基于区块链的能源计量数据平台设计

赵 磊

（国网北京市电力公司电力科学研究院）

0 引言

电能计量是电力贸易结算和电力生产技术经济指标的重要手段， 也是国家能源统计体系中最基本的工作内容之一。随着智能电网建设步伐的加快， 电能计量智慧数据应用成为未来电网发展的必然趋势， 电力计量智慧数据系统不仅可以提高电力系统运行效率和管理水平， 还可以有效地减少人工工作量， 从而提升电力企业信息化水平。目前， 我国的电能计量数据管理系统大多采用集中式管理方式， 存在信息孤岛、 数据安全风险、 业务协同等问题， 严重制约了电力营销现代化[1-4］。针对这一现状， 文中提出将区块链技术引入到电能计量数据管理场景之中， 构建一套统一的区块链数据基础平台， 以满足电力计量业务系统对业务数据的应用需求， 同时能够保障电力计量业务主体之间的隐私保护、 数据安全性、 跨区域跨部门数据共享及安全传输， 为解决以上问题提供新思路。

1 区块链技术与能源行业计量数据管理需求的匹配度

目前， 能源行业的计量数据管理需求与区块链技术特征之间存在高度契合。一方面， 能源企业对计量业务有很强的需求， 准确可靠的计量结果可以作为企业获取合理利润的前提。而区块链具有不可篡改、 分布式存储等特性[5-7］， 使得该领域数据的可靠性和权威性均得到保证。第二方面， 能源计量的法制监管是国际惯例， 区块链技术的不可篡改性同法制计量的要求相契合， 以区块链技术作为基础构建一个新的能源管理体系， 并将其应用于能源计量数据管理， 建立能源计量区块链数据基础平台， 制定统一标准体系， 可以有效支撑能源计量行业的法制监管。此外， 随着区块链去中心特性的优势逐渐体现出来， 基于区块链的数据存储和访问机制能够很好地实现数据共享， 为电力计量智慧数据应用场景的开发奠定了基础。因此，在电力行业， 区块链技术与能源产业计量管理相结合已势在必行。

2 电力计量数据智慧管理平台架构设计

2.1 数据流程

本文将电力计量业务数据划分为计量器具检定和标准量传两部分数据， 计量器具检定是电力交易的基石， 标准量传是典型的传递和追溯信息链， 量传溯源区块链能够安全完整保存计量检测检定信息， 同时通过区块链可信不可篡改的特点构建可信的检测检定体系， 通过区块链对国家标准、 行业标准及鉴定标准信息及计量器具检定结果信息固化， 为监管机构行业监管及电力用户使用监管提供资质合法性、 认可有效性、 溯源规范性、 检定准确性。

2.2 平台架构

平台整体架构包括区块链接口子模块、 管理和配置子模块、 计量业务监管子模块、 公信服务子模块、供应商协同与数据服务子模块、 可视化子模块及源端接口子模块。

源端接口子模块通过ⅠT 基础设施提供与计量业务系统的接口与管理服务、 运维监控等功能。

区块链接口子模块用于实现对区块链上数据交互， 包括交易、 数据查询、 事件、 合约、 CA 证书、 日志； 实现对区块链平台运行参数的设置， 包括组织配置、 节点配置、 用户配置等； 实现对区块链平台运行状态信息的获取和分析， 包括区块高度、 交易量等信息。

图1 能源计量区块链数据基础平台数据流程

管理和配置子模块包括了联盟信息、 单位成员、用户信息、 节点信息配置功能， 可对成员信息配置并进行加入审批审核， 实现用户权限分配， 用户秘钥，CA的配置， 对子账本与数据的对应关系配置， 节点与账本的对应配置， 以及对节点的属性和有效性的配置， 查看节点状态。

公信服务子模块实现公众 （包括居民客户， 工商业客户等） 网上公信查询， 可查询电能表基本信息、 检定结果信息、 检定实验室资质信息， 可关联查看检定人员、 人员资质、 检定装置、 装置溯源记录等信息， 可在多个入口查询及下载和打印带数字签名的检定电子证书， 并可通过证书编号、 验证密码或者二维码在指定网站进行证书真实性验证。

供应商协同与数据服务子模块通过区块链平台实现数据共享， 提升供货环节的业务协同效率，实现供货业务协同， 提升流程效率； 提供提供到货设备检测（样品比对、 抽检、 全检） 数据的分析功能， 汇聚出厂检测等数据， 为全流程业务提供地区、 台区和运行年限等维度对运行设备的统计分析。

计量业务监管子模块负责支撑主管单位对所辖检定机构的监督管理。按照法律规程完成标准设备的周期性溯源、 制定溯源核查计划， 实现全过程数字化可信监督核查， 并针对计量设备， 标准设备实现向上的溯源查询。

可视化子模块负责展示电能计量检定公信体系、 区块链系统运行全景、 展示区块链平台价值服务成果。

图2 电力计量数据智慧管理平台应用架构

2.3 技术架构

平台技术架构主要包括基础层、 适配层、 服务层、 接口层、 展示层等内容。其中基础层包括区块链与微服务架构， 支撑电力计量数据智慧管理平台整体构建； 适配成包括区块链接口、 区块链智能合约、 数据加密服务、 数据集成服务等基础支撑服务。服务层是系统的主体业务服务功能， 具体包括数据同步、 数据分析等数据服务， 支撑系统的数据处理； 链接口服务、 链状态服务等链服务， 实现平台应用与区块链的对接与状态监控； 调度服务、 队列服务、 消息服务、日志服务等通用服务， 支撑平台服务解耦， 实现读写分离与业务快速响应， 起到服务缓冲的作用。接口层包含了应用服务涉及的会话、 鉴权、 授权、 请求等各类接口， 实现数据通信功能， 保护信息系统的操作使用安全、 数据安全， 防止泄露与违规操作， 易于管理。展示层采用前后端分离技术、 采用B/S 架构， 形成一站式开发多端使用， 支持PC 端浏览器访问和手机APP 访问。

图3 能源计量区块链数据基础平台技术架构

3 数据服务标准化接口设计

为统一电力计量智慧数据对接方式， 规范数据使用环境， 便利于计量数据的推广应用， 采用Spring Cloud 和Spring Boot 微服务为框架， 设计计量智慧数据标准化接口服务。标准化电力计量数据接口可通过DLL（动态链接库） 和HTTP 两种方式访问。设计内容包括： 数据类型划分、 接口数据结构定义、 接口访问权限控制策略[8-9］。

3.1 数据类型

可通过标准化电力计量数据接口获取的数据类型包括： （1） 计量器具全寿命周期检定数据： 包括电能表， 互感器、 二次回路巡检仪等计量器具的出厂合格检定证书、 全性能型式试验证书、 退运鉴定试验证书等； （2） 计量检定设备溯源信息： 包括设备准确度等级、 编号、 测量范围、 校准证书等； （3） 计量检定机构资质信息： 包括政府授权证书、 实验室认证信息、 持证人员信息等。

按照安全等级将电力计量数据划分为三类， Ⅰ类数据是可完全公开并共享的数据， 此类数据经公钥加密后直接上链存储， 具有接口访问权限的用户可以在区块链上访问数据； Ⅱ类数据是有选择性公开的数据， 只对具有访问权限的用户公开， 此类数据经私钥加密后上链存储， 具有访问权限的用户通过动态令牌的方式访问数据； Ⅲ类数据是非结构化数据， 此类数据是计量业务中特有的数据类型， 通常为检测证书、 政府授权证书等类型， 此类数据通常占用较大存储空间， 因此仅将此类数据的MD5 哈希编码上链存储， 具有访问权限的用户可通过标准化接口获取数据， 并与相应数据的链上数字签名进行核验。

3.2 接口返回的数据结构定义

为了标准化平台返回的数据格式， 提升电力计量智慧数据的适用性， 降低与平台对接的数据应用的开发难度， 参考Spring Cloud 微服务架构的数据接口的设计准则， 将接口返回对象的数据结构定义为TableJson、 ⅠmageJson 和SignJson 三 种 对 象。TableJson 主要针对计量数据中检测数据、 检测设备信息等结构化数据， 此类数据通常是以二维表格的形式存储， 需要通过TableJson 对象转换成标准Json 格式串。ⅠmageJson 对象主要针对计量数据中的政府授权证书信息、 检测机构体系证书信息等非结构化数据， 此类数据通常占用较大存储空间， 并调用Spring Security 机制对数据进行哈希运算并生成唯一的MD5 哈希编码， 此编码将用于与源文件的核验。SignJson 对象主要针对计量证书中的电子签章信息，需要将电子签章服务器产生的加密信息通过SignJson 对象转换成标准的Json 格式串。

以TableJson 对象为例， 此对象包含Type、 Property、 Structure、 Cell 这4 个属性。其中Type 为该数据体的类型描述， Property 为该数据体的元数据属性信息 （包括数据说明、 时间戳）， Structure 为表格结构描述， Cell 为计量数据对象实体（包括数据类型标识、 要素字段、 数据编码方式等） 。

3.3 接口访问权限控制

标准化数据服务接口必须设计完备的权限控制策略， 以防止非法访问的发生。采用SpringBoot 集成Json web token （JWT） 实现token 验证， 来验证用户身份以及路由、 服务、 资源的访问权限。JWT 是用于在网络中传递声明的一种基于Json 的开放标准（RFC 7519）， 经JWT 编码的数据经过数字签名， 可以确保发送的信息无法被伪造。JWT 是一种轻量级互联网身份认证管理系统， 具有去中心化和以用户为中心等特点。JWT 通常采用HMAC 算法或RSA 的公私秘钥对数据进行签名。

JWT 由三段信息构成： Header、 Payload、 Signature。Header 包括token 类型和采用的加密算法；Payload 用于存放有效信息， 包含： 注册声明、 公共声明、 私有声明； Signature 是由Header 和Payload 经base64 加密后生成的。

图4 能源计量区块链数据基础平台技术架构

4 能源计量区块链数据应用

4.1 电力市场交易调用区块链能源计量数据

随着区块链技术在电力市场交易应用中的不断深入和成熟， 区块链本身所具备的去中心化分布式账本特性有效解决了传统集中式交易架构所存在的信息安全、 公开、 透明问题。电力交易电能度量的基准是电能表， 能源计量数据的准确度关乎电力交易的公平性。同时， 按照国际法制计量管理惯例，用于贸易结算相关的能源计量数据受政府、 行业监管， 电力市场交易相关的电能计量信息也应纳入监管。智慧数据平台的标准化接口设计使得电力计量数据易获取， 同时区块链技术确保了数据的不可篡改性和可靠性。智慧数据平台的应用确保了电力市场交易信息的公平性、 权威性。

4.2 居民用户电力计量信息获取

近年来， 随着智能化电力设备的普及推广， 智能电表的使用覆盖率越来越高。公众用户对于电力设备的准确度也存在疑虑， 本平台系统为电力用户提供电力计量信息查询界面， 其中公众查询门户只允许用户查询自身相关联的电能计量资产的检测信息。电子证书信息存在于区块链网络每个节点， 用户通过各种客户端程序访问自己组织的区块链节点提交申请并展示结果。满足公众用户对计量设备准确度以及检定证书真伪的查验需求， 实现区块链计量智慧数据的创新应用。

4.3 政府透明监管

为了配合电力计量监管机构对于能源计量行业的有效监管， 平台系统为政府监管部门提供相关信息的查询功能， 包括检定证书、 检定人员资质、 测量装置溯源证书等。同时， 为监管机构提供了检定检测体系与公信可视化展示， 实现了为内外部提供可信平台的展示、 宣传窗口，

包括电力计量公信体系、 智慧数据应用情况、区块链状态信息等。通过智慧数据平台自动通知业务系统完成溯源计划确认， 电力计量监管机构通过智慧数据平台可有效进行监督管理， 为政府决策和数据监管提供可靠支撑。

图5 政府透明监管业务流程

4.4 电力设备供应商数据协同

智慧数据平台将电力计量数据对外开放， 可促进电力企业与电力设备供应商的业务协同， 通过供货数据共享使供货环节的业务协同效率提升； 通过区块链记录设备检测（样品比对、 抽检、 全检） 数据结果， 实现企业对设备质量的信息化管控， 并为全流程业务提供运行设备的统计分析。促进电力企业与供应商在业务、 系统和人员三个层面的协同， 能够帮助改进企业采购管理， 缩短业务管理周期时间， 减低企业采购成本， 提升计量设备采购质量和现金管理水平， 助力企业打造智慧数据供应链。

图6 供应商协同业务流程

5 结束语

能源计量数据管理是能源管理的基础， 也是能源科学发展和节能工作中不可缺少的一环。本文研究了基于区块链的能源计量数据管理优势， 从区块链技术赋能计量数据管理体系入手， 讨论了区块链技术与能源行业计量数据管理需求的匹配度， 对计量数据智慧平台架构设计及接口标准化设计进行了详细阐述， 并对应用场景举例说明。结果表明： 电力计量数据智慧管理平台能够有效解决传统电力计量数据管理中存在的问题， 数据接口标准化设计为电力系统智慧数据的应用提供了技术基础。