CN113486015A - 一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统，包括数据采集层、信用共识层及应用层，数据采集层采用簇状结构构建数据采集网络，数据采集网络包括若干层子节点和位于最上层的父节点，每个父节点和子节点均设有边缘计算终端；信用共识层包括数据一致性评估模块、数据可信度模块及数据完整性评估模块，信用共识层用于使部分去中心化的分布式节点能够针对不同类型电网数据迅速达成共识，为应用层的数据应用提供支持；应用层封装的应用包括数据的发送、接受的控制指令以及数据处理计算，提供向上和向下的服务；本发明解决了电力系统泛在电力物联网建设中数以亿计的数据采集终端数据准确汇聚的问题，实现了数据的一致性、防篡改、完整性。

Description

一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统及方法
技术领域
本发明涉及电力数据网络传输技术领域，具体是一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统及方法。
背景技术
在传统的电力网络中，各个电力终端采集到的数据将传输到主站统一处理。但随着电网规模的扩大，接入的终端设备和产生的数据量不断增多，数据的传输和处理将耗费大量的网络和计算资源，且无法满足时延和安全性的需求。由此，全面扩大边缘计算在感知层的应用，是国家电网实现数字化转型的必由之路。
在技术领域来看，国家电网提出了泛在电力物联网技术架构体系，实际分为“云、管、边、端”四个层面。所谓的“云”是指物联网平台云，“管”则是指有线/无线通讯方式，“边”是指边缘计算，“端”则涵盖了智能传感、智能终端和智能设备。边缘计算边是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求，是构建泛在电力物联网的关键节点。
然而，电网系统在“发输变配用”各个层面均有复杂的业务逻辑，现有的边缘计算终端往往需针对不同的业务进行处理，采集本地数据并且在本地进行业务处理，然后将统计、分析结果汇聚到核心云进行统一呈现、统计及数据分析。目前，现有的研究在终端计算、存储、网络等方面开展了大量的研究和实践工作，但是面对海量的物联网终端，不同的设备厂家、运维人员、技术专家和管理人员都会是数据的产生者和应用者，业务数据的交互和同步，都需要保证各个节点数据的一致性来保障，甚至有的业务数据必须可追溯，对数据同步权限、实时性等方面提出了不同的要求，这些要求都是确保电力系统安全运行的关键。
现有的边缘计算终端仅仅用于数据采集、计算和传输，但是对数据的可信度没有考虑，尤其是数据在整个采集上传的链条中如何保证数据不被人为改动，对于构建稳定、可靠、可信的泛在电力物联网至关重要。
发明内容
本发明的目的就是为了更好的满足电网业务数据可追溯、数据同步权限、实时性等方面的要求，提供一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统及方法。
本发明的具体方案是：一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统，包括数据采集层、信用共识层及应用层，数据采集层采用簇状结构构建数据采集网络，数据采集网络包括若干层子节点和位于最上层的父节点，每个父节点和子节点均设有边缘计算终端；信用共识层包括数据一致性评估模块、数据可信度模块及数据完整性评估模块，信用共识层用于使部分去中心化的分布式节点能够针对不同类型电网数据迅速达成共识，为应用层的数据应用提供支持；应用层封装的应用包括数据的发送、接受的控制指令以及数据处理计算，提供向上和向下的服务。
本发明包括边缘计算终端包括MCU模块和多协议数据采集模块，多协议数据采集模块与MCU模块之间进行数据传输，MCU模块集成了数据缓存模块、数据处理模块、通讯模块和联盟链模块。
本发明所述联盟链模块包括区块头和区块体，区块头用于存放区块的识别信息，包括区块ID、时间戳、梅克尔根、Trokia哈希、签名、地址、标识符、区块大小；区块体用于存放数据包，包括设备信息、密钥处理、数据辨识、发送模式、锁定时间。
本发明所述多协议数据采集模块可通过RJ45、USB、光纤、RS485、RS232、WIFI、LORA、蓝牙进行数据传输。
采用上述轻量级集成区块链的电力边缘计算系统进行电网数据传输的方法包括以下步骤：1）将电网数据分为环境数据、在线监测、带电检测和金属监督数据四大类构建哈希；2）通过哈希函数加密形成密文内嵌至区块主体的数据包；3）子节点根据传输链路向上一级节点发送，每个上一级节点根据密钥进行验证，最终发送到父节点，扩散到区块联盟链上；4）其他节点根据识别号、时间戳、 梅克尔根确认该条数据信息是否合法；5）若区块信息合法则将通过密钥处理对其进行数据解密并添加到自己的数据库中；6）电网数据的本轮应用结束，区块进行下一轮应用。
本发明具有以下有益效果：1、解决了电力系统泛在电力物联网建设中数以亿计的数据采集终端数据准确汇聚的问题，通过集成联盟链的边缘计算终端，实现数据的一致性、防篡改、完整性，通过在底层构筑簇状网格，实现了数据的汇聚明确化，并结合简化的网络层级实现轻量化；2、边缘计算终端集成了多种数据采集接口，可实现多传感器的数据接入；3、联盟链模块集成了超轻量级Troika哈希，不仅提高了安全性，还大幅度提高实时性。
附图说明
图1是本发明轻量级区块联盟链的网络架构示意图；
图2是本发明联盟链的电网边缘计算终端示意图；
图3是本发明联盟链技术下电网数据应用模型示意图。
具体实施方式
参见图1，本实施例是一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统，区块联盟链视角下智能电网数据管理平台的技术框架分为3个层级，分别是：数据采集层、数据信用共识层和数据应用层。每一层级都有各自核功能，各层之间相互配合，共同构成集成联盟链的前端网络架构；
数据采集层：采用簇状结构构建数据采集网络，每个边缘计算终端被定义为子节点，最上层的边缘计算终端定义为父节点。边缘计算终端中集成了联盟链模块；
信用共识层：区块联盟链技术从根本上解决了电网数据平台中区块共识与信任的问题，使部分去中心化的分布式节点能够针对不同类型电网数据迅速达成共识，为应用层的数据应用提供支持。而且，在信用共识层定义轻量级数据库，达到数据高效利用的效果；
应用层：应用层封装的应用包括数据的发送、接受的控制指令以及数据处理计算，提供向上和向下的服务。
参见图2，边缘计算终端集成了多种数据采集接口，可实现多传感器的数据接入，并且集成了数据缓存模块、数据处理模块、通讯模块和联盟链模块。其中联盟链模块参见图3，集成了超轻量级Troika哈希，不仅提高了安全性，还大幅度提高实时性。在区块链中通过将数据分为环境数据、在线监测、带电检测和金属监督数据四大类构建哈希，并通过区块头和区块体形成了区块链结构。
每个区块由区块头和区块主体构成，区块头主要存放区块的识别信息，包括识别ID、时间戳、梅克尔根、Trokia哈希、签名、地址、标识符、区块大小等；区块主体主要存放数据包，包括设备信息、密钥处理、数据辨识、发送模式、锁定时间等。单个区块的加密主要分为 3 个步骤，即电网数据汇聚、电网数据认证和电网数据传输。如图 3所示，以区块2为例，在区块链传输开始时，电网数据的关键信息通过哈希函数加密形成密文内嵌至区块主体的数据包；子节点根据传输链路向上一级节点发送，每个上一级节点根据密钥进行验证，最终发送到父节点，扩散到区块联盟链上；其他节点根据识别号、时间戳、 梅克尔根确认该条数据信息是否合法，若区块信息合法则将通过密钥处理对其进行数据解密并添加到自己的数据库中。至此，电网数据的本轮应用结束，区块进行下一轮应用。

Claims (5)

1.一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统，其特征是：包括数据采集层、信用共识层及应用层，数据采集层采用簇状结构构建数据采集网络，数据采集网络包括若干层子节点和位于最上层的父节点，每个父节点和子节点均设有边缘计算终端；信用共识层包括数据一致性评估模块、数据可信度模块及数据完整性评估模块，信用共识层用于使部分去中心化的分布式节点能够针对不同类型电网数据迅速达成共识，为应用层的数据应用提供支持；应用层封装的应用包括数据的发送、接受的控制指令以及数据处理计算，提供向上和向下的服务。
2.根据权利要求1所述的一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统，其特征是：包括边缘计算终端包括MCU模块和多协议数据采集模块，多协议数据采集模块与MCU模块之间进行数据传输，MCU模块集成了数据缓存模块、数据处理模块、通讯模块和联盟链模块。
3.根据权利要求2所述的一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统，其特征是：所述联盟链模块包括区块头和区块体，区块头用于存放区块的识别信息，包括区块ID、时间戳、梅克尔根、Trokia哈希、签名、地址、标识符、区块大小；区块体用于存放数据包，包括设备信息、密钥处理、数据辨识、发送模式、锁定时间。
4.根据权利要求2所述的一种轻量级集成区块链的电力边缘计算系统，其特征是：所述多协议数据采集模块可通过RJ45、USB、光纤、RS485、RS232、WIFI、LORA、蓝牙进行数据传输。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述轻量级集成区块链的电力边缘计算系统进行电网数据传输的方法，其特征是：包括以下步骤：1）将电网数据分为环境数据、在线监测、带电检测和金属监督数据四大类构建哈希；2）通过哈希函数加密形成密文内嵌至区块主体的数据包；3）子节点根据传输链路向上一级节点发送，每个上一级节点根据密钥进行验证，最终发送到父节点，扩散到区块联盟链上；4）其他节点根据识别号、时间戳、 梅克尔根确认该条数据信息是否合法；5）若区块信息合法则将通过密钥处理对其进行数据解密并添加到自己的数据库中；6）电网数据的本轮应用结束，区块进行下一轮应用。
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