CN115941452A - 基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源*** - Google Patents
基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，以物联网传感器节点数据为基础，设计了基于区块链和星际文件***的去中心化电子存证方案，收集各电力***节点数据存储于区块链***当中。该***于电力输送网络设备端处布置有由多种传感器构成的传感器模组，数据层由传感器模组定时采集电网数据，电网数据通过5G网络上传至云端；用户层和应用层实现在本地服务端***管理与交互。数据摘要和信息存储于区块链网络当中，利用分片存储策略分配方法优化区块链存储并组成区块链层。相较于现阶段普遍采用物理法对长距离输电***进行故障点位判断分析的方法，能够更加快速准确地定位故障点位、分析故障成因，减少电力故障所带来的损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，属于智能电网技术领域。
背景技术
随着电力***建设的发展，电网规模和结构愈发复杂化，不同区域、不同模块之间的关联程度越来越高。在电力故障发生时，故障元件定位是故障原因推断的重要前提。伴随着人工智能技术的发展，有学者将神经网络用于单线故障和三相故障位置的确定。基于径向基函数神经网络的故障定位方法可以确定故障的准确类型和位置，但该方法所需数据量较大，且电路参数往往变化多端，因此训练模型鲁棒性较差。
5G技术的发展为物联网技术在电网建设和发展中的应用提供了基础，物联网在智能家居、智慧交通、智慧农业及智慧电网等领域取得了广泛应用，物联网技术在电网中的推广和应用也使得电网中不同模块之间能够通过物联网技术实现信息交互和丰富的控制功能。区块链技术具有的去中心化、安全性和可靠性在诸多领域取得了广泛应用。同时为了使区块链技术在更多领域得到广泛应用，有研究对区块链智能合约的运行机制进行探索，设计出了一种基于新型六层架构的智能合约框架。有研究在对比多个区块链软件***及对应的传统Java语言开发的***后发现，区块链***主要由分布式计算、P2P网络和加密算法共同组成，往往面对数据存储安全性有一定需求的相关领域。为提升区块链吞吐交易效率，有研究创新性的提出基于组件的区块链框架，为区块链之间的通信创建多链路网络，从而大幅提升区块链吞吐性能。伴随着区块链技术的发展成熟，不少学者逐步将区块链技术用于电网当中。其中电网交易是区块链技术应用的主要领域之一，将数字货币用于能源交易当中能够提升能源交易的可靠性与安全性，提高电力***调动的可靠性。
现阶段区块链技术与电力能源行业相结合的探索多集中于电量交易或电能数据存储等方面，利用区块链技术的不可篡改性提升数据安全性和交易的可靠性。本文使用区块链技术解决电力故障点位确定这一问题当中，设计分片存储数据分配存证模型提升区块链***存储空间利用率，减少***访问节点所需时间，利用区块链技术的可溯源特性快速对电力***故障点位进行查找确认。
发明内容
本发明以物联网传感器节点数据为基础，设计了基于区块链和星际文件***(IPFS)的去中心化电子存证方案，收集各电力***节点数据存储于区块链***当中。设计分片存储数据分配存证模型优化区块链***存储空间利用率，减少节点访问时间。利用区块链数据溯源特点对电力***故障点位进行快速精准溯源，为电力***安全稳定运行提供强大的技术支持。
本发明采用的技术方案为基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，该***于电力输送网络设备端处布置有由多种传感器构成的传感器模组，传感器模组是数据层建设的硬件基础；数据层由传感器模组定时采集电网数据，电网数据通过5G网络上传至云端；然后再由云端的备份数据至中控机房进行处理确认和处理，用户层和应用层实现在本地服务端***管理与交互。其中在云端对数据进行处理，数据内容部分存储于云端的IPFS网络***，数据摘要和信息存储于区块链网络当中，利用分片存储策略分配方法优化区块链存储并组成区块链层，便于后续电网出现故障进行快速溯源查找。该***对经过区块链层加密的数据进行存储，形成数据存储层。
所述故障定位溯源部分***共分为用户层、应用层、数据层、区块链层和数据存储层五部分。数据层处于***的最底层，该层通过多种传感器采集数据传输至区块链层对数据加密后传输至数据存储层存储，通过与其直接连接的用户层和应用层实现***管理与交互。
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进一步地，区块链存证及故障溯源定位***需要实现数据的存证、验证、下载恢复和数据溯源定位功能。数据存证功能需要将各个物联网节点采集和传输的数据内容加密存储到IPFS当中，并将数据摘要和附属信息存储于区块链当中。存证验证功能需要将IPFS存储的数据内容和区块链上存储的数字摘要进行对比验证。存证历史追溯功能包含对数据修改和查询的相关记录，以及过往版本的追溯查找。数据恢复功能是指在存证验证发生异常以后，对数据信息实现数据恢复，包括区块链信息的恢复、IPFS当中电子数据的恢复。数据溯源定位能够实现在电力***发生故障时，对数据回溯查找，解析数据内容及上传节点信息功能。采用加密算法SHA256算法作为***的加密算法。
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进一步地，电子数据存证及数据存储功能需要实现用户上传待存证的数据及数据信息，提取数据的数据摘要并进行加密、转码操作，将数据摘要及数据信息存储到区块链网络当中，存证数据上传至IPFS节点进行存储，采用分片存储策略分配策略对存储空间进行合理优化，节约存储空间的同时实现快速检索。用户登录进入***后能够获得相应的公钥和私钥，随后将待存证的电子数据和数据信息进行上传，计算出数据数字摘要后使用该数字摘要构建multiHash值，并将multiHash值存储于IPFS网络当中，实现存证数据的存储。在存证阶段，需要对数字摘要转码，将转码后的数字摘要和数据信息存储至区块链当中。如果用户选择进行加密存储，则需要用户使用公钥对数字摘要进行存储，加密存储方式能够在很大程度上保护用户的数据隐私，用户也可根据需求选择非加密存储。最后，转码后的数字摘要序列返回给用户，用户使用数字摘要序列对存证数据进行下载与查询。
进一步地，使用SHA256算法的不可逆性，将其计算得到的数字摘要用于对存证数据的真实性和完整性进行验证。对于异常攻击发生的节点位置，由区块链交易数据中的Merkle Tree实现快速定位；当电网发生故障时，利用MerkleTree快速追溯故障节点位置。区块链中的每笔交易都使用用户私钥进行数字签名，将用户身份、交易与数字摘要实现强绑定，从而确保存证人身份的真实性，也就能过保障电网***各个数据节点的唯一性。区块内利用时间戳对存证时间进行真实记录，能够确保存证真实性。
进一步地，在区块链***中，随着交易数量的持续增长，各个节点的存储成本也会随之增加。因此需要及时解决区块链***在使用过程中会发生的扩展性不足的问题。基于共识单元策略提出区块优化分配问题，从而提高区块链可扩展性。
进一步地，在区块链***中，将由若干节点组织而成的节点集群称之为共识单元。传统区块链在数据存储时各个节点需要独立对区块链数据进行维护，而在共识单元中，所有节点共同参与数据的维护工作，将全链数据分配至单元中节点进行存储，降低单一节点的存储压力。共识单元中全部节点都存储有所有区块的区块头部信息，确保节点能够对获取的区块是否合法有效进行验证。
与现有技术相比较，该方法相较于现阶段普遍采用物理法对长距离输电***进行故障点位判断分析的方法，能够更加快速准确地定位故障点位、分析故障成因，从而能够帮助电力***运营部门快速做出决策，从而减少电力故障所带来的损失。
附图说明
图1基于5G的物联网电力监测***框架设计图。
图2基于区块链与IPFS的去中心化故障溯源定位***架构图。
图3二分图分数解映射图。
图4节点挖矿速度测试图。
图5传输速度测试图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
图1为基于5G的物联网电力监测***框架设计图。图2为基于区块链与IPFS的去中心化故障溯源定位***架构图。
本发明采用的技术方案为基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，该***于电力输送网络设备端处布置有由多种传感器构成的传感器模组，传感器模组是数据层建设的硬件基础；数据层由传感器模组定时采集电网数据，电网数据通过5G网络上传至云端；然后再由云端的备份数据至中控机房进行处理确认和处理，用户层和应用层实现在本地服务端***管理与交互。其中在云端对数据进行处理，数据内容部分存储于云端的IPFS网络***，数据摘要和信息存储于区块链网络当中，利用分片存储策略分配方法优化区块链存储并组成区块链层，便于后续电网出现故障进行快速溯源查找。该***对经过区块链层加密的数据进行存储，形成数据存储层。
所述故障定位溯源部分***共分为用户层、应用层、数据层、区块链层和数据存储层五部分。数据层处于***的最底层，该层通过多种传感器采集数据传输至区块链层对数据加密后传输至数据存储层存储，通过与其直接连接的用户层和应用层实现***管理与交互。
用户层包括由电网***各个传感器构成的存证节点、电网运营公司、***管理员三种，其中***管理员能够对***进行监控、管理各个存证节点，最终由这些不同用户及节点共同构建存证联盟。
应用层用于实现数据存证及***管理功能，包含***模块与存证平台。***模块中包括存证管理、账号管理、监控模块和***管理4个模块，存证管理模块包括上传、下载及校验模块。电网运营公司及***管理员通过上述模块对***进行管理，实现多种存证操作功能。存证平台各个模块向上与统一的API接口对接***模块，向下与底层数据、区块链网络及IPFS节点等对接并统一管理。数据层中存储各个用户及管理员账号密码及***数据。区块链层节点包括一定数量的区块链节点及对应的智能合约，运行于docker集群上，同时采用分片存储策略分配方案合理分配并节约存储空间。数据存储层由多个IPFS节点构成，***整体使用IPFS对网络进行测试。
数据存储层负责对区块链***的运行及状态进行监控，区块链层负责对采集到的电力***运行数据进行存证，数据层负责存储区块链存证的各类数据，应用层负责对区块链中数据进行数据下载、验证及数据分析判断，用户层为不同身份的***用户开通相应权限，实现用户交互。
区块链存证及故障溯源定位***需要实现数据的存证、验证、下载恢复和数据溯源定位等功能。数据存证功能需要将各个物联网节点采集和传输的数据内容加密存储到IPFS当中，并将数据摘要和附属信息存储于区块链当中。存证验证功能需要将IPFS存储的数据内容和区块链上存储的数字摘要进行对比验证。存证历史追溯功能包含对数据修改和查询的相关记录，以及过往版本的追溯查找。数据恢复功能是指在存证验证发生异常以后，可以在一定程度上对数据信息实现数据恢复，包括区块链信息的恢复、IPFS当中电子数据的恢复。数据溯源定位能够实现在电力***发生故障时，对数据回溯查找，解析数据内容及上传节点信息等功能。采用散列算法中一种较为安全可靠的加密算法SHA256算法作为***的加密算法。
故障溯源定位***中，使用哈希算法对存证数据数字摘要进行提取，然后使用公钥对其进行非对称加密，将加密结果上次于区块链进行存储；利用IPFS实现对数据内容的去中心化存储。当需要调用存证数据内容时，需要先取出区块链中存储的密文，对其解密后获得数字摘要，然后根据数字摘要从IPFS中取得存证数据内容，再次对存证数据进行Hash计算，并将计算结果和链上存储的数字摘要进行对比。其中获取的数字摘要信息，能够帮助确定存证数据的上传节点，从而实现在电力***发生故障时对故障节点进行定位。而存证数据内容中存储的信息在一定程度上能够帮助专业人员推断电力故障的发生原因。区块链存证及故障溯源定位***需要实现电子数据的存证与存储、存证数据下载、存证数据验证与存证节点溯源四个应用场景。
电子数据存证及数据存储这一功能需要实现用户上传待存证的数据及数据信息，提取数据的数据摘要并进行加密、转码等操作，随后将数据摘要及数据信息存储到区块链网络当中，存证数据上传至IPFS节点进行存储，由于该步骤需要占用大量存储空间，因此本发明采用分片存储策略分配策略对存储空间进行合理优化，节约存储空间的同时实现快速检索。用户登录进入***后能够获得相应的公钥和私钥，随后将待存证的电子数据和数据信息进行上传，***计算出数据数字摘要后使用该数字摘要构建multiHash值，并将该数据存储于IPFS网络当中，实现存证数据的存储。在存证阶段，需要对数字摘要转码，将转码后的数字摘要和数据信息存储至区块链当中。如果用户选择进行加密存储，则需要用户使用公钥对数字摘要进行存储，加密存储方式能够在很大程度上保护用户的数据隐私，用户也可根据需求选择非加密存储。最后，转码后的数字摘要序列返回给用户，用户使用数字摘要序列对存证数据进行下载与查询。
SHA256算法在区块链中扮演者主要密码函数的重要决策，在区块链构造过程中起着十分重要的作用。对于区块头及交易数据，均需要使用SHA256算法确保数据的完整性。
使用SHA256算法的不可逆性，将其计算得到的数字摘要用于对存证数据的真实性和完整性进行验证。为了确保任意节点发生故障后整个区块链能够快速恢复数据，利用区块链分布式账本特点，将数字摘要上传至区块链网络存储。与此同时，这样的操作也能够实现***中小部分节点遇到攻击发生数据篡改时，整个区块链网络会对篡改后的数据形成反对意见，从而确保存证数据不会被篡改。对于异常攻击发生的节点位置，由区块链交易数据中的MerkleTree实现快速定位；当电网发生故障时，利用MerkleTree快速追溯故障节点位置。区块链中的每笔交易都使用用户私钥进行数字签名，将用户身份、交易与数字摘要实现强绑定，从而确保存证人身份的真实性，也就能过保障电网***各个数据节点的唯一性。区块内利用时间戳对存证时间进行真实记录，能够确保存证真实性。电网数据文件存储于IPFS网络中能够避免中心化存储方式带来的易丢失、易复制、易篡改的风险。综上，区块链技术及IPFS技术有效确保了存证信息、数字摘要和存证数据的真实性、完整性和可溯源性。
在区块链***中，随着交易数量的持续增长，各个节点的存储成本也会随之增加。因此需要及时解决区块链***在使用过程中会发生的扩展性不足的问题。基于共识单元策略提出区块优化分配问题，从而提高区块链可扩展性。
在区块链***中，将由若干节点组织而成的节点集群称之为共识单元。传统区块链在数据存储时各个节点需要独立对区块链数据进行维护，而在共识单元中，所有节点共同参与数据的维护工作，将全链数据分配至单元中节点进行存储，从而显著降低单一节点的存储压力。共识单元中全部节点都存储有所有区块的区块头部信息，这样做的目的是为了确保节点能够对获取的区块是否合法有效进行验证。
分片存储策略分配目标是使得共识单元中每个节点用于查询未存储的区块产生的通信成本最低。将一个共有x个区块的区块链分配给一个内部拥有y个节点的共识单元。使用bi代表区块链中第i个区块，其中i∈{1,2,…,n}，使用si代表第i个区块中的数据大小。在一个共识单元中，使用Nj代表第j个节点，其中j∈{1,2,…,m}，lj代表第j个节点所具有的存储能力大小，此时如果想要一个共识单元中存储完整区块链的一个副本，则必须满足：
在共识单元中有4个节点，节点N1中存储有区块b2，b3和b5，该节点需要对b1和b4进行访问。因此，当节点N1需要对b1中的数据进行查询访问时，需要从节点N2或者N4中获得b1中存储的数据，此时便会产生通信成本。将节点Nj传输单位数据到达节点Nk所需要的通信成本用cjk。节点Nj对各个区块进行访问的概率分布为ACPj＝{p1j,p2j,…,pij,…,pnj}，pij表示节点Nj对bi区块进行访问的概率。在实际应用场景中，节点往往只会频繁对某些区块中的数据进行查询，对于其他区块中的数据很少进行访问。因此节点只会对一部分区块进行访问，此时可以认为节点访问其他区块的概率为0，因此，将节点Nj访问的区块数量与区块整体数量的比值表示为ratj。
对于分配结果使用矩阵X(n*m)表示，xij表示矩阵X第i行和第j列的元素，此时取值情况只有两种，xij＝1表示区块bi分配至节点Nj，否则xij＝0。
此时，在节点分配后节点Nj对区块bi数据进行查询时所需要的最小通讯成本为
此时共识单元中整体查询成本为：
bi为区块链上第i个区块；n为区块链中的区块综合；si为区块bi的数据大小；Nj为共识单元中的第j个节点；m为共识单元中的节点总数；lj为共识单元中节点Nj的存储容量；cjk为节点Nj传输单位数据到节点节点Nk所需要的通信成本；ACPj为节点Nj访问每个区块的概率分布；X表示区块分配结果；R(bi)表示分配后存储区块bi的所有节点集合；ratj表示bi访问区块数与区块总数之间的比率；O为区块链节点结合；
为***正常状态下某节点各传感器指征集合；
为***实时状况下某节点各传感器指征集合
为确保共识单元在分配后能拥有区块链中的所有区块，将分配问题分为两步。第一步：准备一份包含全部区块数据的完整数据在节点中进行分配和存储，经管分配后共识单元能够拥有一份完整的区块链数据信息。第二步：将共识单元中剩余的存储空间再次进行分配，直至共识单元中全部节点的剩余空间都无法存储任何一个区块，以进一步降低通信成本。
对于第一步的分配问题，可以表示为：
将分配问题转换为求解二分图的完美匹配求解，具体执行步骤如下：
(1)由于涉及问题不适用于整数条件的约束，因此xij可以取0到1之间的分数，此时目标函数和约束条件构成该整数规划问题所对应的松弛问题，该松弛问题是一个线性规划问题，求解问题得到分数解x'ij。
(2)结合分数解x'ij构建二分图G＝(B,(N,K))。由松弛问题的解得出共有kj个区块分配给节点Nj，因此将节点Nj分成kj组成单元，将单个节点划分为多个节点槽，能够表达出同样的分配含义。
图3中，L列中的单元节点表示区块集合B＝{1,2,3,…n}，R列中的单元节点表示节点槽集合(N,K)＝{(j,k)|j＝1,2,…,m；k＝1,…,kj}，其中每个槽的大小均为1，将上一步得到的分数可行解x'ij映射到二分图G的各个边上。
bi(j,k)代表图左侧区块bi连接图右侧节点槽(Nj,K)的映射解(k∈[0,n])，因此需要对x'ij进行转换，以第一个节点作为实例说明转换关系：
如果
且
那么此时边(i,(1,k))的松弛解设置为bi(1,k)＝xi*1(k的取值范围为[0,n])；
如果
且
那么此时边(i,(1,k))的松弛解可以设置为
边(i,(1,k))的解设置为
(3)对二分图的完美匹配进行求解，对二分图中边的分数解转换为0和1的整数解，松弛解位于(0,1)区间的边为不饱和边，将松弛解为0或者1的边为饱和边。将所有的不饱和边转换为饱和边后，每个表示区块集合的左侧顶点都通过唯一饱和边映射到代表节点集合的右侧顶点上，形成一种单射映射，从而证明了这种情况下是左侧的完美匹配。此时还需要考虑一下两种情况：
当不饱和边循环存在时，对不饱和的边进行0，1交替编号，通过对编号为1的不饱和边的分数解增加数值极小的常数10-10，并对编号为0的不饱和边的分数解减少同样数值。只要这个常数足够小，便不会与约束条件发生冲突。由于目标函数是线性函数，向使目标值不增加的方向依次对相邻两边迭代，直至有一个编号为1的边的分数解等于1或者有一个编号为0的边的分数解等于0为止。
当不存在不饱和边的循环时，此时选择一个起点或者终点是顶点的最长路径，使用0和1对该路径上的边进行交替编号。沿着路径方向依次对1编号的不饱和边的分数解增加数值极小的常数10-10，并对编号为0的不饱和边的分数解减少同样数值。直至有一个编号为1的边的分数解等于1或者有一个编号为0的边的分数解等于0为止。
对于第二步操作中部分区块的再分配问题，基于第一步分配的结果采用贪心算法思想解决。首先为该分配问题制定贪心标准，其权重函数如下：
在上式中，当区块已经确定对应分配节点时以及节点的剩余存储空间不足以某一区块时，权重值需要设置为无穷大，其他情况时等于将区块bi分配至节点Nj之后，单元内节点查询区块bi产生的通信成本。结合已有的分配情况对共识单元的剩余存储空间进行计算，并计算出经过第一步分配后节点由查询区块bi而产生的通信成本Ci，对差值θi进行如下定义：
θi＝Ci-f(i,j*)
θi代表已经分配和预分配之间查询区块bi所需要的通信花费差值，该值越大，表示将区块bi分配给节点Nj*能够节约更多的成本花费。由式XX计算出权重后，取出权重值最小的对应的下标j*，随后取花费差值
最大的i*，完成将区块bi分配给节点Nj*的任务，此时令xi*j*＝1。随后继续计算剩余空间，各项权重及成本差值，并重复上述第二步操作，直至共识单元中节点的剩余存储空间不够存储任何区块。至此数据的存储模块介绍完毕。
判断电力***故障的根本是从电力数据入手，监测***是否存在异常值，从而进行甄别。存证数据下载这一功能主要实现存证序列下载已经进行存证的电子数据和数据信息。用户在区块链网络中输入或者直接使用智能合约进行存证序列的查询，该序列能够实现在区块链网络中查询相应存证数据的存证信息的功能。由于存证数据存储于IPFS网络当中，因此下载该存证数据需要首先获取其数字摘要。而数字摘要的解析需要首先将数据的序列进行Base58转码，如果数据进行了加密操作，则还需要利用用户的私钥进行解密，从而取得数据的数字摘要，之后利用数字摘要构建出相应的multiHash值后，在IPFS网络中下载对应的存证数据。当存证序列无法在区块链网络中查询到对应的数据信息或者在IPFS网络中无法下载到相应的数据，则表明该序列为无效序列，即无法找到对应的存证数据和存证信息。当电网出现紧急故障时，在确认故障节点后，即可下载相应节点的存证数据，交由专业人员辅助判断电网故障成因并采取相应的应对及处理措施。
在电网发生故障时，需要在短时间内根据已有数据信息对事故成因进行判断并迅速采取有效处理措施。电子数据存证验证这一功能能够在电子数据上传完毕后，提供该数据的存证信息及归属，并证明该电子数据的真实性和完整性。用户在进入***后将需要验证的电子数据上传***，首先计算该组数据的数字摘要，然后构架multiHash，并在IPFS网络中将该电子数据下载。还需要结合数据加密存证的情况，在区块链网络中对存证信息进行查询。如果在IPFS网络中能够下载到该电子数据，且在区块链中存在相应的存证信息，即表示验证通过，此时返回该数据的存证信息；如果在IPFS网络中无法下载该电子数据，并且在区块链网络中无法查询到电子数据的存证信息，则表示上传的数据没有进行存证或者已经发生篡改，不能够返回存证信息。
当***完成存证数据下载及验证后，便可以对电力***运行情况进行判断。首先，在电力***正常稳定运行过程中，各区块链节点构成节点集合O＝{o1,o2,…,on}，电网各区块链传感监控节点所监测的电力各项指标均处于正常状态，此时电力***正常运行状态下，某节点传感器电力***指标特征集合为
其中m为某传感器在正常状态下上下浮动的数值。某节点传感器收集到的电力***指标特征构成电力***实时指征集合
通过对比
与
快速对电网运行状态是否正常做出精准判断，如果***存在异常，则可以利用区块链数据可溯源的特性快速精准定位出故障所在节点位置，从而为电力***的稳定可靠运行保驾护航。
实施例
(1)数据采集。***需要采集电力***运行的各项指标数据，如温度、湿度、电压、电流、电阻、风速等能够对电力输送***稳定运行带来影响的多种参数。
(2)网络传输。为了最大限度降低数据延迟，提升数据传输的实时性及可靠性，数据经由5G上传至***，***相应的指令也通过5G网络下发至各个传感节点。选择5G网络能够最大限度减小地形因素限制，减小数据收集及传输过程中网速的影响。
(3)数据加密及溯源。为了确保用于电力网络故障诊断的数据真实可靠，使用区块链及IFPS技术对数据继续加密存储，并实现多重验证，提升***数据的信度。
首先运行基于5G传感器的物联网电力监测***，对其数据传输速率、数据传输准确率进行测试。数据采集间隔设置为10分钟，采集完毕即开展传输工作。经过4小时测试，最终得到如下测试结果：
表1物联网监测数据传输性能指标测试
| 性能 | 指标 | 性能 | 指标 |
| 数据上传云端时间 | 1800～2100ms | 传输预约成功率 | 99.3％ |
| 数据吞吐量 | 3-4M/s | 数据传输准确率 | 99.9％ |
从测试结果中可以看出，每条预约成功处理的时间在2s以内，这样的传输速率完全能够满足电力***监测数据的传输和存储。同时在实验中数据传输准确率在99.9％，能够极大限度确保上链数据的真实性及可靠性。但受到以野外、山区为代表的5G信号发展落后区域等因素的影响，数据传输预约成功率在99.3％，但在二次请求后，数据传输预约成功率能够达到99.9％以上，能够确保电网运行监测数据及时有效上传至云端。
为方便对***进行测试，本文将IPFS节点部署于云服务器中，其配置如表2所示。
表2***测试环境表
在Hyperledger Fabric***中，节点组件在更新世界状态时占用资源的情况是决定***性能的主要因素之一。对部分节点进行测试后，得出如表3所示的测试结果。
表3更新资源使用情况表
通过测试结果可以发现，节点组件在更新世界状态时占用内存大约在200MB左右，CPU使用率大约在60％左右，磁盘写入量大约在50MB左右。***的查询性能对于***快速定位故障节点也具有至关重要的左右，对***查询性能也进行了相应测试，测试结果如表4所示。
表4查询资源使用情况表
从测试结果可以看出，***节点组件在查询状态内存平均占用、CPU平均使用率及磁盘写入量三个指标与更新世界状态结果大部分一致。
基于区块链和IPFS的去中心化电子存证***经过账户体系、存证管理功能、存证联盟功能、区块链数据查询、共识机制、节点管理、吞吐量、安全性测试、可靠性、可维护性10个大项30余个测试点的测试，测试结果均符合预期结果，各项功能均能够正常运行。数据共享是区块链***的特点和优势之一，对所设计的***共享性能进行了测试，联盟链中的网络节点能够对交易数据进行自动同步，这对于电力输送***的稳定性及可靠性具有重要意义。***的共享效率及传输性能是能够维持***可靠运行的关键因素，
因此本文也进行了相应测试，测试结果如下：
所设计***联盟链节点在一个小时内可进行区块共识120余次，可并发处理近500条消息，并且能够以较高的速度进行反馈。通过图4和图5的实际的测试结果可以看出，本文所设计的***能够实现电力网络数据存储、状态监测及故障溯源等实际需求。
本方法分析了物联网及区块链技术在电力供应***中的应用现状，结合区块链技术特色，提出了电子存证及溯源在电网故障定位诊断方面的需求，论证了去中心化的电力故障溯源***的重要意义。结合物联网技术，提出多传感器构成的电力物联网运行状态监测***；结合区块链及IPFS分布式存储技术，提出了一种基于区块链和IPFS的去中心化电力***故障溯源定位方案。设计和实现分片存储数据分配存证模型，提升区块链***存储效率，优化***运行流程从而减少***存证所需时间。在最后，对该***性能进行测试，***能够满足实际使用需求，能够对电力***故障的快速溯源定位。
Claims (10)
1.基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：该***于电力输送网络设备端处布置有由多种传感器构成的传感器模组，传感器模组是数据层建设的硬件基础；数据层由传感器模组定时采集电网数据，电网数据通过5G网络上传至云端；然后再由云端的备份数据至中控机房进行处理确认和处理，用户层和应用层实现在本地服务端***管理与交互；其中在云端对数据进行处理，数据内容部分存储于云端的IPFS网络***，数据摘要和信息存储于区块链网络当中，利用分片存储策略分配方法优化区块链存储并组成区块链层，便于后续电网出现故障进行快速溯源查找；该***对经过区块链层加密的数据进行存储，形成数据存储层；
所述故障定位溯源部分***共分为用户层、应用层、数据层、区块链层和数据存储层五部分；数据层处于***的最底层，该层通过多种传感器采集数据传输至区块链层对数据加密后传输至数据存储层存储，通过与其直接连接的用户层和应用层实现***管理与交互。
2.根据权利要求1所述的基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：所述用户层包括由电网***各个传感器构成的存证节点、电网运营公司、***管理员三种，其中***管理员能够对***进行监控、管理各个存证节点。
3.根据权利要求1所述的基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：应用层用于实现数据存证及***管理功能，包含***模块与存证平台；***模块中包括存证管理、账号管理、监控模块和***管理4个模块，存证管理模块包括上传、下载及校验模块；数据存储层由多个IPFS节点构成。
4.根据权利要求1所述的基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：数据存储层负责对区块链***的运行及状态进行监控，区块链层负责对采集到的电力***运行数据进行存证，数据层负责存储区块链存证的各类数据，应用层负责对区块链中数据进行数据下载、验证及数据分析判断，用户层为不同身份的***用户开通相应权限。
5.根据权利要求1所述的基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：区块链存证及故障溯源定位***需要实现数据的存证、验证、下载恢复和数据溯源定位功能；数据存证功能需要将各个物联网节点采集和传输的数据内容加密存储到IPFS当中，并将数据摘要和附属信息存储于区块链当中；存证验证功能需要将IPFS存储的数据内容和区块链上存储的数字摘要进行对比验证；存证历史追溯功能包含对数据修改和查询的相关记录，以及过往版本的追溯查找；数据恢复功能是指在存证验证发生异常以后，对数据信息实现数据恢复，包括区块链信息的恢复、IPFS当中电子数据的恢复；数据溯源定位能够实现在电力***发生故障时，对数据回溯查找，解析数据内容及上传节点信息功能；采用加密算法SHA256算法作为***的加密算法。
6.根据权利要求1所述的基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：故障溯源定位***中，使用哈希算法对存证数据数字摘要进行提取，然后使用公钥对其进行非对称加密，将加密结果上次于区块链进行存储；利用IPFS实现对数据内容的去中心化存储；当需要调用存证数据内容时，需要先取出区块链中存储的密文，对其解密后获得数字摘要，然后根据数字摘要从IPFS中取得存证数据内容，再次对存证数据进行Hash计算，并将计算结果和链上存储的数字摘要进行对比；区块链存证及故障溯源定位***需要实现电子数据的存证与存储、存证数据下载、存证数据验证与存证节点溯源四个应用场景。
7.根据权利要求1所述的基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：电子数据存证及数据存储功能需要实现用户上传待存证的数据及数据信息，提取数据的数据摘要并进行加密、转码操作，将数据摘要及数据信息存储到区块链网络当中，存证数据上传至IPFS节点进行存储，采用分片存储策略分配策略对存储空间进行合理优化，节约存储空间的同时实现快速检索；用户登录进入***后能够获得相应的公钥和私钥，随后将待存证的电子数据和数据信息进行上传，计算出数据数字摘要后使用该数字摘要构建multiHash值，并将multiHash值存储于IPFS网络当中，实现存证数据的存储；在存证阶段，需要对数字摘要转码，将转码后的数字摘要和数据信息存储至区块链当中；如果用户选择进行加密存储，则需要用户使用公钥对数字摘要进行存储，加密存储方式能够在很大程度上保护用户的数据隐私，用户也可根据需求选择非加密存储；最后，转码后的数字摘要序列返回给用户，用户使用数字摘要序列对存证数据进行下载与查询。
8.根据权利要求1所述的基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：使用SHA256算法的不可逆性，将其计算得到的数字摘要用于对存证数据的真实性和完整性进行验证；对于异常攻击发生的节点位置，由区块链交易数据中的Merkle Tree实现快速定位；当电网发生故障时，利用Merkle Tree快速追溯故障节点位置；区块链中的每笔交易都使用用户私钥进行数字签名，将用户身份、交易与数字摘要实现强绑定，从而确保存证人身份的真实性，也就能过保障电网***各个数据节点的唯一性；区块内利用时间戳对存证时间进行真实记录，能够确保存证真实性。
9.根据权利要求1所述的基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：在区块链***中，随着交易数量的持续增长，各个节点的存储成本也会随之增加；因此需要及时解决区块链***在使用过程中会发生的扩展性不足的问题；基于共识单元策略提出区块优化分配问题，从而提高区块链可扩展性。
10.根据权利要求1所述的基于物联网及区块链技术的去中心化电网故障溯源***，其特征在于：在区块链***中，将由若干节点组织而成的节点集群称之为共识单元；传统区块链在数据存储时各个节点需要独立对区块链数据进行维护，而在共识单元中，所有节点共同参与数据的维护工作，将全链数据分配至单元中节点进行存储，降低单一节点的存储压力；共识单元中全部节点都存储有所有区块的区块头部信息，确保节点能够对获取的区块是否合法有效进行验证。
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