0     引言

大數(shù)據(jù)是能源系統(tǒng)互聯(lián)互動和高度智能的支撐，雖然大數(shù)據(jù)思維將各種數(shù)據(jù)資源從簡單的處理對象轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)的基礎(chǔ)要素^［1-2］，實現(xiàn)了電力數(shù)據(jù)的細(xì)粒度收集與處理^［3］，避免了“數(shù)據(jù)災(zāi)難”的形成^［4］，但是以云計算模型為核心的集中式能源大數(shù)據(jù)處理模式存在著數(shù)據(jù)監(jiān)管成本高、效率低以及第三方平臺對數(shù)據(jù)的備份和泄密等威脅。另外，現(xiàn)階段各能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)未能與社會資源實現(xiàn)有效的互通共享，客觀上形成了數(shù)據(jù)孤島^［5-6］，導(dǎo)致數(shù)據(jù)價值的下降和軟硬件資源的浪費。而區(qū)塊鏈具備的去中心化、公開性、自治性、防篡改^［7-9］等特性，在運行方式、拓?fù)湫螒B(tài)、安全防護等方面與能源互聯(lián)網(wǎng)理念相適應(yīng)^［10］，可以很好地與能源大數(shù)據(jù)形成互補，滿足復(fù)雜的能源互聯(lián)網(wǎng)安全可信^［11］的需求。基于區(qū)塊鏈技術(shù)可將能源互聯(lián)網(wǎng)概念升級到能源互聯(lián)網(wǎng)2.0 時代，即能源區(qū)塊鏈時代^［12］，為能源大數(shù)據(jù)高效可信的應(yīng)用管理模式提供新思路。

目前尚未有文獻結(jié)合現(xiàn)階段我國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求，研究基于區(qū)塊鏈的電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)管和共享交易的體系。因此，本文提出基于區(qū)塊鏈的電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)管和共享交易模型，重點研究區(qū)塊鏈技術(shù)支撐的電力數(shù)據(jù)防篡改、可溯源的監(jiān)管機制和弱化第三方平臺的點對點交易機制，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)下區(qū)塊鏈技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)勢互補。

1     基于區(qū)塊鏈的能源數(shù)據(jù)監(jiān)管和交易邏輯架構(gòu)

為解決以上問題本文提出基于區(qū)塊鏈的能源數(shù)據(jù)監(jiān)管和交易邏輯架構(gòu)(如圖1所示)，構(gòu)建企業(yè)鏈、監(jiān)管鏈和交易鏈，三者分別屬于私有鏈、聯(lián)盟鏈和公有鏈三種區(qū)塊鏈類型。其中企業(yè)鏈和監(jiān)管鏈提供電力數(shù)據(jù)分布式存儲、數(shù)據(jù)優(yōu)化、防篡改、可溯源的監(jiān)管機制，可有效發(fā)揮各能源集團大數(shù)據(jù)中心(Energy Big Data Center，EBDC)的價值；而交易鏈基于數(shù)學(xué)和密碼學(xué)原理創(chuàng)建信用機制，用戶可以進行可信任的價值交換，確保記錄在冊的每筆交易可追溯，不可篡改。

（1）企業(yè)鏈由能源集團及其下級各廠站構(gòu)成，屬于私有鏈，主要記錄EBDC基于大數(shù)據(jù)分析得到的自身管理數(shù)據(jù)。因?qū)嶋H從屬關(guān)系，不能實現(xiàn)完全去中心化，因此集團總部節(jié)點的權(quán)限更高，具備數(shù)據(jù)運算、發(fā)布結(jié)果、生成區(qū)塊等功能；下級各廠站要受集團總部管控，需要提供算力，僅提供原始數(shù)據(jù)、預(yù)處理、參與數(shù)據(jù)校核等功能。通過企業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)互相驗證，保障了某個節(jié)點不會因造假、篡改而破壞數(shù)據(jù)的真實性，有效地實現(xiàn)了能源集團大數(shù)據(jù)中心內(nèi)部對自身整體以及各廠站能源生產(chǎn)和運行數(shù)據(jù)的監(jiān)管。

（2）監(jiān)管鏈由能源監(jiān)管部門和各類能源集團的大數(shù)據(jù)中心構(gòu)成，屬于聯(lián)盟鏈，主要記錄能源大數(shù)據(jù)中心向能源行業(yè)監(jiān)管部門上傳的監(jiān)管數(shù)據(jù)。其中能源行業(yè)監(jiān)管部門權(quán)限高于企業(yè)，可通過比對鏈上與集團存儲的哈希值，實現(xiàn)對能源集團整體數(shù)據(jù)的監(jiān)管功能。比如某能源集團發(fā)生生產(chǎn)事故，能源監(jiān)管部門可對比該鏈和集團本地企業(yè)鏈上存儲的哈希值，從數(shù)據(jù)摘要一步步追溯到原始數(shù)據(jù)，整個過程不存在臨時篡改數(shù)據(jù)違規(guī)操作。

（3）交易鏈由能源集團的大數(shù)據(jù)中心、社會事業(yè)、社會企業(yè)和政府部門等構(gòu)成，屬于公有鏈，主要記錄點對點交易的相關(guān)數(shù)據(jù)。交易鏈上的信息可以追蹤記錄有償數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)實況，通過對每一次流轉(zhuǎn)的登記，實現(xiàn)從生成交易記錄號、追溯到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出、交易金額轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出，防偽鑒證的功能。一旦交易受阻，交易鏈可提供快速找出破壞交易環(huán)節(jié)所需的溯源信息，為用戶提供高效率、高質(zhì)量的交易業(yè)務(wù)。

2     電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)管和共享交易模型

2.1    電力數(shù)據(jù)選型

目前，能源系統(tǒng)中電力行業(yè)的信息化水平和數(shù)據(jù)體系成熟度最高，具有典型的代表意義。因此，選取電力行業(yè)廠站端來分析電力數(shù)據(jù)的類型與特點，并基于區(qū)塊鏈技術(shù)研究數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸、應(yīng)用和銷毀等全生命周期管理的統(tǒng)一監(jiān)管與共享交易的安全機制，力求為其他電力數(shù)據(jù)的管理提供參考。圖2展示了不同發(fā)電廠分區(qū)的數(shù)據(jù)類型，其中廠站端類型為火電廠、水電廠、核電廠、集中式風(fēng)電廠和集中式光伏電廠，分別以字母A~E來標(biāo)注，并選用表達式Xk(m)表示X類電廠第k區(qū)共包含m種數(shù)據(jù)，以集合的方式標(biāo)明m種數(shù)據(jù)類型。另外，依據(jù)電力系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度的機制，明確了發(fā)電廠與調(diào)度中心的雙向數(shù)據(jù)交互關(guān)系。

圖2中，在生產(chǎn)控制I區(qū)，水電廠、風(fēng)電廠和光伏電廠都有5類數(shù)據(jù)(具體包括：SCADA數(shù)據(jù)、PMU數(shù)據(jù)、AGC數(shù)據(jù)、AVC數(shù)據(jù)和機組數(shù)據(jù))；而火電廠和核電廠除了該5類數(shù)據(jù)外，還包括廠級實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。在非控制II區(qū)，各類型電廠都共同包含故障數(shù)據(jù)和電能量采集數(shù)據(jù)，但因不同發(fā)電方式，各發(fā)電廠包含較大差異的數(shù)據(jù)類型。而在管理信息III區(qū)，各發(fā)電廠都包括生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，但是管理需求側(cè)重各有不同，故涵蓋的數(shù)據(jù)類型并不完全相同。同時，考慮到同一電廠的不同安全區(qū)域的數(shù)據(jù)種類不同，可知能源行業(yè)的數(shù)據(jù)除了數(shù)據(jù)海量外，因各類能源產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)特色和管理業(yè)務(wù)需求還具有以下的特點：（1）來源多重化；（2）物理位置離散；（3）數(shù)據(jù)的安全性和實時交互性等指標(biāo)要求相差很大。

2.2   統(tǒng)一監(jiān)管和共享交易模型

結(jié)合圖1中三種區(qū)塊鏈架構(gòu)和已備的大數(shù)據(jù)中心，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)管與共享交易模型，如圖3所示。在模型中，以企業(yè)鏈、監(jiān)管鏈形成了電力數(shù)據(jù)監(jiān)管機制，并搭建電力數(shù)據(jù)共享交易第三方平臺，以交易鏈形成無需第三方介入的點對點交易信任機制，實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)從生成到應(yīng)用共享全過程的真實性和完整性?？梢?，模型依據(jù)能源行業(yè)對能源廠站端電力數(shù)據(jù)防篡改的監(jiān)管需求，以及各能源集團統(tǒng)一大數(shù)據(jù)分析所需采集數(shù)據(jù)需求，各廠站端Pj需向EBDC上傳廠站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具體包括大數(shù)據(jù)分析處理所需的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)的實時數(shù)據(jù)Xk(m)，以及Pj周期性數(shù)據(jù)的哈希值Hashj。

依據(jù)信息安全管理要求，各廠站端的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)的三個安全分區(qū)要有信息安全隔離裝置，其數(shù)據(jù)傳輸有嚴(yán)格管理規(guī)定，但是不妨礙Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的數(shù)據(jù)哈希值按照指定時間間隔通過正向隔離裝置安全傳輸?shù)舰髤^(qū)，實現(xiàn)三個分區(qū)數(shù)據(jù)的哈希運算，以滿足依據(jù)能源行業(yè)對能源廠站端的電力數(shù)據(jù)防篡改的監(jiān)管需求，確保日常運行和事故追溯核查所需能源原始數(shù)據(jù)的真實。單個廠站三個區(qū)數(shù)據(jù)的哈希值構(gòu)成周期性數(shù)據(jù)哈希值具體過程如下：

定義：運算Hash1⊕Hash2表示將兩個哈希值進行哈希得到一個新的哈希值。

同時，遵循電力數(shù)據(jù)的安全管理和價值需求，能源行業(yè)監(jiān)管部門、政府部門、能源集團和社會企事業(yè)單位對電力數(shù)據(jù)的需求差異較大。因此，廠站端數(shù)據(jù)在上述處理后還要經(jīng)過EBDC的統(tǒng)一大數(shù)據(jù)分析與處理，生成四類數(shù)據(jù)：

（1）可公開的社會服務(wù)數(shù)據(jù)(Public Data，DP)和其哈希值Hash(DP)；

（2）能源行業(yè)監(jiān)管部門所需監(jiān)管數(shù)據(jù)(Up Data，DU)；

（3）能源集團自身管理數(shù)據(jù)(Local Data，DL)；

（4）數(shù)據(jù)溯源與防篡改的可信總哈希值HashG。

其中，HashG滿足式(3)：

以上四種數(shù)據(jù)根據(jù)各自功能需求，基于不同數(shù)據(jù)口與外界交換或本地/云端存儲。具體實現(xiàn)以下功能：

（1）數(shù)據(jù)DP和其哈希值Hash(DP)存儲到本地或云端數(shù)據(jù)庫中，同時將其哈希值Hash(DP)添加了描述信息(Descriptive Information，DI)后打包成摘要區(qū)塊上傳到第三方平臺。目的在于遵循公共鏈的數(shù)據(jù)管理要求，支撐點對點的數(shù)據(jù)共享與交易功能。

（2）數(shù)據(jù)DU和HashG值上傳到能源行業(yè)監(jiān)管部門，遵循聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)管理要求，支撐能源行業(yè)部門對能源生產(chǎn)與運行數(shù)據(jù)的監(jiān)管功能。

（3）數(shù)據(jù)DL和HashG值存儲到本地或云端數(shù)據(jù)庫中。其中，數(shù)據(jù)DL和HashG遵循私有鏈的管理要求，支撐能源集團內(nèi)部對自身管理功能。

3      電力數(shù)據(jù)共享交易第三方平臺與示例

傳統(tǒng)的集中式大數(shù)據(jù)處理模式中，數(shù)據(jù)只要流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備就有可能被備份，這一定程度上增加了數(shù)據(jù)被盜取的風(fēng)險，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)安全審查定位的難度增加。為解決數(shù)據(jù)交易和征信市場存在的數(shù)據(jù)截留和泄密等問題，近兩年國內(nèi)外也涌現(xiàn)出一些基于“區(qū)塊鏈+數(shù)據(jù)交易”的資產(chǎn)數(shù)字化系統(tǒng)，如“公信寶”是基于公信鏈的點對點去中心化的數(shù)據(jù)交易所，具有不緩存數(shù)據(jù)、有效遏制造假以及支持雙向匿名交易等特點；“DTA”是去中心化的信任聯(lián)盟，用區(qū)塊鏈獎勵機制鼓勵用戶數(shù)據(jù)上鏈，以解決數(shù)據(jù)行業(yè)“數(shù)據(jù)孤島”和“花園圍墻”的“囚徒困境”問題。以上應(yīng)用模式主要針對個人用戶數(shù)據(jù)，仍處于起步階段，尚未涉及行業(yè)數(shù)據(jù)的管理與交易。本文提出了基于區(qū)塊鏈的電力數(shù)據(jù)共享交易第三方平臺，確保了鏈上用戶身份的可信任性和交易的可追溯性；同時，提供了基于摘要目錄樹機制的集中式數(shù)據(jù)檢索功能，降低了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸、平臺存儲和交易過程中泄密的風(fēng)險。

3.1   摘要目錄樹

摘要目錄樹作為第三方平臺的載體，其生成流程如圖4所示。步驟為：（1）數(shù)據(jù)采集與分析：各廠站端Pj分區(qū)的實時數(shù)據(jù)Xk(m)以及Pj的周期性數(shù)據(jù)哈希值Hashj經(jīng)過EBDC的統(tǒng)一大數(shù)據(jù)分析與處理后得到所需數(shù)據(jù)DP和其哈希值Hash(DP)。（2）生成摘要區(qū)塊：首先，EBDC提取Hash(DP)，添加主體描述信息DI(主要包括數(shù)據(jù)的能源種類、數(shù)據(jù)類型、生成時間和地址信息等屬性值)，初步構(gòu)成摘要區(qū)塊；其次，EBDC向第三方交易平臺提出請求和身份認(rèn)證，若通過，則平臺響應(yīng)EBDC分配記錄號，反之結(jié)束。（3）形成摘要目錄樹。摘要區(qū)塊中DI描述的屬性值正是摘要目錄樹結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。樹型結(jié)構(gòu)設(shè)計以能源類型作為一級節(jié)點，再以各能源行業(yè)的數(shù)據(jù)類型為二級節(jié)點，比如能源系統(tǒng)包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)和調(diào)度數(shù)據(jù)，然后將地區(qū)、集團及下屬單位分別作為三、四、五級節(jié)點。這樣平臺根據(jù)摘要區(qū)塊里的描述信息和地址信息，按照樹狀結(jié)構(gòu)可錄入摘要目錄樹相應(yīng)的節(jié)點。

3.2   認(rèn)證機制

在監(jiān)管用戶的使用權(quán)限和確保數(shù)據(jù)安全可靠傳輸方面，該平臺的認(rèn)證機制至關(guān)重要。認(rèn)證模塊主要面向EBDC，社會企事業(yè)單位和政府部門等用戶以數(shù)字簽名和數(shù)字證書方式實現(xiàn)用戶注冊、數(shù)據(jù)上傳和點對點交易等環(huán)節(jié)的身份認(rèn)證。以EBDCi為例，其中每個節(jié)點的密鑰有認(rèn)證機構(gòu)(Certification Agency，CA)的密鑰(PubKEYCA，PriKEYCA)、EBDCi的加密密鑰(PubKEYi，PriKEYi)。這些密鑰的私鑰(以Pri開頭)都存儲在節(jié)點內(nèi)部，確保只有自己可以實現(xiàn)密鑰運算，而其他節(jié)點都可以獲得對應(yīng)的公鑰(以Pub開頭)。數(shù)字證書和數(shù)字簽名的具體流程如圖5所示。

（1）數(shù)字證書的形成和認(rèn)證。數(shù)字證書主要用于各類用戶的注冊以及用戶角色和訪問權(quán)限的發(fā)放，以確保用戶身份真實可靠，為平臺的點對點交易做好第一步。具體步驟如下：EBDC_i內(nèi)部產(chǎn)生公私鑰對，將自身公鑰和身份信息m采用認(rèn)證機構(gòu)CA公鑰加密發(fā)給CA，隨后CA用自身的私鑰解密：

而EBDC_i在進行身份認(rèn)證時，要先向第三方交易平臺發(fā)送請求和數(shù)字證書進行身份認(rèn)證：

CA通過自身公鑰解密，對M進行哈希得到M′，對比M′與H(M)，若一致，則驗證請求方合法有效，返回允許響應(yīng)，執(zhí)行下一步，否則結(jié)束服務(wù)。

（2）數(shù)字簽名的形成和驗證。數(shù)字簽名是指EBDC向第三方交易平臺上傳公開數(shù)據(jù)時進行簽名，確保上傳用戶日后不可抵賴。其上傳數(shù)據(jù)主要是哈希值和描述信息，數(shù)據(jù)量不大，因此傳輸過程中數(shù)據(jù)和簽名采用非對稱加密算法是可行的。具體步驟：EBDC_i在上傳數(shù)據(jù)前先要向該平臺進行身份認(rèn)證，當(dāng)認(rèn)證機構(gòu)CA確認(rèn)用戶身份真實，其請求在權(quán)限范圍內(nèi)，則通知它可上傳數(shù)據(jù)。此時EBDC_i上傳signature和密文Λ，其中signature由用戶私鑰加密Data生成：

最后CA用EBDCi的公鑰解密其簽名，對比Data′和Data是否一致，若一致則平臺將數(shù)據(jù)收入目錄，告知用戶上傳成功，反之拒絕接收。

3.3   點對點交易機制

該平臺點對點交易主要是指EBDC與政府部門、社會企事業(yè)單位等進行有償?shù)臄?shù)據(jù)交易。同時以交易鏈記錄交易數(shù)據(jù)實現(xiàn)鏈上用戶身份的真實性和交易的可追溯性需求，并且結(jié)合行業(yè)數(shù)據(jù)交易特點，提出基于信用貢獻和數(shù)據(jù)量貢獻的共識機制：規(guī)定一次交易查詢數(shù)據(jù)量的上限，那么查詢次數(shù)便是用戶的交易資產(chǎn)。該用戶信用度越低或者上傳平臺有效數(shù)據(jù)量越少，則獎勵積分越少，可查詢次數(shù)越少。如果需要更多的數(shù)據(jù)則用戶需自購積分再查詢。此外為保障交易完成率，需限定交易完成時間，若一筆交易實際用時為T，系統(tǒng)限定付款時間為T1、數(shù)據(jù)交付時間為T2、交易確認(rèn)時間為T3，則T應(yīng)該不超過三者之和，如果各步驟實際時間超出限定時間該交易就自動結(jié)束，用戶只能重新申請。

下面以EBDC_i與社會企業(yè)(Social Enterprise，SE)為例，點對點交易的交互流程示例如下：

SE通過瀏覽第三方交易平臺的目錄，找到自己需要的數(shù)據(jù)所屬者，向平臺提出訪問EBDC_i的請求：

CA核實身份并核查雙方的訪問權(quán)限，確認(rèn)上述請求合法后，將交易記錄號以及交易限定時間提供給雙方；雙方建立聯(lián)系后，SE在限定時間T1內(nèi)通過銀行轉(zhuǎn)賬等方式支付給EBDCi此次費用；接著EBDC_i在T2內(nèi)傳送數(shù)據(jù)Data，由于數(shù)據(jù)Data比數(shù)據(jù)摘要內(nèi)存要大，實際情況應(yīng)采用數(shù)字信封的方式可靠傳送。其加密傳輸方式如下：EBDC_i自身有一組對稱密鑰SK，用對方公鑰加密SK得到新密鑰SK′，然后用SK加密傳送Data和數(shù)字簽名s，最后將SK′和Λ傳送給SE：

SE用自己的私鑰解密SK′獲取SK，由SK解密Λ得到Data和簽名s，再用EBDC_i的公鑰解密s，對比Data′和Data是否一致，若一致則說明消息的確是EBDC_i發(fā)送的。

最后，EBDC_i與SE完成數(shù)據(jù)有償交易時，在T3內(nèi)告知平臺交易結(jié)束，并且實際總用時長T滿足式(20)，則該交易有效。同時平臺將該交易信息添加至鏈上該時段的區(qū)塊。

4    結(jié)束語

本文提出了基于區(qū)塊鏈的電力數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)管與共享交易模型和功能架構(gòu)，其中以私有鏈和聯(lián)盟鏈類型分別形成企業(yè)鏈和監(jiān)管鏈，構(gòu)建了能源集團內(nèi)部監(jiān)管機制和能源監(jiān)管部門對能源集團監(jiān)管機制；以公有鏈類型形成交易鏈，搭建數(shù)據(jù)交易防篡改、可溯源信任機制。同時搭建了基于摘要目錄樹集中式數(shù)據(jù)檢索的電力數(shù)據(jù)共享交易第三方平臺，詳細(xì)介紹摘要目錄樹、認(rèn)證機制和點對點交易機制三個模塊，最后形成基于區(qū)塊鏈去中心化下的點對點數(shù)據(jù)共享交易機制，以“弱化第三方數(shù)據(jù)集中托管中心，強化點對點交易”為特點，為能源大數(shù)據(jù)高效開放共享貢獻了方案和思路。

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（收稿日期：2019-01-24）

作者簡介：

龔鋼軍(1974-)，男，博士，副教授，主要研究方向：區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用、能源電力信息安全。

魏沛芳(1994-)，女，碩士研究生，主要研究方向：區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用、能源電力信息安全。

孫躍(1990-)，男，碩士，主要研究方向：智能電網(wǎng)、能源電力信息安全。