基于區(qū)塊鏈的電力泛在業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)的研究

　　摘要：電網(wǎng)智能化業(yè)務(wù)以及能源互聯(lián)網(wǎng)泛在業(yè)務(wù)接入需求的增加，產(chǎn)生了大量智能終端設(shè)備的接入，信息的獲取方法、存儲形態(tài)、傳輸渠道和處理方式都發(fā)生了新的變化，對信息通信技術(shù)支撐電網(wǎng)業(yè)務(wù)的能力提出了更高的要求。電力通信網(wǎng)支撐業(yè)務(wù)安全、可信、靈活接入的需求非常迫切。

　　關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;分布式認證;電力物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)關(guān);終端測試

　　隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，這種中心化的網(wǎng)絡(luò)面臨著挑戰(zhàn)：首先，電力微電網(wǎng)、可再生能源、家庭用戶間的電力交易等業(yè)務(wù)的接入，使得大量終端之間直接通信的需求日益凸顯，傳統(tǒng)匯聚型網(wǎng)絡(luò)要向互聯(lián)性網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變;其次，電力物聯(lián)網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)基礎(chǔ)，必將帶來終端數(shù)量的激增，過多依賴認證中心的集中式接入方式在有效性和安全性等方面滿足不了日益增長的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系的需求。產(chǎn)生以上問題的關(guān)鍵原因是存在中心節(jié)點，無法應(yīng)對海量數(shù)據(jù)的處理、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、可靠性以及安全風險，去中心化是解決以上問題的重要思路。對于電力行業(yè)應(yīng)用，雖然采用區(qū)塊鏈技術(shù)可以解決上述問題，避免集中處理設(shè)備間的大量交易信息，可在保護用戶隱私和匿名性的前提下，提供靈活可信的接入途徑;但是，從現(xiàn)有的應(yīng)用來看，區(qū)塊鏈技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用還有一些問題需要解決。為此，本文提出適用于電力物聯(lián)網(wǎng)的分布式認證方案，研制了基于區(qū)塊鏈的電力泛在業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)，并進行了現(xiàn)場測試。

　　1、基于區(qū)塊鏈的分布式認證

　　1.1面向泛在業(yè)務(wù)可信接入的電力通信網(wǎng)特征

　　在能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，電力通信網(wǎng)中的業(yè)務(wù)接入設(shè)計了大量的物聯(lián)網(wǎng)終端，引出會出現(xiàn)大量不同類型特征、不同接入需求、不同業(yè)務(wù)特征的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點并發(fā)申請入網(wǎng)的情形。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的主要特征如下：

　　a)終端特征———各通信站點物理位置分散，變電所的傳感器數(shù)量多，各節(jié)點設(shè)備接入的業(yè)務(wù)種類多;

　　b)接入能力需求———實時性、服務(wù)質(zhì)量、帶寬各不相同;

　　c)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特征———間斷通信與突發(fā)通信、實時業(yè)務(wù)與非實時業(yè)務(wù)、重負荷與輕負荷等特征，以及可靠性、安全性、及時性要求;

　　d)承載業(yè)務(wù)類型———自動化控制業(yè)務(wù)、生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)、行政管理和信息化管理服務(wù)等。

　　1.2分布式認證模型和過程

　　傳統(tǒng)的接入認證模型所有節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)需向統(tǒng)一的認證中心認證，當節(jié)點數(shù)量眾多時會導致認證中心負載過大，不適于電力通信網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點接入的場景�；�于區(qū)塊鏈的接入認證包含以下步驟：

　　步驟1，確保每個節(jié)點在出廠時通過固件確定唯一的公鑰和對應(yīng)的私鑰，并使用時間戳形成區(qū)塊鏈。

　　步驟2，通過實用拜占庭容錯算法投票機制確立共識機制。

　　步驟3，定義虛擬貨幣，確立激勵懲罰機制，當節(jié)點提供了認證服務(wù)時，獲得規(guī)定數(shù)量的虛擬貨幣，當節(jié)點申請認證服務(wù)時，需要消費虛擬貨幣。

　　步驟4，所有節(jié)點可下載賬本信息，通過加密算法保證認證過程中不會泄露隱私信息。

　　根據(jù)上述步驟，建立電力通信網(wǎng)絡(luò)接入私有區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和智能合約，新設(shè)備被工廠組裝完成后設(shè)置唯一標識，安裝部署后轉(zhuǎn)移到一個通用的區(qū)塊鏈中注冊，在這個區(qū)塊鏈上可以與其他設(shè)備自主互動，協(xié)同認證，在認證過程中無需認證中心參與。系統(tǒng)中每個節(jié)點都具有高度自治的特征，節(jié)點之間彼此可以自由連接，形成新的連接單元。任何一個節(jié)點都可能成為階段性的中心，但不具備強制性的中心控制功能。節(jié)點與節(jié)點之間的影響會通過網(wǎng)絡(luò)而形成非線性因果關(guān)系，它可讓設(shè)備了解其他設(shè)備的功能，以及不同用戶圍繞這些設(shè)備的指令和權(quán)限，即追蹤設(shè)備之間的關(guān)系、用戶與設(shè)備之間的關(guān)系，以及在用戶同意的條件下的2個設(shè)備之間的關(guān)系。

　　電力物聯(lián)網(wǎng)的終端在接入認證時，第1步是先發(fā)送認證請求，主節(jié)點根據(jù)認證結(jié)果將請求封包，再檢索接入認證區(qū)塊鏈中的合適的節(jié)點。合適的節(jié)點必須滿足合法性和認證性，還需要滿足功能要求。合法性是指節(jié)點已經(jīng)成功接入系統(tǒng)，認證性是指節(jié)點的節(jié)點屬于同種業(yè)務(wù)，功能要求是指有足夠的處理能力和電量來運行算法。最后，請求會通過組播方式發(fā)送給認證組。整個認證過程可以分成請求階段和確認階段。

　　a)請求階段：電力終端發(fā)起認證申請，在申請中包含了終端的注冊信息，主節(jié)點收到認證申請

　　后，用終端公鑰對終端簽名進行確認，最后形成認證協(xié)議請求報文。

　　b)確認階段：主節(jié)點收到認證申請后，檢索認證區(qū)塊鏈;再進行綜合匹配，主要是根據(jù)節(jié)點的類型、運行狀態(tài)、業(yè)務(wù)類型等進行匹配;最后選擇最滿足條件的節(jié)點，形成認證組G={P1，P2，…，Pt｝，在G中發(fā)送認證協(xié)議請求報文，節(jié)點通過共識算法完成認證，生成區(qū)塊，終端收到確認信息。

　　2、電力通信網(wǎng)泛在業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

　　2.1網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件組成

　　系統(tǒng)硬件組成包括區(qū)塊鏈認證服務(wù)器、可編程交換機和配置終端3部分。區(qū)塊鏈認證服務(wù)器采用X86架構(gòu)的工控機、8GB內(nèi)存、CentOS7操作系統(tǒng)、千兆以太網(wǎng)口。運行區(qū)塊鏈認證系統(tǒng)，存儲超級賬本。交換機具有遠程配置功能，可接收認證服務(wù)器傳來的控制指令。當指令為通過時，建立連接鏈路;當指令為阻斷時，切斷相應(yīng)接口的網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)限。

　　2.2網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件體系

　　軟件系統(tǒng)通過界面左邊導航欄可以進入主頁、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理等功能界面，主界面中可以看到所有終端的狀態(tài)。狀態(tài)分為3種：紅色表示拒絕接入，藍色表示可以接入，灰色表示設(shè)備不在線。當處于藍色狀態(tài)時，對應(yīng)設(shè)備可以接入業(yè)務(wù)系統(tǒng)，否則無法接入業(yè)務(wù)系統(tǒng)�？梢酝ㄟ^手動方式對設(shè)備的通斷進行控制，相應(yīng)顯示紅色或藍色。

　　3、電力通信網(wǎng)泛在業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)的測試分析

　　3.1測試場景

　　測試場景為配電自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)是典型的電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景�，F(xiàn)場配電終端主要通過光纖、無線網(wǎng)絡(luò)等通信方式接入配電自動化系統(tǒng)，目前安全防護措施相對薄弱以及黑客攻擊手段的增強，致使點多面廣、分布廣泛的配電自動化系統(tǒng)面臨來自公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊風險，進而影響配電系統(tǒng)對用戶的安全可靠供電。同時，當前國際安全形勢出現(xiàn)了新的變化，攻擊者通過配電終端誤報故障信息等方式迂回攻擊主站，進而造成更大范圍的安全威脅。為了保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，配電自動化系統(tǒng)的安全防護至關(guān)重要。

　　3.2網(wǎng)關(guān)部署的系統(tǒng)拓撲

　　區(qū)塊鏈認證服務(wù)器通過匯聚交換機與電力通信網(wǎng)連接，對終端設(shè)備的接入請求進行驗證。演示驗證系統(tǒng)分為2個分片，其中分片1中DTU通過接入交換機在2層與匯聚交換機互通，分片2中終端通過4G專網(wǎng)與匯聚交換機互通。物聯(lián)終端接入骨干通信網(wǎng)之前，需要通過區(qū)塊鏈認證服務(wù)器認證，并獲得通信令牌，否則將不能建立網(wǎng)絡(luò)層(3層)通信鏈路。

　　電力論文投稿刊物：《南方能源建設(shè)》是2014年6月經(jīng)由國家新聞出版廣電總局批準、由南方電網(wǎng)傳媒有限公司主管、中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司和南方電網(wǎng)傳媒有限公司聯(lián)合主辦的能源行業(yè)科技類學術(shù)期刊，刊號為CN44-1715/TK，ISSN 2095-8676，國際期刊刊名代碼CODEN為NFNYJK;國內(nèi)外公開發(fā)行，季刊，2014年12月25日發(fā)行首刊。

　　結(jié)束語

　　利用區(qū)塊鏈去中心化的技術(shù)，結(jié)合電力通信網(wǎng)的特征，本文提出適用于電力物聯(lián)網(wǎng)的分布式認證方案，研制了基于區(qū)塊鏈的電力泛在業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)，在有線環(huán)境和無線環(huán)境下進行了終端測試，實現(xiàn)了配電自動化、新能源等典型泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的終端接入認證。針對信息通信基礎(chǔ)中電力通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展深入研究，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，并對該技術(shù)進行跨領(lǐng)域拓展、實用化改造以及適應(yīng)性優(yōu)化，通過必要的研究和開發(fā)將該技術(shù)應(yīng)用到各類電力業(yè)務(wù)接入的應(yīng)用場景中，以提升電力通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞性能，解決電力業(yè)務(wù)信息通信基礎(chǔ)支撐平臺的網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸問題。下一步將繼續(xù)挖掘區(qū)塊鏈在信息安全方面的獨特優(yōu)勢，結(jié)合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用場景，研究基于區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)終端高效接入和細粒度訪問控制的方法。

　　參考文獻：

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　　作者：李國棟

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