基于区块链技术的变电站继电保护实物ID结合技术

叶 海 胡 鹏

（1.国家电网有限公司华东分部调控分中心，上海 200120；2.上海九洲信息技术有限公司，上海 200120）

目前，电网中的设备资产状态和定值数据的在线管理体系不够成熟和完善[1]。保证继电保护全过程管理中数据安全、数据完整、数据唯一以及设备管理节点扩展是实现继电保护体系全过程管控的重要一环[2]。在区块链上升为国家战略和纳入新基建的双重机遇下，需要研究基于区块链技术透明、安全、去中心化运行的特点[3-4]。

深化基于实物“ID”和区块链技术的继电保护基础信息管理，完善继电保护全业务统一数据模型，实现不依托任何集中服务器。继电保护等二次设备间组成对等网络，提供保护数据分布式数据存储和分布式运算，完成二次设备基础信息和运行数据融会贯通以及独立运行[5]。

我国统一的电力市场交易平台为电力交易市场化进程提供技术支撑。电力主体的入网给配电市场带来极大的不确定性，实施按月结算的中长期交易模式，会造成的电量偏差，产生巨大的调度成本。因此，为了合理有效地调度分散、灵活的入网可控负荷，保护电力用户的隐私不受泄露，可以利用区块链技术构建一个全新的分布式交易机制。

区块链作为一种非对称加密的分布式账本，具有各节点平等、购售信息不可篡改、用户行为可追溯等优势，有助于各电力主体共同维护交易平台的可持续发展，具备很强的鲁棒性。应用区块链技术可以直接实现分布式交易模式下各主体购售电信息的互通，保证数据透明化，降低交易的不确定性。智能合约是由计算机处理、可执行各交易者需求合约条款的自动交易协议，为提升区块链交易平台的安全运行效率提供技术保障。

有研究人员探讨将区块链技术应用于分布式电力交易的可行性，设计基于区块链技术的分布式能源双向拍卖协议。在需求侧资源方面，为实现需求侧资源的灵活调度，可以使用含激励的去中心化电力交易模式构建分布式电力交易的总体框架。

文章主要研究基于区块链技术的继电保护体系与实物“ID”结合的管理办法，参考实物“ID”的技术特点，设计区块链数据结构和存储格式，实现区块链技术和实物“ID”相结合的技术应用。结合现场作业需求开展数据自动录入、压板校核、定制校核、备品备件管理、装置自动检测等功能建设，实现移动运维作业的实用化、精细化管理应用，提升移动作业效率，在区块链技术的应用层上实现继电保护全过程业务管理。

1 变电站继电保护实物ID结合技术

变电站实物ID结合技术是使用上位机、通信光纤以及各类测量转换模块实现变电站继电保护实物的数据共享融合和精益化管理。变电站继电保护实物ID结合技术的本质是将基础、管理、监测监控等多类型的数据进行相互关联，实现去中心化。

基础数据主要包括相关调试工程师的个人情况信息、变电站内部各条线路的多类型参数、变电站中继电保护一次侧及二次侧设备的参数、地理定位系统（GPS）参数等。

管理数据主要涵盖对变电站各个设备故障排查的信息、运维工程师例行检修的信息以及一次侧及二次侧设备的更换等历史信息。

监测监控数据在变电站区块链系统中是留存接口，与多类型的传感器以及摄像头相连，收集变电站一次侧及二次侧设备的监控数据，进行统一管理。

系统能够对运维工程师、一次侧及二次侧电气设备以及监控设备的运行状态进行评估，保证系统健康安全地运行。将被监测的继电保护设备状态信息、管理文件、故障告警解析成信息图形，实现在屏幕中对信息的直观监测。

基于区块链技术的变电站继电保护实物ID结合架构如图1所示。

图1 基于区块链技术的变电站继电保护实物ID结合架构

由图1可知，架构可以分为网络连接和逻辑连接两大组成部分，实现变电站继电保护的各类信息、电站内智能电气设备（Intelligent Electrical Device，IED）网络连接情况、虚拟端子连接情况的实时查看。

变电站继电保护实物ID结合技术可以对设备台账、运行状态、巡视信息、图档模型、缺陷维护、功能调试、二次设备、定值整定等信息的多类型数据进行实时管理，实时展示继电保护设备状态、故障信息、配置文件以及通信故障信息。虚拟端子或虚拟通道发生异常时，区块链运维平台能够在海量数据中迅速寻址，在指挥系统显示屏中突出显示，实现对变电站异常信息及故障告警的高度可视化，提升变电站继电保护设备的智能化水平。

2 共识机制选取及小程序开发

2.1 共识机制选取

在基于区块链技术的变电站继电保护平台中，为了使平台稳定、可靠地运行，使用共识机制记录各个节点，每个节点与其他节点进行竞争，获得一段时间的数据记录权。在去中心化的区块链平台中，提出可信芯片的共识选取机制，由可信芯片完成响应的计算，机制不占用平台中主板的接口资源，可信芯片设置在运维人员的移动式设备中，嵌入式小程序，使终端具备生成区块、广播区块、验证区块等功能。使用小程序验证各个节点或终端生成随机数的时间，时间最短的节点或终端为本次竞争的获胜者，获得一段时间的数据记录权。

2.2 小程序开发

小程序开发是实现共识机制的关键，微信小程序技术发展较成熟，拟使用微信平台对小程序进行开发。小程序界面简洁，不存在冗杂繁多的功能，必须使用分布式服务器相关联，进行变电站继电保护设备的数据通信。微信小程序的操作界面内，运维工程师能够使用图、文、音等多媒体功能对变电站继电保护设备的运行状态以及历史信息进行观测，及时获得指挥部的命令。

小程序开发过程中，需要做好前期准备工作，包括工具的研发和授权的申请；找到合适的变电站作为小程序的试点平台，试点变电站必须在微信公众平台上进行注册，经微信官方授权后，开发面向变电站继电保护系统的共识机制小程序。

基于区块链技术的变电站继电保护系统需要设计使用者登录界面，与传统的web界面以及手机app程序相比，登录变电站继电保护系统微信小程序仅需要使用变电站的官方微信账号，绑定账号后登录。使用微信小程序的变电站继电保护系统研发过程中，对用户授权的申请以及开发位于初始阶段，是最重要的环节，是保证用户唯一性的关键技术手段，与传统的web界面以及手机app程序开发存在本质区别。

微信小程序用户认证流程如图2所示。

图2 微信小程序用户认证流程

基于微信官方发布的用户开发认证流程中，将基于区块链技术的变电站继电保护系统中必须收集或上传的用户基本信息与微信用户openid和session_key进行关联，实现微信用户认证授权的需求和基于区块链技术的变电站继电保护系统自身的用户认证要求。

基于区块链技术的变电站继电保护系统的用户数据如表1所示。

表1 基于区块链技术的变电站继电保护系统的用户数据

在程序开发阶段，试点变电站必须严格使用“微信开发者工具”，不得运用第三方平台提供的任何技术支持，小程序框架应与“微信开发者工具”一致，否则会出现无法编译的错误。完成小程序设计后，上传代码，通过微信官网审查后，可以将小程序进行投运，初步构建基于区块链技术的变电站继电保护。

微信小程序的具体开发流程如图3所示。

图3 微信小程序开发流程

变电站中，运维工程师使用的小程序受指挥部的协调控制，变电站突发故障时，指挥部可能无法在第一时间对突发故障进行详细的掌控，无法正确下达对现场的指挥命令和多类型资源的调控命令，需要在突发故障的实际位置继续增设现场指挥区块，将该区块融入构建的区块链中，使指挥部能够更加清楚地了解现场的故障情况以及运维工程师的抢修情况，保证指挥部下达的各类命令的正确性。

运维或抢修结束后，小程序将自动上传相关运维抢修报表，形成报告，对本次运维抢修的工程师、指挥长等工作人员的各种工作表现以及对命令的下达、传达、执行的综合情况进行整合，根据变电站继电保护设备现场的实际环境情况，对相关人员的表现进行综合评估，上传评估报告。变电站其他运维工程师可以随时在小程序中下次学习本次运维抢修的各类型报告，现场指挥长能够在应急预案中对其进行例行查询。

3 结语

本文基于区块链技术研究变电站内继电保护实物的ID结合技术，实现基于实物“ID”的设备台账、运行状态、巡视信息、图档模型、缺陷维护、功能调试、二次设备、定值整定等信息数据的自动关联，促进数据共享融合和精益化管理；设计共识机制选取方案以及小程序开发策略，保证整个变电站继电保护系统区块链的安全性和完整性，相关运维人员能够通过小程序便捷、高效地获取相关数据。