区块链在电力设备泛在物联网的应用关键技术及方案
发布日期：2019/11/29
区块链作为分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术的集成应用，被认为是继大型机、个人电脑、互联网之后计算模式的颠覆式创新，在全球范围酝酿着一场新的技术革新和产业变革。
区块链技术与物联网的融合创新被认为是天作之合，一方面，借助物联网设备的物理防篡改，有助于实现区块链数据从链下到链上的“过程可信”；另一方面，区块链将各自分离、协议不同的物联网网络链接在一起，并通过安全机制、智能合约等，形成跨系统跨边界的数据共享协作新模式。
基于传统中心化分布式网络结构的电力设备泛在物联网，在即将到来的亿级海量终端设备接入时，在网络承载容量、服务器负荷、数据安全等面临着巨大的挑战。具有去中心化、去信任和数据加密特点的区块链技术为解决这些问题提供了契机。本文将阐述如何利用区块链思维将区块链技术与物联网相结合，在网络结构、降低成本、建立可信、多主体协作和边缘计算等方面提高电力设备泛在物联网的性能。并针对性能、存储、能源消耗等一系里潜在问题给出了改进方案。
研究要点
1、区块链技术
区块链是一种去中心化的分布式数据库，没有中心，区块链中的每个节点都会同步复制整个账本，信息透明难以篡改。区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。
需要指出的是，比特币只是区块链技术的一种应用成果，区块链并不等于比特币。区块链的发展必须跳出“比特币区块链”的思维和定式，转而注重运用相关技术解决现实世界的实际问题，充分发挥区块链的积极作用：
（1）“去中心”只是比特币区块链的特点，并不代表所有的区块链都必须是去中心的“公有链”不是区块链的必要内容。区块链也可以在私有计算机群上中心化独立运行，或者吸引一定的合格参与者加盟，形成由加盟者计算机组群共同运行的半中心化“联盟链”运行体系。
（2）比特币等网络系统内生“币”，与区块链并不是密不可分的
区块链不一定需要像比特币这样的激励机制，即可以转变区块链的运行重心：从聚焦于“挖矿”产生“数字加密货币”，转变为强化对资产合法性、真实性、准确性以及交易双方身份的真实性、准确性的验证，进而将区块链融入到现实世界之中，真正解决现实世界的实际问题，并充分满足国家法律和监管要求，避免成为非法交易、恐怖输送等的工具。
2、输变电设备泛在物联网存在的问题
输变电设备物联网平台建设方案中，海量传感器获取的感知数据将通过汇聚节点上传至接入节点，并最终通过网络层的接入控制器和控制网关进入云平台的服务器。该方案本质上仍是一个中心化的分布式网络结构，当面临数以亿计的物联网终端设备接入和数据传输时面临着一些关键性挑战。一方面，支持海量终端传感器和信息的接入与服务请求响应是将来的必然需求，中心化服务使得其服务器、数据库的负荷急剧增加乃至难以为继。另一方面，传统物联网在数据安全、隐私保护和认证和访问控制方面受到威胁。
3、区块链技术与电力设备泛在物联网融合
本文提出利用区块链思维来改进电力设备泛在物联网的建设：
（1）利用区块链中“去中心化”这一核心思想来解决“中心化”所固有的容量不足、成本高企和信任度低等问题。
（2）平衡“去中心化”与“中心化”，实现ABCD，即人工智能、区块链、云计算和大数据（AI, Blockchain, Cloud computing,big Data, ABCD）的交叉与融合。
（3）采用智能合约实现去中心化环境下的多主体协作。
在区块链思维指导下，本文提出了一种基于区块链的电力设备泛在物联网系统架构，如图1所示，由海量终端传感器、区块链网关、区块链、云平台等组成。
图1 基于区块链的电力设备泛在物联网建设架构
4、关键技术
（1）分区并行高通量联盟链设计
泛在电力物联网一个特性是便于划分片区。小到一个变电站，站内安装的局部放电、气体组分、温湿度、视频、红外等所有传感器，依托于汇聚节点或接入节点构建成一个小的区块链。若干变电站间再通过接入控制器或接入网关构建一个更大范围的区块链。这样就将原始的区块链切分为很多分区，交易记录将在不同分区并行处理。因此，可将图1所示架构改进为图2所示的分区并行联盟链。根据区域或业务对电力设备泛在物联网进行合理分区即并行化处理，再通过跨链互联节点在互联链中与云平台节点进行数据及服务交易。片内交易时的共识机制采用流水化技术优化效率，并通过随机轮换记账节点集合机制进一步提升效率，从而最终构建一个更适用于电力设备泛在物联网的分区并行高通量联盟链。
图2 分区并行高通量联盟链结构
（2）共识算法的改进
资源消耗大是限制区块链应用的重要因素之一，传统基于挖矿的记账权竞争方式就是典型的对自由消耗巨大的共识机制，应用于物联网时需要进行针对性的优化。基于投票的共识机制（如PBFT算法），并通过分组的方法进一步提高效率，可有效减少资源消耗并提升交易速度及吞吐量，更适用于泛在电力物联网环境。
（3）泛在物联网下的智能合约
智能合约在本文提出的电力设备泛在物联网中起着打通节点间的数据及协作壁垒的关键作用。以一个简单的应用来说明其运行机制。假设智能合约部署了一个母线温度数据的报警阈值，当某传感器发起数据交易时，数据首先被物联网网关发送到区块链中的智能合约中，智能合约判断该数据是否为温度数据及是否超过阈值，并将结果发送给约定的物联网网关或是云平台。同时，智能合约将数据广播至全网络，完成后续的数据交易流程。
（4）加密算法
目前主要的大区块链平台使用的加密算法多采用国际标准，如SHA256等。从国家安全角度来讲，数据安全在泛在电力物联网建设之初就应当被纳入考虑范围。在电力设备泛在物联网中开发基于国密算法的区块链平台，可有效保障泛在电力物联网数据的安全保密。
（5）数据压缩
参与维护区块链的各节点需要在本地存储一份账本。随着数据交易的进行，数据膨胀不可避免。结合基于区块链的电力设备泛在物联网系统架构，可将硬件性能更强的接入网关或接入控制器划分为重型节点，而性能稍弱的汇聚节点或接入节点划分为轻型节点。重型节点将存储区块链的全量数据，而轻型节点只存储Merkle根节点的256哈希值，即只参与交易验证，不存储数据。
结论
（1）区块链系统与传统的信息系统相比，其中心化和区域数据共享机制涉及多个电力系统的业务本部门，对安全性的要求难度也更大，区块链系统的建立、安全和防攻击需要大量的协同工作和技术攻关。
（2）任何一个好的技术或者工具都需要被正确使用才能发挥更大的价值。区块链系统要消耗大量的资源进行分布式存储和处理，集中式管理成本更低，如何权衡系统的综合效能、分析不同场景的应用效果、发挥区块链的使用价值还需要深入细致的研究工作。
（3）电力专业人员目前对区块链技术的基本概念、实现方法、应用价值认识不足，而区块链技术在电力设备物联网中应用需要高电压、电力系统、计算机和信息处理等专业的深度融合，通过创新性思维和开创性的研究工作才能发挥作用，交叉学科人才的缺乏可能影响技术发展和应用。
来源：高电压技术 作者：江秀臣，罗林根，余钟民，傅晓飞
