苏 斌 张 雅 李 程 张 健 李小军 杨汉军廖强强
1.国网汉中供电公司
2.上海电力大学
3.国网陕西电力科学研究院
三相平衡是指三相电频率、幅值相等，相位相差120°，但是由于我国配电网多使用三相四线制，低压配电网的覆盖面广、结构复杂，配电网接线规划不合理、因时间和季节的用电量不同会产生三相负荷不平衡，严重的三相不平衡会增加电能的损耗、影响变压器的正常出力、削弱电能供电质量、增加供电安全隐患［1］。在低压配电网中，三相不平衡作为一种长期存在且无法消除的现象，电力部门应分析原因并采取针对性的措施。
对于大量新型负荷入网、用户需求上升等问题，低压台区存在一些问题。首先低压台区的三相不平衡现象严重，农村电网建设早、缺少规划、台区走线混乱，大量单相大容量负荷接入台区，缺少线损等评估信息；
其次缺乏台区实时负荷信息以及历史状态信息，难以实现负荷的最优接入；
最后台区管理不科学，缺乏规划的低压台区不利于智能化的发展。低压配电台区的问题，从早期规划、负荷最优接入，到实时监测各个环节都在影响台区的三相平衡度，因此，为解决台区三相不平衡问题制定智能管控系统很有必要。
近几年区块链技术作为分布式共享数据库，在各领域都方兴未艾［2］。根据低压不平衡台区实时状态，基于区块链技术研制一套台区智能管控的系统，在实现三相平衡等功能的基础上，还能为电力部门提供数据基础。
考虑到上述提到的低压配电台区的问题，该系统的设计目的是实现台区管理的科学化和精细化，为保证三相平衡打下坚实的基础。从低压配电支路和负荷的电量信息采集，到根据采集的实时信息保证负荷接入最优，再到最后根据信息库来调整网络结构，实现台区的智能化进程，如图1。在该系统中，包括终端感知层、通信网络层、信息汇聚层、管理控制层、外部应用层。其中终端感知层完成负荷和线路信息的采集，信息汇聚层和通信网络层完成信息的传输［3］，管理控制层完成数据的分类，外部应用层完成数据的分析及应用。
1）终端感知层
台区的智能化管理依赖于信息的采集，对于低压用户具有小而分散的特点，所以信息的采集需要一级一级的采集，并传输到通信接口机到达通信网络层。从最初的用电表测量电力用户的数据采集，再到电表数据传输到采集器，最后统一传输到集中器，为了节约采集成本，数据传输方式包括低压电力线载波、RS485等通信。
2）通信网络层
通信层主要为感知层的数据提供网络接入和传输。借助通信网络层的传输，可以将采集到的负荷电量信息、配电网的电流等实时数据传给汇聚层，最后打包到管理层，通信层的稳定保证了采集数据的稳定可靠传输［3］。
3）信息汇聚层
信息汇聚层具有双向性，向下为网络层提供接口，实现终端层数据的收集；
向上为将采集的数据上传到数据库，实现数据的分类，便于管理控制层的应用。其主要承担下方数据的采集与访问、数据的处理与分类、数据上传到数据库、执行上层的指令。其中数据库有三种类型：电流、电压、相序、线损等台区实时状态信息的数据库；
台区负荷历史数据库；
台区设备台账信息库。
4）管理控制层
管理控制层对低压配电网状态进行分析与管理，从而实现三相平衡方案、台区用电优化等电力业务。
5）外部应用层
将管理控制层的数据信息与分析信息进行收集，并供外部6个电力分部门进行使用。生产管理、营销管理、客服系统、用电信息、地理信息、监察等系统根据数据库的信息，进行三相不平衡度治理、用户用电引导策略、台区运行优化系统等。
区块链技术也称分布式账本技术，是一种互联网数据库技术，让每个人均可参与数据库记录，其特点是去中心化、公开透明、防窜改、可追溯性。区块链是由区块有序连接起来的数据结构；
区块是数据集合的基本单元，区块又由区块头和区块体组成；
区块头由哈希值、时间戳等组成，区块体用于记录更新的数据［4］。
在分布式数据系统里，节点如何达成共识并将交易储存在各个节点中的过程尤其关键。这个过程需要共识机制的保障，共识机制的种类很多，在实际需要中根据实际需要选取即可。
智能合约的执行与验证都是无人参与的，区块链中各个独立的节点共同参与制定合约，通过公私钥对合约进行签名，P2P网络将合约部署到各个节点，对智能合约的哈希值进行计算并验证，验证通过后写入区块链，具有不可窜改性。系统整体框架设计见图1。
图1 系统整体框架设计
为实现台区的精细化和科学化管理，搭建了全状态信息管理系统，此系统可以实现对低压台区状态的监测、设备的数据监测，对经济运行等情况进行管理。随着电网智能化的发展，低压配电台区设备越来越多、监测项目越来越广、监测数据越来越多样化、电网规划与评价越来越重要，为保证低压配电网的三相平衡且安全运行，采用区块链技术，可以弥补传统的过中心化、不易溯源等，解决了数据延时、数据安全的问题。
3.1 总体架构
基于区块链技术的管控系统，如图2所示，其由自下而上的数据层、网络层、共识层、合约层、应用层连接而成［5］，采用区块链的系统具有去中心化、数据存证据且可溯源、数据安全且不可窜改，完整的系统数据为低压台区三相不平衡的管理提供强大的支持，上链的系统节点共同维持低压台区的三相平衡度。
图2 基于区块链技术的全状态信息管理系统总体框架
将区块链技术应用于全状态信息管理系统，完成传统低压配电网管控系统的同时，兼顾区块链的优点。区块链采用多个节点共同参与管理的联盟链，每个层的内容和作用：
1）数据层主要自下而上地完成数据的采集与汇集，记录用户的用电信息、配电网的状态信息、低压网三相不平衡的电量信息等，完成终端感应层的任务并且每个集中器或者配电终端作为节点，数据存储在区块链中，此外6个电力部门作为节点对数据的分析与应用结果也应该逐个记录在区块链中。
2）网络层应用P2P的传输机制，完成节点对节点的全网传播，与传统的上下层中心化传输不同。
3）共识层利用共识机制检测数据在节点之间的共享，根据共识算法决定记账节点。
4）合约层的智能合约和脚本代码是区块链可编程的基础，保障数据的安全，此外利用智能合约建立低压配电网状态的分析与管理的专家库，保证专家库中的规则真实可靠、未被窜改［6］。将采集上链的数据经过专家库的筛查转化为专家经验的诊断决策建议提供生产管理部门进行决策。
5）应用层为各个电力部门应用区块链数据，可以完成三相平衡方案、用户入网规划、台区用电优化、经济运行管理，实现对配网的风险预警、停电监测、故障抢修、资源调配等各种电力业务［3］。
3.2 基于区块链的节点安全认证
区块链在数据安全方面有效地解决了数据被窜改的问题，为数据的采集、传输、接收、存储的安全提供了保障。针对区块链节点接入的身份认证问题，本节提出的基于区块链的节点安全认证，包括注册、认证、状态监测。
区块链中的用户或者电力部门作为节点上链之前，首先需要完成信息注册。注册包括装置编号、装置名称、装置类型、装置等级、所属单位、投运时间、生产厂家、电流等级以及运维管理中产生的重要数据［7］，注册后的信息存在区块链中，实现电表数据与用户用电费用自动关联，从而做到用户精准计费。
认证过程分为三个阶段：电表-集中器通信、节点通信、认证信息存储。本文采用智能合约来完成认证的三阶段。合约是由各个节点共同参与制定，合约的代码、执行过程、执行结果在链上对每个节点公开，当需要进行认证时，智能合约自动完成此次认证，系统认证过程见图3。
图3 系统认证过程
在电表-集中器通信阶段，上传的数据包括电表数据、配电网数据、各电力部门诊断上传数据等，当电表等设备数据采集完成后，需要与集中器建立通信，首先给集中器发送信息上传请求，集中器收到请求后返回身份验证指令，随后电表等采集数据设备将身份信息等发送至集中器。在节点通信阶段，集中器收到身份信息后根据共识机制选出的节点发送安全认证请求，节点收到请求后返回认证所需要的信息，集中器将身份信息发送到区块链，智能合约自动执行并返回认证信息。在认证信息存储阶段，完成认证后的数据进行公私钥加密处理、写入智能合约并存储到区块链中。之后加密的密文数据在被其他部门应用时，根据授权权限，采用对应的私钥对密文进行解密从而获得所需的数据信息［2］，为低压配电网的三相平衡长期规划发展提供依据。
基于区块链的系统具有实时状态监测功能，当设备出现问题、数据异常时，先经过专家库诊断决策，然后区块链中的生产管理等节点向区块链提交最终决策，通过P2P传输机制进行全网广播，涉及的节点向下传达设备动作的指令。所有诊断指令将在链上完整留存，便于日后追溯。
3.3 区块链结构
区块链是由具有存储功能的数据块组成，以时间为序形成特定的链状结构。如图4所示，区块由区块头和区块体两部分组成，区块头由版本号、时间戳、随机数、前区块哈希值、Merkle树、共识认证参数组成［5］，区块体用来存储低压配电台区的数据值、电力部门的决策结果、监察机构的监督结果等业务数据组成，所有节点都可以获取区块链的信息，各个节点通过计算哈希值来验证信息的正确与否。
图4 区块链结构
3.4 系统特点
基于区块链的低压台区全状态信息管理系统，在信息采集环节、数据传输与处理环节、数据管理与应用环节预计具备以下特征：
1）去中心化。传统的自下而上的中心化的分布式网络结构［8］，海量数据信息传输到中心，造成响应速度慢，信息堵塞，数据延时。区块链节点之间彼此独立，通过P2P进行全网广播，数字签名验证实现数据的传输，去中心化的网络避免了数据的拥堵和数据窜改。
2）透明性。区块链网络中的信息向全网公开，用户可以查询自己的电费情况；
配电网故障决策人员可以查到每个用户、每条线路的实时数据、历史数据、设备台账，以便更加方便地进行三相不平衡度的治理、线路的长期规划、台区的优化等；
监察机构可以对数据、决策结果和动作结果进行溯源，当发生故障时公平定责。
3）防窜改。当区块链的节点在达成共识之后，同时写入多个节点，如单个节点对数据进行恶意窜改时，无法获得全网的共识，避免了传统管控模式存在的规避责任的情况。
4）安全性。传统模式下数据采集、传输、接收、存储的各过程都面临受到窜改的风险，带来了数据安全问题。区块链系统中没有中心化的管控方控制整个系统，所有节点都存储全部数据，若某节点的数据丢失，该节点会自动向其它节点同步数据，从而不影响整个系统的安全运行，可极大地提升数据存储方面可靠性。
5）自动化与智能化。区块链上可记录智能合约，自动实现数据的上传认证，以及确认低压台区是否存在故障［2］。如果线路等发生故障或系统三相不平衡，则自动执行评估和断定低压配电台区的智能合约，由此避免事故延期判断，大幅提升故障检测与处理效率。
为了更好地帮助决策者了解低压台区的薄弱环节，为后期台区的长期规划和优化提供可靠的决策意见，使利益最大化，运用AHP分析理念来构建低压台区评估指标体系，如图5所示。评估体系分为三层，第一层为源层，是考虑指标后的综合结果，用来供决策者判断的数据支撑；
第二层为策略层，包括低压台区的技术水平、供电能力、供电质量、可靠性、经济性；
第三层为因果层，其中的每一项都可单独计算得到［9］。
为克服决策者的主观因素，采用权重设置来规避。此方法对各个决策者的意见进行统筹规划，先设定初始权重参数，再进行归一化处理，最后判断矩阵的一致性的方法来确定AHP方法的权重设置。
本节为区块链低压台区的评估给出方法意见的指导，可以运用区块链的数据库来进行一系列的后续评估指导，通过上文的注册验证成为区块链中可以共识的节点，就可以应用全网的数据库。
针对三相不平衡在低压台区治理难的问题，本文将低压台区的管控与区块链技术相结合，既从台区的角度解决三相不平衡的问题，又保留了区块链技术的众多优点，还能对用户入网进行规划、对不平衡台区电价进行建议系统、对不平衡台区结构进行优化。本文基于低压台区三相不平衡的智能管控系统与区块链技术下电力系统的契合点，研究两者结合的新型台区系统，并进行应用实践验证。通过构建的台区系统表明，区块链技术可以满足台区三相不平衡等指标的管控要求。
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