區(qū)塊鏈作為分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等技術的集成應用，被認為是繼大型機、個人電腦、互聯(lián)網之后計算模式的顛覆式創(chuàng)新，在全球范圍醞釀著一場新的技術革新和產業(yè)變革。
區(qū)塊鏈技術與物聯(lián)網的融合創(chuàng)新被認為是天作之合，一方面，借助物聯(lián)網設備的物理防篡改，有助于實現(xiàn)區(qū)塊鏈數據從鏈下到鏈上的“過程可信”；另一方面，區(qū)塊鏈將各自分離、協(xié)議不同的物聯(lián)網網絡鏈接在一起，并通過安全機制、智能合約等，形成跨系統(tǒng)跨邊界的數據共享協(xié)作新模式。
基于傳統(tǒng)中心化分布式網絡結構的電力設備泛在物聯(lián)網，在即將到來的億級海量終端設備接入時，在網絡承載容量、服務器負荷、數據安全等面臨著巨大的挑戰(zhàn)。具有去中心化、去信任和數據加密特點的區(qū)塊鏈技術為解決這些問題提供了契機。本文將闡述如何利用區(qū)塊鏈思維將區(qū)塊鏈技術與物聯(lián)網相結合，在網絡結構、降低成本、建立可信、多主體協(xié)作和邊緣計算等方面提高電力設備泛在物聯(lián)網的性能。并針對性能、存儲、能源消耗等一系里潛在問題給出了改進方案。
研究要點
1、區(qū)塊鏈技術
區(qū)塊鏈是一種去中心化的分布式數據庫，沒有中心，區(qū)塊鏈中的每個節(jié)點都會同步復制整個賬本，信息透明難以篡改。區(qū)塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算范式。
需要指出的是，比特幣只是區(qū)塊鏈技術的一種應用成果，區(qū)塊鏈并不等于比特幣。區(qū)塊鏈的發(fā)展必須跳出“比特幣區(qū)塊鏈”的思維和定式，轉而注重運用相關技術解決現(xiàn)實世界的實際問題，充分發(fā)揮區(qū)塊鏈的積極作用：
（1）“去中心”只是比特幣區(qū)塊鏈的特點，并不代表所有的區(qū)塊鏈都必須是去中心的“公有鏈”不是區(qū)塊鏈的必要內容。區(qū)塊鏈也可以在私有計算機群上中心化獨立運行，或者吸引一定的合格參與者加盟，形成由加盟者計算機組群共同運行的半中心化“聯(lián)盟鏈”運行體系。
（2）比特幣等網絡系統(tǒng)內生“幣”，與區(qū)塊鏈并不是密不可分的
區(qū)塊鏈不一定需要像比特幣這樣的激勵機制，即可以轉變區(qū)塊鏈的運行重心：從聚焦于“挖礦”產生“數字加密貨幣”，轉變?yōu)閺娀瘜Y產合法性、真實性、準確性以及交易雙方身份的真實性、準確性的驗證，進而將區(qū)塊鏈融入到現(xiàn)實世界之中，真正解決現(xiàn)實世界的實際問題，并充分滿足國家法律和監(jiān)管要求，避免成為非法交易、恐怖輸送等的工具。
2、輸變電設備泛在物聯(lián)網存在的問題
輸變電設備物聯(lián)網平臺建設方案中，海量傳感器獲取的感知數據將通過匯聚節(jié)點上傳至接入節(jié)點，并最終通過網絡層的接入控制器和控制網關進入云平臺的服務器。該方案本質上仍是一個中心化的分布式網絡結構，當面臨數以億計的物聯(lián)網終端設備接入和數據傳輸時面臨著一些關鍵性挑戰(zhàn)。一方面，支持海量終端傳感器和信息的接入與服務請求響應是將來的必然需求，中心化服務使得其服務器、數據庫的負荷急劇增加乃至難以為繼。另一方面，傳統(tǒng)物聯(lián)網在數據安全、隱私保護和認證和訪問控制方面受到威脅。
3、區(qū)塊鏈技術與電力設備泛在物聯(lián)網融合
本文提出利用區(qū)塊鏈思維來改進電力設備泛在物聯(lián)網的建設：
（1）利用區(qū)塊鏈中“去中心化”這一核心思想來解決“中心化”所固有的容量不足、成本高企和信任度低等問題。
（2）平衡“去中心化”與“中心化”，實現(xiàn)ABCD，即人工智能、區(qū)塊鏈、云計算和大數據（AI, Blockchain, Cloud computing,big Data, ABCD）的交叉與融合。
（3）采用智能合約實現(xiàn)去中心化環(huán)境下的多主體協(xié)作。
在區(qū)塊鏈思維指導下，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的電力設備泛在物聯(lián)網系統(tǒng)架構，如圖1所示，由海量終端傳感器、區(qū)塊鏈網關、區(qū)塊鏈、云平臺等組成。
圖1 基于區(qū)塊鏈的電力設備泛在物聯(lián)網建設架構
4、關鍵技術
（1）分區(qū)并行高通量聯(lián)盟鏈設計
泛在電力物聯(lián)網一個特性是便于劃分片區(qū)。小到一個變電站，站內安裝的局部放電、氣體組分、溫濕度、視頻、紅外等所有傳感器，依托于匯聚節(jié)點或接入節(jié)點構建成一個小的區(qū)塊鏈。若干變電站間再通過接入控制器或接入網關構建一個更大范圍的區(qū)塊鏈。這樣就將原始的區(qū)塊鏈切分為很多分區(qū)，交易記錄將在不同分區(qū)并行處理。因此，可將圖1所示架構改進為圖2所示的分區(qū)并行聯(lián)盟鏈。根據區(qū)域或業(yè)務對電力設備泛在物聯(lián)網進行合理分區(qū)即并行化處理，再通過跨鏈互聯(lián)節(jié)點在互聯(lián)鏈中與云平臺節(jié)點進行數據及服務交易。片內交易時的共識機制采用流水化技術優(yōu)化效率，并通過隨機輪換記賬節(jié)點集合機制進一步提升效率，從而最終構建一個更適用于電力設備泛在物聯(lián)網的分區(qū)并行高通量聯(lián)盟鏈。
圖2 分區(qū)并行高通量聯(lián)盟鏈結構
（2）共識算法的改進
資源消耗大是限制區(qū)塊鏈應用的重要因素之一，傳統(tǒng)基于挖礦的記賬權競爭方式就是典型的對自由消耗巨大的共識機制，應用于物聯(lián)網時需要進行針對性的優(yōu)化?；谕镀钡墓沧R機制（如PBFT算法），并通過分組的方法進一步提高效率，可有效減少資源消耗并提升交易速度及吞吐量，更適用于泛在電力物聯(lián)網環(huán)境。
（3）泛在物聯(lián)網下的智能合約
智能合約在本文提出的電力設備泛在物聯(lián)網中起著打通節(jié)點間的數據及協(xié)作壁壘的關鍵作用。以一個簡單的應用來說明其運行機制。假設智能合約部署了一個母線溫度數據的報警閾值，當某傳感器發(fā)起數據交易時，數據首先被物聯(lián)網網關發(fā)送到區(qū)塊鏈中的智能合約中，智能合約判斷該數據是否為溫度數據及是否超過閾值，并將結果發(fā)送給約定的物聯(lián)網網關或是云平臺。同時，智能合約將數據廣播至全網絡，完成后續(xù)的數據交易流程。
（4）加密算法
目前主要的大區(qū)塊鏈平臺使用的加密算法多采用國際標準，如SHA256等。從國家安全角度來講，數據安全在泛在電力物聯(lián)網建設之初就應當被納入考慮范圍。在電力設備泛在物聯(lián)網中開發(fā)基于國密算法的區(qū)塊鏈平臺，可有效保障泛在電力物聯(lián)網數據的安全保密。
（5）數據壓縮
參與維護區(qū)塊鏈的各節(jié)點需要在本地存儲一份賬本。隨著數據交易的進行，數據膨脹不可避免。結合基于區(qū)塊鏈的電力設備泛在物聯(lián)網系統(tǒng)架構，可將硬件性能更強的接入網關或接入控制器劃分為重型節(jié)點，而性能稍弱的匯聚節(jié)點或接入節(jié)點劃分為輕型節(jié)點。重型節(jié)點將存儲區(qū)塊鏈的全量數據，而輕型節(jié)點只存儲Merkle根節(jié)點的256哈希值，即只參與交易驗證，不存儲數據。
結論
（1）區(qū)塊鏈系統(tǒng)與傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)相比，其中心化和區(qū)域數據共享機制涉及多個電力系統(tǒng)的業(yè)務本部門，對安全性的要求難度也更大，區(qū)塊鏈系統(tǒng)的建立、安全和防攻擊需要大量的協(xié)同工作和技術攻關。
（2）任何一個好的技術或者工具都需要被正確使用才能發(fā)揮更大的價值。區(qū)塊鏈系統(tǒng)要消耗大量的資源進行分布式存儲和處理，集中式管理成本更低，如何權衡系統(tǒng)的綜合效能、分析不同場景的應用效果、發(fā)揮區(qū)塊鏈的使用價值還需要深入細致的研究工作。
（3）電力專業(yè)人員目前對區(qū)塊鏈技術的基本概念、實現(xiàn)方法、應用價值認識不足，而區(qū)塊鏈技術在電力設備物聯(lián)網中應用需要高電壓、電力系統(tǒng)、計算機和信息處理等專業(yè)的深度融合，通過創(chuàng)新性思維和開創(chuàng)性的研究工作才能發(fā)揮作用，交叉學科人才的缺乏可能影響技術發(fā)展和應用。
來源：高電壓技術 作者：江秀臣，羅林根，余鐘民，傅曉飛
