基于區塊鏈的變電站檔案管理研究

李躍 馮鋒

摘要：變電站檔案作為記錄變電站運行信息的重要資料，在項目工程驗收、事故責任認定、資產核查、設備故障排查等方面發揮著極其重要的作用。但是現階段站內檔案管理尚存在資料管理不合理、更新不及時、易被篡改等問題亟需解決，這些問題成為變電站運維和工程開展的潛在安全隱患。區塊鏈利用共識算法，使全網用戶共同參與信息的維護，通過共識機制保障記錄的安全性、透明性和可靠性。文章通過分析變電站檔案管理中存在的實際問題，介紹了區塊鏈的核心技術，提出了基于超級賬本Fabric的變電站檔案管理方法。

關鍵詞：區塊鏈;變電站檔案管理;超級賬本Fabric

中圖分類號：TP311.13

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8228（2020）09-37-04

Research on substation archives management based on blockchain

Li Yue， Feng Feng

（School of Information Egineering， Ningxia University， Yinchuan， Ningxia 750021， China）

Abstract： As the important information to record the operation information of Substation. substation archives play an extremelyimportant role in project acceptance， accident responsibility identification. asset verification， equipment troubleshooting， etc. However，at this stage， there are still some problems to be solved. such as unreasonable data management， untimely update， easy to betampered and so on. These problems become potential security risks for substation operation and maintenance and projectdevelopment. By using consensus algorithm， blockchain enables users of the whole network to participate in the maintenance ofinformation. and ensures the security， transparency and reliability of records through consensus mechanism. This paper analyzes thepractical problems in the management of substation archives. introduces the core technology of blockchain. and proposes a filemanagement method of substation based on super ledger Fabric.

Key words： blockchain; substation archives management; super ledger Fabric

0引言

隨著變電站數量的不斷增加，以及變電站規范化管理要求的不斷提升，變電站各類檔案資料呈現種類繁多、數量龐大、更新速度快、管理難度大等特點，同時變電站資料涉及到工程項目責任，需要為不同資料設置相應的使用范圍及查閱權限。因此，變電站站內檔案需要一種新的電子化存儲方式來保證資料的完整可靠、更新及時、不可篡改、限制查詢等要求。

區塊鏈技術作為一種在各個領域應用非常廣泛的分布式共享數據庫技術，其提供了一種去中心化、非對稱性數據加密、時間戳、節點無需互相信任積累的范式[1]。其已在金融、供應鏈、資產認證等多個領域有實際項目[2-3]。2019年10月，在中共中央政治局第十八次集體學習會議上，中共中央總書記習近平再次強調，區塊鏈技術的集成應用在新的技術革新和產業變革中起著重要作用。

1變電站檔案管理現狀分析

變電站檔案管理作為變電站運維工作中的重要內容，需要資料管理人員的對站內設備情況、站內工程情況及資料閱讀權限等方面有整體把握。集控變電站的檔案管理往往以幾座甚至幾十座變電站的形式統一管理，檔案數量種類多、數量大[4]。雖然變電站部分資料實現了電子化，但是仍然有很大一部分是以紙質的形式存儲。同時，變電站檔案查閱往往涉及到生產技術、變電運行、變電檢修等多個部門，因此這給資料管理上帶來了很大的難度，如果管理不善，往往會造成檔案的丟失、損壞和誤改，從而給變電站帶來安全隱患及工程項目責任風險。

1.1電子檔案易損壞

由于變電站電子檔案關系著站內設備安全運行及工程的順利開展，保障其安全性是變電站檔案管理最重要的內容。目前，變電站的設備參數及資產資料往往以文檔的形式存儲在站內主機磁盤中，由于電腦有時需要插入U盤等移動存儲設備，變電站電子檔案易受到病毒破壞，造成數據被篡改及丟失，而且由于沒有其他單位對檔案信息進行備份存儲，因此數據被篡改或丟失后無法找回，從而造成永久損失。

1.2檔案更新不可追溯

在變電站“春查”、“秋查”及站內進行其他工程時，由于工程現場檔案需要頻繁更新、查閱及檔案的更新操作也往往缺乏審核，極易造成檔案數據錯誤。且發生錯誤后，由于檔案管理缺少日志，往往無法追溯到數據修改前的內容，無法保證檔案數據的可靠性。

1.3檔案缺乏合理管理

由于變電站的安全生產、設備變更情況及資產信息等都需要安全監督及接受財務部門的隨時檢查，在工程現場也有各類工作人員需查詢相關檔案，而因檔案使用缺乏授權機制，資料檔案管理混亂，往往影響到檔案的安全使用和信息的保密性。另外，資料缺乏有效合理的管理也會造成審核時間過程長，審核效率低。因此我們需要保證這些資料能夠快速準確地提供給檢查單位，提高工作效率。

2區塊鏈核心技術

2.1數據結構

區塊鏈數據結構作為比特幣中的底層核心技術，最初大多沿襲了比特幣中的鏈式結構。隨著研究的深入，出于性能、安全性等不同方面的考慮，新的區塊鏈數據結構被提出，如樹狀結構和圖狀結構[5]。下面簡單介紹下鏈式結構。

在比特幣系統中，每個區塊由包含元數據的區塊頭和許多條交易紀錄的區塊體組成。元數據包括本區塊及上一個區塊的哈希散列值，Merkle樹根，時間戳，隨機數，區塊高度，難度系數等。區塊之間通過哈希指針連接起來，通過哈希指針可以找到上一個區塊。Merkle樹根可以用來校驗交易信息，保證交易信息未被篡改。區塊頭哈希值和區塊高度則可以區分不同區塊。隨機數和難度系數用于工作量證明POW，可以動態地調整“挖礦”難度，保證區塊產生時間的穩定。各個區塊按照這種結構連接起來，形成了區塊主鏈，區塊鏈的結構如圖1所示。

為了保障每個區塊中交易的不可篡改性，交易信息采用Merkle樹進行數據組織。Merkle樹也稱作哈希樹，每個葉子節點是一條交易信息，葉子節點通過哈希運算得到其哈希值，再將兩個葉子節點的哈希值再取哈希得到上一級的非葉子節點，以此類推，最終得到Merkle樹根。對于交易記錄的任何的修改都能體現在Merkle樹根值上，因此可以通過Merkle樹根值是否正確來來判斷交易信息是否被篡改過。Merkle樹結構如圖2所示。

2.2智能合約

智能合約的提出可以追溯到1995年，由多產的跨領域法律學者尼克·薩博（Nick Szabo）提出。其對智能合約的定義為一套以數字形式定義的承諾，包括合約參與方可以在上面執行這些承諾的協議。在具體實現過程中，智能合約是一段可執行的腳本，智能合約與區塊鏈的結合，使得區塊鏈的應用不再僅僅局限于分布式賬本，可以根據實際需要，在各節點執行腳本代碼，實現特定功能。智能合約使區塊鏈網絡處理數據時更高效，但同時由于智能合約的不可逆轉性，綁定包含錯誤的協議則會造成嚴重的問題。

3基于區塊鏈技術的變電站檔案管理實現

變電站檔案管理以生產技術部、變電處為主、具有可信認證的多主體參與、鏈上主體共同維護的特點，因此選取區塊鏈聯盟鏈體系，構建以變電處和生產技術部為主導，包含變電檢修部門、財務資產部、安全監督部等多個部門組成的生態聯盟。

3.1實現過程

變電站檔案管理區塊鏈網絡是基于超級賬本Hyperledger Fabric買現的?？蓪崿F對人員授權、密鑰管理、訪問控制等功能。其整體實現過程如圖3所示。

3.1.1業務邏輯

首先，確定區塊鏈管理成員，包括變電運行、變電檢修、安全監察、財務、生產技術等部門。第二，確定鏈上存取的數據，包括項目管理制度、安全管理臺賬、質量管理臺賬、技術管理臺賬、設備資產明細等。第三，根據不同的工作內容設置操作權限和使用范圍，如生產技術部門負責對資產核查、工程檔案和設備信息查詢提供授權，變電處對工程人員登記、工作檔案和設備信息更新等提供審核。第四，經過變電處審核通過的更新數據，如：工作票、操作票記錄、一次設備投退情況、二次保護裝置定值等通過客戶端上傳到鏈上，經過全網節點共識后將更新后的信息記錄在鏈上，由全網節點共同維護，保證信息真實性和追溯性;第五，由生產技術部和安全監察部牽頭制定，并經各主體簽名認證后生成智能合約，合約中規定了變電、檢修工作人員及其他工程人員對信息進行更新的范圍，在觸發合約時自動執行合約內容;最后，鏈上的節點經過生產技術部授予權限后，可以查看區塊鏈網絡上存儲的信息。

3.1.2運行過程

當客戶端發出數據更新請求后，系統會根據鏈碼中編寫的相應代碼執行相應權限的操作，將數據更新操作先送到網絡中的背書節點，背書節點檢查執行的合法性并模擬執行，然后對數據更新請求進行背書，并發送到原客戶端?？蛻舳藢⒈硶蟮恼埱笤俅伟l給排序節點進行排序，排序節點同樣需要校驗操作的合法性，最后打包發給網絡中各節點，從而改變鏈中存儲的數據。

當客戶端發出查詢請求后，首先判斷用戶的查詢權限和范圍，然后系統會根據世界狀態數據庫、歷史狀態數據庫及索引數據庫快速查詢到用戶所要查詢的數據。

3.2技術特征

3.2.1上鏈、查詢速度快

變電站檔案管理區塊鏈的數據都是經過變電檔案管理部門審核通過的，可以確保存儲的數據與實際設備、工程票據內容一致。由于Fabric為了提高性能，各節點要維護世界狀態、歷史狀態以及索引數據庫，從而避免了全鏈查詢。同時，采用合適的共識機制，提高了變電站檔案信息的上鏈和查詢速度。

3.2.2節點安全可靠

首先，變電站檔案管理區塊鏈的分布式鏈式存儲結構確保了區塊鏈的容錯性，少數節點因故退出后不會影響整個區塊鏈網絡運行。其次，區塊鏈保證了鏈上數據無法被篡改及可追溯，保證了數據的安全性和可靠性，即使出現錯誤也能實現對錯誤的實時定位和有效處理。最后，區塊鏈采用聯盟鏈的形式，只有電力企業內部各部門可以加入，確保了區塊鏈上的節點都是可信的，有效避免了非法節點對區塊鏈的侵入。

3.2.3并發處理性能強

由于變電站沒備較多，各種工程資料繁雜，使得鏈上需存儲的信息量巨大，采用Fabric框架可以在一分鐘內實現上百萬次的上鏈操作，完全滿足實際的工作需要。同時，區塊鏈中提供了可選的CouchDB分布式數據庫，其具有高并發性、高靈活性、高擴展性、容錯性好的優點，應用在變電站檔案管理中提高了變電站檔案管理的并發處理速率，保證大規模分布式數據存儲的可靠性。

4結束語

利用Hyperledger Fabric框架的區塊鏈技術對變電站檔案進行管理，不僅可以提升站內檔案管理的信息化水平，提高檔案信息的存儲速率和并發處理能力，確保檔案信息的真實性、有效性和可追溯性，而且由于有生產技術部門和變電部門審查，可以有效減少工程項目及日常檢修過程中出現的檔案誤填、誤改、誤刪等現象，其他部門可以在獲取相應權限后快速查詢相應的站內檔案信息，提高了工作效率。隨著區塊鏈技術的不斷發展，其與電力行業的融合度會越來越高，通過合理運用相關技術，可以有效提高電力行業的檔案管理水平，保證電力系統安全可靠運行。

參考文獻（References）：

[1]張俊，高文忠，張應晨，鄭心湖，楊柳青，郝君，戴瀟瀟.運行于區塊鏈上的智能分布式電力能源系統：需求、概念、方法以及展望[J].自動化學報，2017.43（9）：1544-1554

[2]周小韻，區塊鏈技術在學生檔案管理中的應用模式探究[J]，南京理工大學學報（社會科學版），2019.32（6）：52-57

[3]王繼業，高靈超，董愛強，郭少勇，陳暉，魏欣.基于區塊鏈的數據安全共享網絡體系研究[J].計算機研究與發展，2017.54（4）：742-749

[4]陳寧釗，吳鴻超.智能化變電站資料管理系統的設計及應用[J].供用電，2008.25（6）：73-75

[5]蔡曉晴，鄧堯，張亮，史久琛，陳全，鄭文立，劉志強，龍宇，王堃，李超，過敏意.區塊鏈原理及其核心技術[J]，計算機學報，2019.5：1-51

收稿日期：2020-05-18

基金項目：寧夏重點研發計劃重點項目（2018BFG02003）

作者簡介：李躍（1988-），男，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向：信息系統工程。

通訊作者：馮鋒（1971-），男，寧夏銀川人，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向：信息系統工程、物聯網技術及應用。