区块链技术在电力设备信息模型中的应用研究

程冬玲 庞灵

摘   要：IEC61850标准作为变电站综合自动化系统公认的国际标准，变电站信息模型数据、配置数据等采用XML进行描述，描述数据一般都是集中式的数据管理。该标准最重要的优势之一就是可实现设备的自动添加、删除、更新等操作，但设备变更记录追溯依赖于传统的数据库查询技术。集中式数据管理的安全性、变更记录的可信度都存在隐患和缺陷。文章利用区块链技术在去中心化、安全性、可信性方面的优势，将其应用于变电站信息系统模型，提高变电站的安全性和稳定性。

关键词：IEC61850;区块链;可扩展标记语言

当前，能源互联网相关技术快速发展，要求能源相关的交易信息、设备信息、人员信息等能实现快速互联互通。其中，设备信息是构成能源互联网信息的最主要组成部分，需要智能电网相关技术中的智能设备连接到互联网中。IEC61850标准作为智能变电站综合自动化标准，是保证变电站设备连接能源互联网的重要依据，该标准中对变电站智能设备及其配置参数的描述均采用可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）的形式描述，形成的XML数据集一般采用传统集中式的数据管理方式，然后通过数据中心将设备信息连接到能源互联网，当设备发生变化，如添加、删除、修改设备，或发生顺序事件、保护事件等信息，可依据传统数据库查询技术确定相关对象[1]。

采用集中式的数据管理方式，一旦数据中心遭受攻击，系统稳定性和数据安全性都会受到很大威胁，是中心化数据管理方式的固有缺陷。另外，对电力设备的变化过程和事件记录要求具有可追溯性和不可篡改性，而依据传统数据库管理方式无法保证这一点。本文结合区块链技术本身去中心化、安全性、可信性、透明性、公平性以及公开性的特点，将描述变电站设备的XML数据、设备变化记录、设备事件记录等信息，存储在基于分布式区块链网络中，保证数据的安全性、可追溯性、不可篡改性，使能源互联网系统安全、稳定地运行。

1    IEC61850设备信息模型

在IEC61850信息模型中，各种设备按照面向对象的方式进行管理，其中，逻辑设备（Logic Device，LD）是信息系统中最主要的管理对象，是其他对象的父类。逻辑设备的子类逻辑节点（Logic Node，LN）又是由许多数据类（Data Class，DC）组成的，数据类又是由许多通用数据类（Common Data Class，CDC）组成的[2]，如图1所示。

利用XML技术对IEC61850信息模型进行描述，然后再利用XML数据库对其进行存储和管理，形成与图1结构类似的XML结构。具体过程如下：首先，参照数据类型模板展开模型中的所有节点。其次，依据ACSI中的数据类型对最后一层元素（DA）的类型属性进行定义，通过编码实现DA类型到MMS类型的映射并使用编码填充DA的内容;最后，对设备变化、设备事件记录等数据的查询，依据传统的XML数据库存储技术进行检索。

2    区块链技术

区块链概念最早出现在2008年比特币白皮书中，共识算法和智能合约是其核心技术。共识算法主要用来解决在分布式节点传输信息时保持数据一致的问题，即共识问题。目前常见的共识算法有工作量证明（Proof of Work，PoW）、权益证明（Proof of Stake，PoS）、委托权益证明（Delegated Proof of Stake，DPoS）、实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）、PAXOS，RAFT等，主流共识算法可大致分为3类：挑战证明、权益证明和协商证明。区块链智能合约作为数字形式的一套承诺，由合约参与者的一系列用于执行承诺的协议组成，具有以下主要特性。

（1）数据具有透明性：所有区块链中使用的数据都具有公开透明性，这使得智能合约对于这些数据的处理也同样具有透明性，所有参与者均可对它的数据和代码进行查看[3]。

（2）数据具有不可篡改性：智能合约中的代码及其数据是部署在区块链上的，这就保证了所有节点上任何数据的非法篡改都是无效的。

（3）智能合约永久运行：区块链中节点数量通常是很多的，偶发的个别节点运行失效不会造成整个合约的终止，这就保证了理论上智能合约是永久运行和永久有效的。

3    区块链技术应用于电力设备信息模型

当前，描述变电站设备的XML数据一般存储于中心数据库，将区块链技术应用于原有信息模型要做的第一步工作就是解决数据采集、上传、读取的问题，为了节省成本、快速实施区块链应用，考虑将原信息模型的适当节点作为区块节点，实现设备数据、配置数据、变化数据的区块生成，在原有信息模型网络内与能源互联网区块节点共同构成区块链网络，形成变电站内部与能源互联网外部的区块链使统一分布式网络，在宏观和微观角度均保证数据的安全性，如图2所示。

考虑到原信息节点的计算能力和网络通信能力，未采用挑战证明和协商证明的共识算法，而是采用授权股权证明机制作为共识算法，可将节点的设备数作为权益参考，进而实现电力设备XML数据的分布式存储，解决去中心化的问题。通过建立电力设备智能合约，解决设备变更信息、设备事件信息的合法性、透明性、可追溯性、不可篡改性等问题，为实现上级部门对设备变更、事件等信息的监管提供依据。

4    结语

本文将区块链技术应用于IEC61850定义的变电站设备信息模型系统中，利用区块链技术去中心化、不可篡改、可信度高、安全的共识算法的特点，将原标准中基于XML的集中式的数据存储方式改进为基于区块链的去中心化的分布式存储方式，利用区块链的共识算法、智能合约解决设备变更、事件记录的可信性、安全性和可追溯性問题，为保障智能电网数据的安全性、稳定性、可信性提供了一定思路。当然，区块链技术在处理速度上存在一定缺陷，无法保证电力设备信息采集、传输的实时性，因此，本方法在实际系统中的应用需要进一步研究和验证。

[参考文献]

[1]张勇，贾德顺，邹国惠，等.XML数据库在IEC61850装置实时数据库中的应用[J].电力系统自动化，2013（20）：132-135.

[2]朱永利，王新颖，程冬玲.基于本体的风电场信息模型的OWL描述[C].北京：北京地区高校研究生学术交流会通信与信息技术会议，2007.

[3]王洁，张海霞，张沛沛.基于区块链技术的智能合约特征及其会计应用研究[J].中国商论，2019（11）：192-193.