CN109033143B - 基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统及其方法。其中，所述系统包括至少一个区块链自治系统、与至少一个区块链自治系统通信连接的至少一个决策与控制中心、与至少一个区块链自治系统通信连接的多个数据接入主体，其中，所述区块链自治系统由多个数据可信节点组成；区块链自治系统内共享来源于数据接入主体的技术数据；决策与控制中心根据其被授予的业务权限向区块链自治系统内任一数据可信节点获取技术数据。本发明提供的基于区块链的分布式、分域数据处理方法，有效提高区块确认的速度与效率，提高了系统的吞吐量并减少了系统延迟，节省了节点的计算资源，提高了电网技术数据的保密性、完整性与可用性。

Description

基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统及其方法

技术领域

本发明涉及智能电网系统数据采集与状态监控以及能量管理领域，具体涉及一种基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统及其方法。

背景技术

得益于信息技术、通信技术以及计算机技术的发展与应用，电网系统的运行愈加数值化、网络化，系统运行状态的数据采集及监控通过SCADA系统自动完成，所收集的运行数据传送到能量管理系统，由其进行电网拓扑分析、状态估计，最终完成最优潮流计算、负荷预测、暂态稳定分析以及调度控制策略的制定等功能，使得电网系统的运行效率得以提高。

对于电网的测量数据，目前大多是较为简单的集中式处理方式，即由数据采集设备把数据通过电站局域网或串口，以IEC104、Modbus-RTU等通信协议形式传送到电站数据中心，再由电站数据中心通过远动设备对数据进行进一步的转发，送达上一级的控制中心进而对其进行分析处理。在现代信息技术恶意攻击下，此种模式难以满足保密性、完整性、可用性等安全需求，容易受到虚假数据注入、分布式拒绝服务等攻击，导致系统调度控制受到操纵，造成电网扰动、经济损失，甚至大范围停电等事故。

基于此，提出一种技术方案，能够提高电网的数据安全及数据处理效率成为业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统及其方法，以满足海量实时的电网量测数据的存储与管理，提高电网运行的安全性、可靠性。

为实现上述目的，一方面，本发明提出一种基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统，包括至少一个决策与控制中心、至少一个区块链自治系统、多个数据接入主体，其中：

所述决策与控制中心与所述至少一个区块链自治系统通信连接；所述区块链自治系统由多个数据可信节点组成，所述多个数据节点之间直接或间接通信连接；所述数据可信节点与至少一个所述数据接入主体通信连接；

所述决策与控制中心用于数据分析、策略制定，所述数据来源于至少一个与所述决策与控制中心通信连接的区块链自治系统中的所述数据可信节点；

所述区块链自治系统用于维护所述数据可信节点之间的数据区块的创建、确认与传播，所述数据区块主要由域内各个数据可信节点的技术数据组成；

所述数据可信节点用于存储并共享技术数据，所述技术数据来源于与所述数据可信节点通信连接的所述数据接入主体；

所述数据接入主体用于采集技术数据，并向所述数据可信中心发送所述技术数据；

其中，所述技术数据是指电网系统数据采集设备所采集的量测数据，包括电网量测数据及气象量测数据等。

另一方面，本发明提供一种基于区块链的分布式、分域数据处理方法，包括：

多个数据可信节点通过协商成为区块链自治系统，不同的所述区块链自治系统采用区域号来标识，所述区域号是一个32位的整型数；

所述区块链自治系统内部各个所述数据可信节点定期/不定期选举指定矿工节点以及指定矿工后备节点；

数据接入主体获得技术数据后，对所述技术数据进行加密并上传至与其通信连接的数据可信节点，所述数据可信节点对接收到的所述技术数据进行解密核对，核对通过后将其缓存到本地缓存中；

所述本地缓存中的技术数据达到一定数量后，将所述技术数据进行加密签名，并在所述域内进行广播，所述域指数据可信节点所在的区块链自治系统；

所述域内所有数据可信节点(包括所述指定矿工节点以及指定矿工后备节点)对接收到的技术数据进行收集；

优选的，由于存储空间的限制以及所述技术数据具有时效性，数据可信节点可以对所述技术数据进行定期删除。

所述指定矿工节点定期对收集到的所述技术数据进行核实，核实通过后对其进行加密、签名并打包成数据区块，将所述数据区块在所述域内进行广播。

优选的，如果一定时间段内没有技术数据产生，所述指定矿工节点定期广播空的区块。

优选的，一定时间内所述指定矿工后备节点没有收到由所述指定矿工节点发出的区块，将替代所述指定矿工节点进行所述区块的广播，同时，启动所述指定矿工节点以及指定矿工后备节点的重新选举。

优选的，一定时间内所述域内数据可信节点没有收到任何新的区块，将发起区块请求，收到所述请求的数据可信节点将对其发送最新几个所述区块；如果请求超时仍未收到答复，启动所述指定矿工节点以及指定矿工后备节点的重新选举。

所述域内所有所述数据可信节点对接收到的区块进行核实，核实通过后在所述域内对其进行转发，并将所述数据区块加入到所述域内总帐本中，所述总帐本是由所述数据区块按照时间顺序链接起来的数据库。

优选的，由于存储空间的限制以及所述数据区块具有时效性，所述数据可信节点包括指定矿工节点以及指定矿工后备节点可以对所述数据区块进行定期删除。

决策与控制中心可以向与其通信连接的区块链自治系统内任意一个数据可信节点获取所述总帐本。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明提出区块链自治系统概念，提出了数据可信节点的分域方法，当数据可信节点快速增长时，对其进行分域处理，有效提高区块确认的速度与效率，提高了系统的吞吐量并减少了系统延迟；

2.本发明提出了指定矿工节点以及指定矿工后备节点的概念及其选举方法，技术数据的挖矿工作由指定数据可信节点来进行，节省了节点的计算资源；

3.本发明中电网系统的技术数据在上传、存储、传播及获取过程均采取加密、签名、认证的模式，提高了数据的保密性与完整性；技术数据采用分布式方式进行存储，数据帧多个数据可信节点中得到备份，提高了数据的可用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统的结构图；

图2为本发明一实施例基于区块链的分布式、分域电网数据处理方法的流程图；

图3为本发明一实施例区块链自治系统的初始化流程图；

图4为本发明一实施例数据可信节点接收到来自数据接入主体的技术数据后的处理流程图；

图5为本发明一实施例数据可信节点接收到来自其他数据可信节点广播的技术数据后的处理流程图；

图6为本发明一实施例数据可信节点接收到数据区块后的处理流程图；

图7为本发明一实施例数据可信节点区块消息定时器事件发生时的处理流程图。

附图标记说明：

1-决策与控制中心；2-数据可信节点；3-数据接入主体；4-区块链自治系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本发明的目的在于提供一种基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统及其方法，该系统及方法适用于智能电网数据采集与状态监控以及能量管理领域，这里以电网系统的数据采集及监控系统为例进行说明。

实施例一

图1为本发明一实例基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统包括多个决策与控制中心1、至少一个区块链自治系统4、多个数据接入主体3，其中：

决策与控制中心1与至少一个区块链自治系统4通信连接；区块链自治系统4由多个数据可信节点2组成，多个数据可信节点2之间直接或间接通信连接；数据可信节点2与至少一个数据接入主体3通信连接；

所述决策与控制中心1用于数据分析、策略制定，所述数据来源于至少一个与所述决策与控制中心1通信连接的区块链自治系统4中的数据可信节点2；

区块链自治系统4由多个数据可信节点2组成，用于维护域内数据可信节点2之间的数据区块的创建、确认与传播，所述域指区块链自治系统4内部区域，所述数据区块主要由域内各个数据可信节点2的技术数据组成；

数据可信节点2用于存储并共享技术数据，所述技术数据来源于与所述数据可信节点通信连接的所述数据接入主体3；

数据接入主体3用于对技术数据进行采集与汇总，并向所述数据可信节点2发送所述技术数据；

其中，所述技术数据是指电网系统数据采集设备所采集的量测数据，包括电网量测数据及气象量测数据等。

具体地，本发明提供的基于区块链的分布式、分域电网数据处理系统是将区块链技术应用到电网SCADA/EMS系统中，利用多个数据可信节点2组成的区块链自治系统4构成的分布式数据存储资源，对所述技术数据进行存储和管理。每个数据接入主体3定期向与其通信连接的数据可信节点2发送其采集到的技术数据。数据可信节点2存储并管理所述技术数据，并将所述技术数据在所在区块链自治系统内进行广播、分享。决策与控制中心1可以向与其通信连接的区块链自治系统4中的任何一个数据可信节点2获取完整的技术数据信息。其中，所述技术数据的访问权限可以根据电网系统的协议和规则进行设置，本发明实施例不作限定。

其中，决策与控制中心1包括主网调度中心、配网调度中心、集控中心等；数据可信中心2主要分布于但不局限于各种发电场、各级变电站内；数据接入主体3可以是发电场、变电站或配电房内的智能量测装置或其量测控制中心。

其中，数据可信中心2需要存储大量的数据并具有强大的计算能力与通信能力，可以采用硬件性能优越的服务器；决策与控制中心1以及数据接入主体3对硬件要求不高，可以采用具有存储、计算和通信功能的装置。

例如，某一城市A具有m座中大型发电场、n个110kv以上的变电站、j个微电网，在城市A构建一个本发明提供的数据处理系统，在所述场所内各配置一个数据可信节点，总共配置k个数据可信节点，其中，k＝m+n+j。对于一座大型城市，k很容易就远超过300。假设k＝300，以50个节点为一个区域，把k个数据可信节点按照通信距离就近原则分成6个区块链自治系统。发电场、变电站以及光伏微电网里面的智能量测装置作为数据接入主体，向与其通信连接的数据可信节点定期发送电流、电压、功率、温度、风速、湿度等技术数据。数据可信节点对所述技术数据进行存储，并将所述数据在其所在的区块链自治系统中进行分享、扩散，直到所述区块链自治系统内所有数据可信节点拥有相同的技术数据；城市A的主网调度中心、配网调度中心、集控中心等作为决策与控制中心，可以根据所授予的业务权限向区块链自治系统内任意一个数据可信节点获取所需的技术数据信息，从而进行相应的数据分析以及控制策略、调度策略的制定。

实施例二

图2为本发明一实施例提供的基于区块链的分布式、分域数据处理方法的流程图。如图2所示，基于区块链的分布式、分域数据处理方法的主要步骤包括：

(1)S20、数据接入主体对技术数据加密后定期发送到与其通信连接的数据可信节点。

其中，所述技术数据指由数据接入主体采集到的电流、电压、功率、温度、湿度、风速等量测数据，数据外发的周期取决于数据采集周期。

(2)S21、数据可信节点对合法的技术数据在所属区块链自治系统内广播。

具体地，数据可信节点会对接收到的技术数据进行解密及核对，核对通过后将其缓存到本地缓存中；所述本地缓存中的技术数据达到一定数量后，将所述技术数据进行加密签名，并在所属区块链自治系统内进行广播。

其中涉及到区块链自治系统的形成、数据可信节点对所述技术数据的处理流程。区块链自治系统的形成过程如图3所示，具体实施步骤如下：

(2a-1)S30、数据可信节点进行初始化，包括域ID的初始化、指定矿工节点(DesignatedNode，DN)权重值的初始化。

具体地，多个数据可信节点通过协商成为区块链自治系统，不同的所述区块链自治系统采用区域ID来标识，所述区域ID是一个32位的整型数；指定矿工节点的权重值是一个32位的整型数，指定矿工节点以及指定矿工后备节点的选举部分取决于所述权重值。

(2a-2)S31、多个区域ID相同的数据可信节点组成区块链自治系统。

具体地，多个数据可信节点通过分享其区域ID信息达成共识，区域ID一致的数据可信节点组合成一个区块链自治系统，此后技术数据的共享与广播在区块链自治系统内执行。

(2a-3)S32、区块链自治系统内的数据可信节点进行指定矿工节点以及指定矿工后备节点的选举。

具体地，区块链自治系统内部总存在指定矿工节点或指定矿工后备节点，这些特殊节点负责在区块链自治系统内进行数据区块的打包与广播。在区块链自治系统初始形成时，第一次进行指定矿工节点/指定矿工后备节点的选举，之后，该选举会定期进行。特别地，当指定矿工节发生故障不能完成其职能时，由指定矿工后备节点或其他数据可信节点发起指定矿工节点/指定矿工后备节点的重新选举。

数据可信节点对所述技术数据的处理包括两部分，其一是对收到来自数据接入主体的技术数据的处理，如图4所示，具体实施步骤如下：

(2b-1)S40、S41、S42、数据可信节点接收来自数据接入主体经过加密的技术数据并对其进行校验核实。

(2b-2)S43、S44、上述校验核实通过后，数据可信节点将该数据进行缓存，并判断本地缓存的数据是否达到设定的数量。

(2b-3)S45、当本地缓存的数据是否达到设定的数量后，数据可信节点对其进行加密、签名，将其在域内进行广播。

其二是对收到来自其他数据可信中心的技术数据的处理，如图5所示，具体实施步骤如下：

(2c-1)S50、S51、数据可信节点接收来自其他数据可信节点广播的技术数据，对其进行验证核实。

(2c-2)S52、如果(2c-1)中校验核实通过，数据可信节点将该数据保存到本地数据池中。

(2c-3)S53、如果(2c-1)中校验核实不能通过，数据可信节点将该数据丢弃。

(3)S22、指定矿工节点/指定矿工后备节点定期对收集到的合法技术数据进行加密、签名，打包成区块，在所属自治系统内广播。

具体地，所有数据可信节点均会收集所属区块链自治系统内广播的合法的技术数据，仅有指定矿工节点/指定矿工后备节点会对此数据进行定期的打包成数据区块并广播，收到该数据区块的数据可信节点在判断其合法之后将其加入到本地总帐本中并对其进行接力广播；当一定时期内，区块链自治系统内没有技术数据产生时，指定矿工节点/指定矿工后备节点会广播一个空的数据区块，以表示区块链自治系统内的指定矿工节点/指定矿工后备节点仍在正常运作。当一定时期内，数据可信节点没有收到任何更新的数据区块时，会视情况而发起区块请求或启动所述指定矿工节点以及指定矿工后备节点的重新选举。如图6所示，具体实施步骤如下：

(3-1)S60、S61、数据可信节点的区块消息定时器事件发生，判断本节点是否是指定矿工节点。

(3-2)在(3b-1)的判断中如果本节点是指定矿工节点，则执行步骤S66，将收集到的技术数据进行加密、签名，并加上时间戳等打包成数据区块，将该区块在所属的区块链自治系统中进行广播。最后执行S65，重置区块消息定时器。

(3-3)在(3b-1)的判断中如果本节点不是指定矿工节点，则执行步骤S62，进一步判断本节点是否指定矿工后备节点。

(3-4)在(3b-3)的判断中如果本节点是指定矿工后备节点，则执行步骤S63，将收集到的技术数据进行加密、签名，并加上时间戳等打包成数据区块，将该区块在所属的区块链自治系统中进行广播；继而执行步骤S64，启动指定矿工节点/指定矿工备用节点的重新选举；最后执行S65，重置区块消息定时器。

(3-5)在(3b-3)的判断中如果本节点不是指定矿工后备节点，则执行步骤S67，向其他数据可信节点发起最新区块请求，并等待请求结果。判断在指定时间内有否收到有效的区块信息。

(3-6)在(3b-5)的判断中如果节点在指定时间内收到有效的区块信息，则执行步骤S65，重置区块消息定时器。

(3-7)在(3b-5)的判断中如果节点在指定时间内没有收到有效的区块信息，则执行步骤S64，启动指定矿工节点/指定矿工备用节点的重新选举；最后执行S65，重置区块消息定时器。

(4)S23、数据可信节点收到自治系统内广播的数据区块后，对其进行验证核实，对认为合法的数据区块在所属自治系统内进行转发。如图6所示，具体实施步骤如下：

(4-1)S70、S71、数据可信节点接收来指定矿工节点/指定矿工后备节点广播的数据区块，对其进行验证核实。

(4-2)对于S71中验证核实通过的数据区块，进入步骤S72，判断其是否为空的区块，如果不为空，则进入步骤S73，将该数据区块保存到本地总账本中，并对其进行转发，同时重置区块消息定时器。

(4-3)对于S71中验证核实不能通过的数据区块，进入步骤S74，将该数据区块丢弃。

(4-4)对于S72中判断为空区块的情况，进入步骤S75，重置区块消息定时器。

(5)S24、决策与控制中心根据被授予的业务权限向与其通信连接的区块链自治系统中任一数据可信中心获取所需的技术数据。

具体地，通过步骤S20、S21、S22、S23的执行，每一个区块链自治系统内的数据可信中心均共享一个数据总账本，所述数据总帐本中包含所属自治区块链系统内所有有效的技术数据，所述决策与控制中心在其被授予的业务权限内能够向任何一个可用的数据可信中心获取所需的技术数据。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于区块链的分布式、分域数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)数据接入主体对技术数据加密后定期发送到与其通信连接的数据可信节点；

(2)数据可信节点对合法的技术数据在所属区块链自治系统内广播；

(3)指定矿工节点/指定矿工后备节点定期对收集到的合法技术数据进行加密、签名，打包成区块，在所属自治系统内广播；

(4)数据可信节点收到自治系统内广播的数据区块后，对其进行验证核实，对认为合法的数据区块在所属自治系统内进行转发；

(5)决策与控制中心根据被授予的业务权限向与其通信连接的区块链自治系统中任一数据可信中心获取所需的技术数据；

所述步骤(1)中，所述技术数据指由数据接入主体采集到的电流、电压、功率、温度、湿度、风速量测数据，数据外发的周期取决于数据采集周期；

所述步骤(2)包括：区块链自治系统的形成方法、数据可信节点对来自数据接入主体的技术数据的处理方法、数据可信节点对来自其他数据可信节点的技术数据的处理方法；

所述的区块链自治系统的形成方法包括如下步骤：

(2a-1)数据可信节点进行初始化，包括域ID的初始化、指定矿工节点权重值的初始化；

(2a-2)多个区域ID相同的数据可信节点组成区块链自治系统；

(2a-3)区块链自治系统内的数据可信节点进行指定矿工节点以及指定矿工后备节点的选举；

所述的数据可信节点对来自数据接入主体的技术数据的处理方法包括如下步骤：

(2b-1)数据可信节点接收来自数据接入主体经过加密的技术数据并对其进行校验核实；

(2b-2)上述校验核实通过后，数据可信节点将该数据进行缓存，并判断本地缓存的数据是否达到设定的数量；

(2b-3)当本地缓存的数据达到设定的数量后，数据可信节点对其进行加密、签名，将其在域内进行广播；

所述的数据可信节点对来自其他数据可信节点的技术数据的处理方法，包括如下步骤：

(2c-1)数据可信节点接收来自其他数据可信节点广播的技术数据，对其进行验证核实；

(2c-2)如果(2c-1)中校验核实通过，数据可信节点将该数据保存到本地数据池中；

(2c-3)如果(2c-1)中校验核实不能通过，数据可信节点将该数据丢弃；

所述数据可信节点对所述技术数据进行定期删除；

所述步骤(3)包括如下步骤：

(3-1)若数据可信节点的区块消息定时器事件发生，则判断本节点是否是指定矿工节点；

(3-2)在(3-1)的判断中，如果本节点是指定矿工节点，则将收集到的技术数据进行加密、签名，并加上时间戳打包成数据区块，将该数据区块在所属的区块链自治系统中进行广播，最后重置区块消息定时器；

(3-3)在(3-1)的判断中，如果本节点不是指定矿工节点，则进一步判断本节点是否是指定矿工后备节点；

(3-4)在(3-3)的判断中如果本节点是指定矿工后备节点，则将收集到的技术数据进行加密、签名，并加上时间戳打包成数据区块，将该数据区块在所属的区块链自治系统中进行广播；继而启动指定矿工节点/指定矿工备用节点的重新选举；重置区块消息定时器；

(3-5)在(3-3)的判断中，如果本节点不是指定矿工后备节点，则向其他数据可信节点发起最新区块请求，并等待请求结果，判断在指定时间内有否收到有效的区块信息；

(3-6)在(3-5)的判断中如果节点在指定时间内收到有效的数据区块信息，则重置区块消息定时器；

(3-7)在(3-5)的判断中如果节点在指定时间内没有收到有效的数据区块信息，则启动指定矿工节点/指定矿工备用节点的重新选举；重置区块消息定时器。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式、分域数据处理方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下步骤：

(4-1)数据可信节点接收来自指定矿工节点/指定矿工后备节点广播的数据区块，对其进行验证核实；

(4-2)对于(4-1)中验证核实通过的数据区块，判断其是否为空的区块，如果为空，重置区块消息定时器；如果不为空，则将该数据区块保存到本地总账本中，并对其进行转发，同时重置区块消息定时器；

(4-3)对于(4-1)中验证核实不能通过的数据区块，将该数据区块丢弃。

3.根据权利要求1或2所述的基于区块链的分布式、分域数据处理方法，其特征在于，所述指定矿工节点/指定矿工后备节点以及所述数据可信节点对所述数据区块进行定期删除。

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