”主張的提出，區(qū)塊鏈技術的發(fā)展已成必然[2]。為此，該研究欲借助區(qū)塊聯(lián)盟鏈技術來解決分支箱監(jiān)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(jiān)測環(huán)節(jié)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(tǒng)的不完善，雖然電纜分支箱是配電網的重要環(huán)節(jié)，但目前關于分支箱運行和監(jiān)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(fā)現、處理故障，亟需提高分支箱監(jiān)測的智能化水平，實現對分支箱監(jiān)測數據價值的深度挖掘?；诖?，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(jiān)測運維方面，由于目前分支箱監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)，通過借助環(huán)境溫度、線路情況及電能狀態(tài)等信息，增強系統(tǒng)功能，進而促進電網運行的可靠智能。為實時監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)，促進了工作效率的提高。文獻[6]結合分支箱監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)“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(tǒng)中地位和作用的提高，為幫助供電企業(yè)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(lián)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(tǒng)用電采集系統(tǒng)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(tǒng)優(yōu)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(tǒng)運行的穩(wěn)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(qū)塊鏈技術和工業(yè)物聯(lián)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(qū)塊鏈技術設計了一種能源互聯(lián)網調度平臺，從利益主體、數據結構等角度優(yōu)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(jiān)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(qū)塊鏈與分支箱監(jiān)測數據的融合仍不夠密切。但縱觀國內外相關研究發(fā)現，區(qū)塊聯(lián)盟鏈技術的去中心化、可溯源、不可篡改等優(yōu)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(jiān)測數據的優(yōu)化管理。為此，該研究將對區(qū)塊聯(lián)盟鏈視角下分支箱監(jiān)測數據管理機理進行兼容性分析；再構建基于區(qū)塊聯(lián)盟鏈的智能化分支箱數據分析模型，闡明系統(tǒng)內部運行機理；最后通過搭建基于區(qū)塊聯(lián)盟鏈的智能化分支箱數據管理系統(tǒng)來實現分支箱監(jiān)測數據的高效采集存儲以及精準溯源。

2 區(qū)塊聯(lián)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(jiān)測數據特征分析

作為電網進行入戶的最后環(huán)節(jié)，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(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)獨立于現有供電公司監(jiān)控體系之外，在運行過程中缺少必要的數據質量監(jiān)控及清洗等預處理環(huán)節(jié)，最終導致了分支箱監(jiān)測數據的冗余、多源性。同時，在分支箱數據監(jiān)測系統(tǒng)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(jié)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(jiān)測系統(tǒng)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(qū)物業(yè)、用戶等多方利益主體，但目前的分支箱數據監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測數據的“信息孤島”現象，從而加劇了監(jiān)測數據多源異構性問題。通過對分支箱數據監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)測數據的優(yōu)化管理和潛在價值的挖掘。

2.2 區(qū)塊聯(lián)盟鏈與分支箱數據管理系統(tǒng)的兼容性分析

區(qū)塊鏈技術是“互聯(lián)網+”思維延伸，其去中心化、可溯源、不可篡改等技術優(yōu)勢適用于智能化電網數據系統(tǒng)多方領域[16-17]。其中，聯(lián)盟鏈作為集合了公有鏈和私有鏈優(yōu)點的一種區(qū)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(lián)盟鏈在進行維護時，僅選取部分節(jié)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(tǒng)的技術框架搭建過程，能夠有效解決分支箱監(jiān)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(lián)盟鏈技術與智能化分支箱數據管理系統(tǒng)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(qū)塊聯(lián)盟鏈與智能化分支箱數據管理系統(tǒng)的兼容性分析

3 基于區(qū)塊聯(lián)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(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平和抗干擾能力時刻影響系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，進而對后期監(jiān)測數據的智能分析效率產生影響。因此，為提高分支箱監(jiān)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(jiān)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(qū)塊聯(lián)盟鏈技術等相關知識，構建了一種基于區(qū)塊聯(lián)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(jiān)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(qū)塊。然后，再將新建的區(qū)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(qū)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(jiān)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(tǒng)；這些系統(tǒng)往往獨立運行，缺乏協(xié)同性，進而導致分支箱監(jiān)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(jiān)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(jiān)測數據進行預處理。

智能合約是基于區(qū)塊鏈可編程性的基礎上設計的，基于區(qū)塊聯(lián)盟鏈的智能化分支箱數據管理系統(tǒng)中存有多種智能合約，包括節(jié)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(tǒng)根據自身功能需求發(fā)起，由眾多管理節(jié)點共同負責管理與維護，其在被發(fā)起節(jié)點部署運行后，便開始自動執(zhí)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(guī)定了數據交易的預定義狀態(tài)、觸發(fā)條件、轉換規(guī)則、違約條件及責任等，基于區(qū)塊聯(lián)盟鏈的智能化分支箱數據管理系統(tǒng)內部智能合約運作流程如圖2 所示。系統(tǒng)將通過智能合約對分支箱監(jiān)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(qū)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(qū)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(tǒng)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(jiān)測數據進行融合加密，即利用區(qū)塊聯(lián)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(tǒng)一和數據的融合。分支箱監(jiān)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(jiān)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(tǒng)的智能合約方案，將監(jiān)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(jiān)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(qū)塊聯(lián)盟鏈的數據管理系統(tǒng)中，進而實現對分支箱監(jiān)測數據的融合處理。

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

區(qū)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(qū)塊體主要存放分支箱監(jiān)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(jiān)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(jié)點則會將密文和公鑰封裝成一個新區(qū)塊；其余節(jié)點根據該區(qū)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(qū)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(huán)境因素等都會造成分支箱監(jiān)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(tǒng)對無效或缺失的數據進行重新采集，用以保障分支箱監(jiān)測數據的真實完整。

為此，智能化分支箱數據管理系統(tǒng)實現對監(jiān)測數據的融合加密后，將由網絡節(jié)點共同對數據進行維護，如圖4 所示。當一個箱體節(jié)點產生新區(qū)塊時，會將該區(qū)塊在系統(tǒng)內廣播，并散播至其余各節(jié)點；其余節(jié)點將根據接收區(qū)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(jié)點；當管理節(jié)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(tǒng)廣播，直至最終將該區(qū)塊鏈接到自身主鏈上；同時其余節(jié)點賬本也將進行同步更新。合法區(qū)塊一旦完成上鏈過程，節(jié)點即會進行下一輪運算。區(qū)塊節(jié)點的集體維護增強了分支箱數據管理系統(tǒng)的抗干擾能力，能將系統(tǒng)存儲信息的失真概率降至最低，進而提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

圖4 智能化分支箱數據維護流程

4 基于區(qū)塊聯(lián)盟鏈的智能化分支箱數據管理系統(tǒng)開發(fā)

4.1 智能化分支箱數據管理系統(tǒng)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(fā)工具，在jdk-8u211-windows-x64、apache-tomcat-8.5.55-windows-x64 等運行環(huán)境下進行基于區(qū)塊聯(lián)盟鏈的智能化分支箱數據管理系統(tǒng)的開發(fā)構建。在本地部署區(qū)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(tǒng)的運行流程，系統(tǒng)程序的初始化運行如圖5 所示。此外，當系統(tǒng)程序顯示初始化運行正常后，還需通過外接baidu-map實現系統(tǒng)地圖的下載，如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)程序運行初始化

圖6 系統(tǒng)地圖下載程序

由于該研究是基于區(qū)塊聯(lián)盟鏈技術特性而構建的智能化分支箱數據管理系統(tǒng)，為防止數據被非法盜用，該系統(tǒng)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(tǒng)的登入界面，進行用戶賬號的登錄操作，進而在相應的系統(tǒng)操作界面實行系統(tǒng)功能的操作過程，系統(tǒng)登入與顯示界面如圖7 和圖8 所示。在系統(tǒng)操作界面，供電公司員工可根據工作需要對分支箱監(jiān)測數據信息進行下載應用，診斷分支箱節(jié)點處線路運轉狀況以及箱體自身情況，維護系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

圖7 系統(tǒng)登入界面

圖8 系統(tǒng)操作界面

4.2 智能化分支箱數據管理系統(tǒng)信息存儲

為驗證底層區(qū)塊鏈網絡系統(tǒng)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(qū)為監(jiān)測節(jié)點，構造了一種基于區(qū)塊聯(lián)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(tǒng)操作界面時，需先進行設備節(jié)點ID 的注冊存儲，完善分支箱節(jié)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(jiān)測終端等設備的實時監(jiān)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(qū)塊的形式存入區(qū)塊鏈中，那么這些數據則被認定為合法數據區(qū)塊，無法再被篡改，管理員可通過后臺數據庫查看所有的區(qū)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(tǒng)網絡的開發(fā)運行，證實了系統(tǒng)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(jiān)測數據區(qū)塊信息

圖12 節(jié)點設備存儲信息列表

4.3 智能化分支箱數據管理系統(tǒng)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(jiān)測數據信息，操作人員可從系統(tǒng)的操作界面中查詢相應箱體節(jié)點處的狀態(tài)信息，包括在線狀態(tài)、箱門開關、門磁狀態(tài)、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(jié)點的溫濕度監(jiān)控及負責人圖像采集信息如圖14 所示。

圖13 分支箱設備監(jiān)測數據信息

圖14 箱體節(jié)點的溫濕度監(jiān)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(tǒng)以區(qū)塊鏈網絡作為底層架構，增設負責人圖像取證環(huán)節(jié)，在提升分支箱監(jiān)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(qū)物業(yè)、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(tǒng)功能驗證表明，基于區(qū)塊聯(lián)盟鏈的智能化分支箱數據管理系統(tǒng)能夠滿足供電公司對于分支箱監(jiān)測數據應用的安全透明、可追溯、不可篡改以及易監(jiān)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(wěn)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(jiān)測體系中，監(jiān)測對象只截止到箱式變電站，對于用戶側分支箱的數據監(jiān)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(qū)塊聯(lián)盟鏈技術以及Sql Server 2008 等開發(fā)工具，提出一種基于區(qū)塊聯(lián)盟鏈的智能化分支箱數據管理系統(tǒng)，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(jiān)測與存儲。經過研究驗證表明，該系統(tǒng)能夠準確地實現分支箱監(jiān)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(huán)節(jié)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(fā)現，該研究設計的系統(tǒng)尚有不完善之處，單個節(jié)點的部署步驟仍較為繁瑣，若在未來投入企業(yè)級應用，還需對此進行深入研究，將節(jié)點部署過程簡化，提高效率。