基于区块链技术的配电网分布式台区终端系统设计

甄自竞，刘 柱，王利民，宋泽华

（1.电力规划总院有限公司，北京 100032；2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 102200；3.国网国际发展有限公司，北京 100032）

0 引言

区块链技术自问世以来，一直受到广泛的关注。区块链技术本质上是一种由多个节点共同参与维护的分布式账本技术，可以实现数据的分布式存储、在多个主体之间建立信任机制以及保证数据不可篡改等功能。随着区块链技术原理、共识机制和应用研究方面的发展，其在金融、物联网、分布式存储、能源等领域的应用更加深入和广泛[1-4]。在能源领域，对于区块链技术的应用探索主要集中在分布式能源交易[5-9]、虚拟电厂调度[10]、数字身份认证[11]以及数据的去中心化存储[12-15]等方面。文献[5-6]建立了以区块链技术为基础的去中心化交易系统来满足电力系统日趋复杂的交易场景。文献[7]提出采用异构区块链技术来解决跨链通信问题，并在此基础上构建了多能交易系统。文献[8]采用运行在区块链上的智能合约来执行充电站的购电策略，达到降低购电成本的目的。文献[9]提出了基于区块链技术的微网能源交易机制。文献[10]将区块链技术引入到虚拟电厂的调度运行当中。文献[11]利用区块链技术来对电力系统的资产数据、安全数据进行分布式存储，优化数据存储模式。

目前将区块链技术应用于配电网数据存储的研究相对较少，文献[12]虽然提出配电网数据池的构想，但是侧重于管理架构的创新，并未将区块链技术和配电网台区设备相结合，无法从根源上确保配电网台区数据的完整和有效。文献[13]提出了将区块链技术和电力物联网设备相结合的构想，但并未进一步给出详细的技术方案和系统的运行机制。

现行的配电物联网的总体架构如图1 所示，台区终端在架构中属于感知层部分，负责将智能电表、故障诊断设备、开关设备等台区设备所采集的数据进行收集，做初步处理后上送到平台层的云主站端，云主站对数据进行存储，并将数据提供给应用层。现行的配电物联网总体架构本质上是一种中心化的数据存储和处理模式，会带来以下三方面问题：

图1 配电物联网总体架构

（1）过于中心化

在现行架构中，所有台区的数据最终都要汇总并且存储到云主站端，主站是整个系统的核心，系统功能的实现依赖于云主站的正常运行，一旦主站发生故障，会导致整个系统瘫痪。同时，虽然配电终端具备一定的数据存储能力，但是如果某个台区对应的终端和主站发生故障，则重要数据仍然会丢失，无法真正实现数据的去中心化存储。

（2）无法保证安全性

在现行架构下，所有台区数据均存储在主站中，而主站端的数据备份数量有限，如果主站遭受恶意攻击，导致数据被篡改或丢失，数据的安全性难以得到保证。

（3）不适用于分布式能源交易

去中心化能源交易概念的提出和微网技术的成熟，使得不同台区的分布式能源之间实现“点-点”的去中心化交易成为可能，也将成为未来分布式能源的主要交易方式之一。而现有中心化架构并不适用于分布式能源的去中心化交易方式。

上述问题产生的实质在于现行配电物联网数据存储架构过于中心化，而采用区块链技术将台区数据进行分布式存储可以一定程度上弥补中心化存储的问题。本文遵循这个思路提出基于区块链技术的分布式终端系统，试图将区块链技术和电力物联网技术相融合，构建配电网数据主链，确保台区数据的安全、有效和不可篡改。本文将对分布式终端的系统架构、共识机制和运行机制做出详细的说明。

1 分布式终端系统架构

分布式配电网终端系统主要由配电网台区终端构成，由配电网所有的台区终端作为节点共同组建成区块链网络，台区终端之间通过无线专网/公网实现端-端通信，台区终端收集到的数据除了向主站上送外，其中重要的数据也会传输给全网其他终端；同时配电网台区数据以区块链的形式存储在所有台区终端中，由此可以在配电网终端间建立起端-端通信和分布式存储的架构。分布式终端系统在终端之间建立端-端通信通道，终端之间的通信不再需要经过主站，当主站发生故障或者不稳定时，台区重要数据仍能在终端间进行传输，确保系统不会瘫痪；同时由于台区数据采取分布式存储的模式，使得每一台终端内都有相应数据备份，在主站遭受恶意攻击或者人为篡改后，所有终端保存着完整的数据备份，并且数据采用的是链式数据结构，从而保证了数据不会丢失和被篡改，大大提高了数据的安全性。

需要说明的是，目前配电终端数据存储能力是有限的，因此本文所提出的系统中，分布式台区终端系统并不具备存储大量台区实时数据的条件，需要根据台区具体需求来确定储存的数据内容。根据目前的台区终端试点和工程实际来看，可以将分布式能源的交易数据、终端数字ID、台区停电信息、台区设备故障信息和台区用电量等较为重要的数据采用区块链技术进行存储，而实时性要求较高的数据，例如实时电压、电流等还是需要上送到云主站进行存储。

从这个角度而言，本文提出的分布式配电网终端系统是对现行中心化数据存储模式的补充，将台区最为重要的数据进行去中心化存储，用来解决中心化存储的缺点，而不是彻底取代现有中心化模式。两种模式相辅相成，才能更好发挥配电网台区终端的作用，在保证配电网台区数据实时性的同时，确保数据的真实性和可靠性。随着电力物联网技术的发展，台区终端的计算能力和存储能力也在不断增强，未来分布式终端可以存储的台区数据内容也将会更加丰富。

1.1 配电网台区终端

在本文所提出的分布式终端系统架构中，台区终端是核心，每一个台区终端都作为完整节点共同参与区块链网络的维护当中。作为区块链网络的节点，需要存储整个区块链网络的主链数据，因此相比于现行架构中处于感知层的终端，分布式终端系统中的终端不仅需要收集数据，还需要具备更强的数据存储能力和计算能力。

1.2 端-端通信机制

在分布式终端系统中，终端间的通信不再需要经过云平台，通过制定端-端通信协议，并在终端之间建立通信通道就可以确保终端之间实现端-端通信机制，使得整个系统的运行不再依赖于某几个中心节点，实现了真正意义上的去中心化。

终端收集到其对应台区的数据后，需要向整个系统中其他终端传输该数据，这个过程称为全网广播。当一个终端收到其他终端的数据时，需要将该数据进一步传输给相邻终端，这个过程称为转发。终端A 收集到其对应台区的数据后，进行全网广播，终端B 收到终端A 传输的数据，立即转发给终端C 和D，终端C 和D 再转发给相邻终端。由此，当某个终端需要向全网其他终端传输数据时，只需先转发给自己的相邻终端即可，由其相邻终端再进一步转发，从而使得全网所有终端都收到该数据。

1.3 配电网主链

分布式终端系统中的台区数据以区块的方式进行存储，每一个区块由区块头和台区数据列表构成，区块头又包含区块版本、前一个区块的哈希值、该区块的创建时间，台区数据列表包含该区块所存储的台区数据，区块之间通过哈希值相连接，形成链式的数据结构即配电网主链，如图2 所示。每过一段时间都会有新的区块产生，这段时间内台区数据将会存储在新的区块上，新区块通过在区块头中记录上一个区块的哈希值来连接到主链上。当一个终端将一段时间的台区重要数据和上一个区块的哈希值按照区块的结构形成新的区块并连接到主链时，称之为打包。

图2 配电网主链

1.4 软件和硬件实现方案

目前终端硬件主要由交采板、主控板和通信模块组成，交采板主要包括交采芯片，用于台区数据的采集；主控板包括主控芯片，内嵌操作系统和各种嵌入式APP，是整个终端的核心组件；通信模块包括载波通信模块和无线通信模块等。硬件方面需要新增一个可信芯片，作为终端区块功能的硬件载体。

软件层面，终端采用的是软硬件解耦的设计方式，通过在主控芯片上的嵌入式APP 来确保终端功能的实现。分布式终端系统中，需要保证终端具备端-端通信功能、区块生成功能和区块广播功能。为此需要开发区块数据APP 来保证上述功能的实现，区块APP 需要嵌入到可信芯片上。

2 共识机制选取

在区块链系统中，为了维护系统安全，会采用共识机制来激励节点进行记账，一个节点只有在和其他节点的竞争中胜出才拥有将一段时间内交易信息打包的权利，即记账权。在分布式终端系统中，如果采用工作量证明机制或者权益证明机制，将会造成大量计算资源的浪费，影响终端其他功能，为此本文提出一种基于可信芯片的POR（随机数证明）机制，计算功能由可信芯片完成，并不占用主控板的系统资源，可信芯片中内嵌区块APP，使得终端具备生成区块、广播区块、验证区块等功能。在系统运行过程中由可信芯片内嵌入的区块APP 来运行可验证随机数生成程序，不同终端生成随机数的时间是不同的，用时最短的终端会被选为记账节点，由于芯片是可信的，并且随机数生成的时间也是随机的，因此，并不需要消耗大量计算资源对记账权进行竞争，从而可以更快地在系统内实现共识，降低对计算资源的消耗。当其他终端收到该新区块时需要对随机数进行验证，验证通过则其他终端会将新区块写入主链，此时整个配电网主链更新完毕，随后再运行随机数生成程序生成新的随机数，来确定担任下一个记账节点的终端。

为了证明随机数证明机制的优越性，从传播时间、吞吐量和CPU 占用率这3 个维度对POW（工作量证明）、POS（权益证明）和POR 进行对比。仿真系统见参考文献[14-15]，仿真系统是由多个终端组成的区块链网络，其中每个终端都作为区块链网络中的一个节点，在进行仿真时，分别选取100，200，300，400，500 个节点这5 个层次的网络规模来对比3 种共识机制，仿真系统基于ns3 开源程序编写，可用于模拟不同网络规模下区块链网络的区块生成和传播过程。

2.1 区块传播时间

传播时间是指一个新区块生成后，新区块传播到全网所有节点的时间。仿真系统模拟不同网络规模下分别采用3 种共识机制的系统运行情况，图3 给出了区块传播时间的仿真结果。

图3 区块传播时间对比

由图3 可知，采用POR 的系统区块传播时间显著小于采用POW 和POS 的系统，意味着POR机制可以更加迅速地形成共识，系统运行效率更高。

2.2 吞吐量

区块链系统的吞吐量是指一个区块链系统每秒所能处理的交易数量，是区块链系统的重要性能指标，吞吐量越高，意味着系统处理数据的效率越高。在分布式终端系统中，吞吐量特指系统每秒所能处理的台区数据数量。图4 给出了采用3 种不同机制的系统吞度量对比结果。

图4 系统吞吐量对比

从图4 中可以看出，采用POR 共识机制的系统吞吐量明显高于POW 和POS，而且随着系统节点数的上升，POR 吞吐量下降并不明显，说明采用POR 的系统运行效率更高，相同时间内能处理的数据量更大。

2.3 CPU 占用率

采用不同共识机制，对终端主控板的CPU占用率也不一样，图5 中给出对比结果。

由图5 中可知，在节点数到达400 时，采用POW 和POS 共识机制的主控板CPU 占用率达到100%，意味着终端将会死机，无法正常工作，显然在实际工程中是不能采用POW 和POS 共识机制的。而采用POR 共识机制对主控板CPU 的占用率一直在1%左右，并未随着节点数量的增加而大幅增加，这是因为在POR 共识机制下，计算功能主要由可信芯片来完成，对主控板CPU 占用率可以忽略不计。因此POR 共识机制更具备工程实用性。

图5 系统CPU 占用率对比

综上，通过区块传播时间、吞吐量、CPU 占用率3 个方面的对比，POR 共识机制显著优于POW 和POS 共识机制，因此在分布式终端系统中，选取POR 作为系统的共识机制。

3 系统运行机制

在确定系统的共识机制后，本节对分布式终端系统的运行机制进行详细说明，系统运行机制如图6 所示。所有台区终端作为节点共同组成了区块链网络，台区数据将在区块链网络中进行端-端传输和分布式存储，每个节点均存储有配电网主链和未进入区块的数据缓冲区，数据缓存区中存储有未进入区块的台区数据。

图6 系统运行机制

假设台区a 的数据被终端收集到，该终端会首先将数据存入到数据缓存区中，同时该终端将数据转发给相邻终端，相邻终端也将数据存储到数据缓存区，同时进一步转发，直到数据存储到全网所有终端的数据缓存区中。

在台区数据进行全网广播后，终端的可信芯片会运行可验证随机数生成程序，由随机数决定担任记账节点的终端，记账节点终端将台区数据打包成新区块，写入主链中，同时将数据从数据缓存区中删除；记账节点随后将新区块进行全网广播，其他终端在接收到新区块后，对随机数进行验证，验证通过后将新区块连接到配电网主链上，并将数据池缓存区的台区数据删除，至此所有终端的配电网主链均已被加入了新的区块，台区数据实现了分布式存储。

通过对示例系统运行机制的说明，可以看到分布式终端系统中的台区数据从产生到存储到全网所有终端中的整个过程，在台区数据产生后，首先会进入终端内未进入区块的数据缓冲区中，在系统选取记账节点后，被选为记账节点的终端将数据缓冲区中所有数据进行打包形成新的区块，并全网广播，随后全网所有终端将这个新的区块连接到各自存储的配电网主链上，新区块内的台区数据将会分布存储在台区的所有终端内，实现了台区数据的分布式存储。

4 结论

本文详细描述了分布式终端系统的系统架构、共识机制和运行机制，得出以下主要结论：

（1）分布式终端系统在大量分散的终端间建立了协作机制，使得整个系统的运行不再依赖于中心节点，即便云主站发生故障，分布式终端系统仍能正常运行，弥补了现行配电物联网架构过于中心化的缺点，也在一定程度上缓解了云主站的存储压力。

（2）台区数据均以配电网主链的形式存储在系统的所有终端内，难以被篡改，即便云主站和部分终端发生故障造成数据丢失，其他终端仍存有完整的数据备份，可以最大限度保证台区数据的安全和完整。

（3）本文提出的基于可信芯片的POR 共识机制在性能上显著优于目前主流的POW 机制和POS 机制，可以在大量终端间快速形成共识，更适用于在电力设备间建立协作机制，具备工程实用性。

（4）区块链技术和电力系统硬件设备相结合的应用尚属空白，随着大量台区终端接入到配电网中，逐渐形成了大量台区终端分布式的结构，非常适合采用区块链技术在分布式终端间建立协作机制，同时电力物联网技术的成熟和台区终端设备存储、计算能力的不断提升也使得分布式终端系统的实现成为可能。分布式终端系统是将区块链技术和电力物联网技术相结合的有益探索和尝试，也为区块链技术在能源领域的应用提供了新的思路。分布式终端系统会进一步在实际电力系统的台区中进行试点验证，根据实际运行情况有针对性地做出改进和优化。