一种基于区块链的电能品质溯源系统及方法

技术领域

本申请属于能源质量技术领域，特别是涉及一种基于区块链的电能品质溯源系统及方法。

背景技术

电力系统是我国的重要经济支柱，为社会发展和人民生活提供可靠保障。而电能质量决定了用电的安全可靠性，关系到用电品质，设备寿命和生产效率等，也是是影响企业安全生产及最终经济效益的重要因素。追溯电能生产流水线，能够从根本上提升电能质量，从而促进电网平稳运行。

然而，传统溯源系统大多由地方监管部门管理，溯源数据的掌握权也非常单一，受篡改的可能性大，导致信息的真实性无法保证，无法获得较好的溯源结果。且传统的电能品质数据大多存储在商用服务器中，带来成本高、维护困难和第三方介入等一系列问题。区块链技术固有的去中心化和不可篡改的特点与电能溯源的需求相吻合，但由于当前区块链技术尚处于起步阶段，在电能溯源领域尚未有成熟的研究和完备的技术体系。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于区块链固有的去中心化和不可篡改的特点与电能溯源的需求相吻合，但由于当前区块链技术尚处于起步阶段，在电能溯源领域尚未有成熟的研究和完备的技术体系的问题，本申请提供了一种基于区块链的电能品质溯源系统及方法。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种基于区块链的电能品质溯源系统，所述系统依次包括物理层、数据采集层、区块链层、交互层和用户层；所述物理层，用于生产电能，通过电力系统进行调度，将电能进行输送至用户终端；所述数据采集层，用于对生产和传输的电能进行采集；所述区块链层，用于接收数据采集层传入的数据，并将数据打包生成区块，进而广播至全网络，规范电能品质溯源的标准协议；所述交互层，用于上传数据，审查校核和查询信息；所述用户层，用于将用户分为不同的角色。

电能品质溯源系统按照功能划分为登录注册模块，数据上传模块，数据签名模块，用户审核模块，积分计算模块和信息查询模块。登录注册模块和信息查询模块供所有用户使用，数据上传模块由源节点执行，数据签名模块由验证节点执行，用户审核模块由审核节点执行，积分计算模块由系统自动计算。

本申请提供的另一种实施方式为：所述物理层包括依次连接的电能生产模块、电能输送模块、电能变换模块和电能使用模块，所述电能生产模块包括现有的火力发电厂和水力发电厂，将产生的电能通过所述电能输送模块中的传输线进行输送，根据输送的电压需求，通过所述电能变换模块中的变压器设备进行电压等级的变换，最终输送至所述电能使用模块；在此过程中，调度方向和调度数量等具体的调度行为由所述电力系统调度模块进行决策。

本申请提供的另一种实施方式为：所述数据采集层包括电能检测仪表、传感器监测设备和物联网控制终端；所述电能监测仪表用于对稳态指标数据进行测量，包括电能生产者所生产电能的基本台账信息，总发电量，电压指标的最大值、最小值、均值，频率指标的最大值，最小值，均值，数据以天为单位；所述传感器监测设备用于对指标品质数据进行测量，包括电能生产者所生产电能的基本台账信息，总发电量，电压指标的最大值、最小值、均值，频率指标的最大值，最小值，均值，数据以天为单位；所述物联网控制终端用于对指标合格率数据进行测量，包括电能生产者所在监测点的电压偏差、频率偏差的超限时间，数据以周为单位。

本申请提供的另一种实施方式为：所述用户层将用户分为电能生产者、配变电站和终端用户，所述电能生产者为源节点，所述配变电站为验证节点，所述终端用户为审核节点。

本申请提供的另一种实施方式为：所述区块链层包括数据模块和智能合约模块，所述数据模块包括数据存储子模块和数据流通子模块，区块链接收源节点的电能质量数据和审核节点的审核结果数据后，将数据打包生成区块，完成数据流通；用户接收区块链流通的数据后自动在本地进行存储；所述智能合约模块包括溯源协议子模块和积分制度子模块；所述溯源协议子模块规范电能溯源所要上传的电能数据结构，所述积分制度子模块规范上传数据与实际情况验证审核后的积分结算规则。

本申请提供的另一种实施方式为：所述交互层包括数据上传窗口、数据监督审查入口和溯源信息展示模块；所述数据上传窗口由源节点根据数据采集层采集的电能数据上传；所述数据监督审查入口由验证节点和审核节点进入，对源节点发布的电能质量数据进行验证；所述溯源信息展示模块向所有用户展示，公开所有上传数据和审核结果。

本申请还提供一种电能品质溯源方法，将所述的电能品质溯源系统应用于电能品质溯源。

本申请提供的另一种实施方式为：所述方法包括如下步骤：步骤1：设定电能生产者为源节点，配电站和变电站为验证节点，终端用户为审核节点；步骤2：不同类型的节点根据自身角色在电能品质溯源系统注册，上传或查询电能品质数据；步骤3：系统数据流通通过区块链进行。

步骤3)具体步骤包括：301)源节点通过传感器设备和电能监测装置对生产的电能进行测量，通过电能品质溯源系统将数据打包上传至电能质量区块链，生成新区块；302)配电站和变电站通过物理调度接收电能生产者传输的电能，同时验证其发布至区块链网络的信息与实际情况是否一致，通过电能品质溯源系统对结果进行签名；303)终端用户根据实际使用情况审核源节点发布的区块信息，将审核结果上传至电能品质溯源系统，系统根据用户审核结果刷新电能生产者积分，并记录在积分管理区块链中。

步骤301)测量数据具体包括：401)稳态指标数据，电能生产者所生产电能的基本台账信息，包括总发电量，电压指标的最大值、最小值、均值，频率指标的最大值，最小值，均值。数据以天为单位。

402)指标品质数据，电能生产者所生产电能的功率因数，总谐波畸变率，三相电压不平衡度。数据以天为单位。

403)指标合格率数据，电能生产者所在监测点的电压偏差、频率偏差的超限时间。数据以周为单位。

步骤302)具体包括：当上游的电能生产者将电能输送至配电站和变电站验证节点时，验证节点根据所在节点处的传感器和监测设备，对电能质量进行监测，同时与电能质量区块链中发布的数据进行对比，确认无误后，则进入电能品质溯源系统，通过自己的区块链私钥对此条电能信息进行签名，同时输入验证节点的ID和验证结果。

步骤303)具体包括：终端用户使用电能时，可以通过电能品质溯源系统对所使用的电能进行溯源，并与实际情况对比，对比结果将作为审核结果上传，电能品质溯源系统根据审核系统对对应的电能生产者积分进行刷新。积分管理区块链记录每次对应源节点的积分变化，基准分为10分。如某一验证节点和审核节点均确认源节点发布的数据无误，加1分，否则减1分。计算所有验证节点和审核节点打分的平均值，作为最终分数变化值并刷新上一次该电能生产者的积分值。源节点的积分值越高，在新一轮的调度中将优先考虑使用此节点生产的电能。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤3中区块链包括电能质量区块链和积分管理区块链。

本申请提供的另一种实施方式为：所述积分管理区块链记录每次对应源节点的积分变化，基准分为10分；若某一验证节点和审核节点均确认源节点发布的数据无误，加1分，否则减1分；计算所有验证节点和审核节点打分的平均值，作为最终分数变化值并刷新上一次该电能生产者的积分值。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种电能品质溯源方法的有益效果在于：

本申请提供的电能品质溯源方法，属于电能品质溯源方法和模式设计领域，为一种基于区块链的电能品质溯源方法。

本申请提供的电能品质溯源系统，填补区块链技术在电能溯源领域的空白，为区块链技术在电能溯源领域的运用提供新的解决方法。

本申请提供的电能品质溯源系统，能够有效地解决现今电能溯源信息不对称及成本高，维护困难等问题，同时填补区块链技术在电能品质溯源领域应用的空白。

本申请提供的电能品质溯源系统，能够使传统的溯源数据发布在区块链中，增强数据的公开性和不可篡改性；有力监督电能生产部门合法如实上报电能品质数据，维护电力系统良好运行和信任程度，增强电力系统安全性和稳定性。

本申请提供的电能品质溯源方法，能够促进电能质量的进一步提升，从而保障不同用户的用电需求，促进生产效率，维护用电设备安全和使用寿命，从而促进社会经济效益。

本申请提供的电能品质溯源方法，能够在电能溯源和与电能溯源类似的系统中应用，工程实际人员可以据此展开相关研究工作。

附图说明

图1为本申请的溯源系统整体架构图；

图2为本申请的溯源流程示意图；

图3为本申请的电能质量链区块结构图；

图4为本申请的积分管理链区块结构图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

参见图1～4，本申请提供一种基于区块链的电能品质溯源系统，所述系统依次包括物理层、数据采集层、区块链层、交互层和用户层；所述物理层，用于生产电能，通过电力系统进行调度，将电能进行输送至用户终端；所述数据采集层，用于对生产和传输的电能进行采集；所述区块链层，用于接收数据采集层传入的数据，并将数据打包生成区块，进而广播至全网络，规范电能品质溯源的标准协议；所述交互层，用于上传数据，审查校核和查询信息；所述用户层，用于将用户分为不同的角色。

电能品质溯源系统按照功能划分为登录注册模块，数据上传模块，数据签名模块，用户审核模块，积分计算模块和信息查询模块。登录注册模块和信息查询模块供所有用户使用，数据上传模块由源节点执行，数据签名模块由验证节点执行，用户审核模块由审核节点执行，积分计算模块由系统自动计算。

进一步地，所述物理层包括依次连接的电能生产模块、电能输送模块、电能变换模块和电能使用模块，所述电能生产模块包括现有的火力发电厂和水力发电厂，将产生的电能通过所述电能输送模块中的传输线进行输送，根据输送的电压需求，通过所述电能变换模块中的变压器设备进行电压等级的变换，最终输送至所述电能使用模块；在此过程中，调度方向和调度数量等具体的调度行为由所述电力系统调度模块进行决策。

进一步地，所述数据采集层包括电能检测仪表、传感器监测设备和物联网控制终端；所述电能监测仪表用于对稳态指标数据进行测量，包括电能生产者所生产电能的基本台账信息，总发电量，电压指标的最大值、最小值、均值，频率指标的最大值，最小值，均值，数据以天为单位；所述传感器监测设备用于对指标品质数据进行测量，包括电能生产者所生产电能的基本台账信息，总发电量，电压指标的最大值、最小值、均值，频率指标的最大值，最小值，均值，数据以天为单位；所述物联网控制终端用于对指标合格率数据进行测量，包括电能生产者所在监测点的电压偏差、频率偏差的超限时间，数据以周为单位。

进一步地，所述用户层将用户分为电能生产者、配变电站和终端用户，所述电能生产者为源节点，所述配变电站为验证节点，所述终端用户为审核节点。

进一步地，所述区块链层包括数据模块和智能合约模块，所述数据模块包括数据存储子模块和数据流通子模块，区块链接收源节点的电能质量数据和审核节点的审核结果数据后，将数据打包生成区块，完成数据流通；用户接收区块链流通的数据后自动在本地进行存储；所述智能合约模块包括溯源协议子模块和积分制度子模块；所述溯源协议子模块规范电能溯源所要上传的电能数据结构，所述积分制度子模块规范上传数据与实际情况验证审核后的积分结算规则。

进一步地，所述交互层包括数据上传窗口、数据监督审查入口和溯源信息展示模块；所述数据上传窗口由源节点根据数据采集层采集的电能数据上传；所述数据监督审查入口由验证节点和审核节点进入，对源节点发布的电能质量数据进行验证；所述溯源信息展示模块向所有用户展示，公开所有上传数据和审核结果。

本申请还提供一种电能品质溯源方法，将所述的电能品质溯源系统应用于电能品质溯源。

进一步地，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设定电能生产者为源节点，配电站和变电站为验证节点，终端用户为审核节点；步骤2：不同类型的节点根据自身角色在电能品质溯源系统注册，上传或查询电能品质数据；步骤3：系统数据流通通过区块链进行。

步骤3)具体步骤包括：301)源节点通过传感器设备和电能监测装置对生产的电能进行测量，通过电能品质溯源系统将数据打包上传至电能质量区块链，生成新区块；302)配电站和变电站通过物理调度接收电能生产者传输的电能，同时验证其发布至区块链网络的信息与实际情况是否一致，通过电能品质溯源系统对结果进行签名；303)终端用户根据实际使用情况审核源节点发布的区块信息，将审核结果上传至电能品质溯源系统，系统根据用户审核结果刷新电能生产者积分，并记录在积分管理区块链中。

进一步地，步骤301)测量数据具体包括：401)稳态指标数据，电能生产者所生产电能的基本台账信息，包括总发电量，电压指标的最大值、最小值、均值，频率指标的最大值，最小值，均值。数据以天为单位。

402)指标品质数据，电能生产者所生产电能的功率因数，总谐波畸变率，三相电压不平衡度。数据以天为单位。

403)指标合格率数据，电能生产者所在监测点的电压偏差、频率偏差的超限时间。数据以周为单位。

进一步地，步骤302)具体包括：当上游的电能生产者将电能输送至配电站和变电站验证节点时，验证节点根据所在节点处的传感器和监测设备，对电能质量进行监测，同时与电能质量区块链中发布的数据进行对比，确认无误后，则进入电能品质溯源系统，通过自己的区块链私钥对此条电能信息进行签名，同时输入验证节点的ID和验证结果。

进一步地，上述步骤303)具体包括：终端用户使用电能时，可以通过电能品质溯源系统对所使用的电能进行溯源，并与实际情况对比，对比结果将作为审核结果上传，电能品质溯源系统根据审核系统对对应的电能生产者积分进行刷新。

积分管理区块链记录每次对应源节点的积分变化，基准分为10分。如某一验证节点和审核节点均确认源节点发布的数据无误，加1分，否则减1分。计算所有验证节点和审核节点打分的平均值，作为最终分数变化值并刷新上一次该电能生产者的积分值。

源节点的积分值越高，在新一轮的调度中将优先考虑使用此节点生产的电能。

进一步地，所述步骤3中区块链包括电能质量区块链和积分管理区块链。

进一步地，所述积分管理区块链记录每次对应源节点的积分变化，基准分为10分；若某一验证节点和审核节点均确认源节点发布的数据无误，加1分，否则减1分；计算所有验证节点和审核节点打分的平均值，作为最终分数变化值并刷新上一次该电能生产者的积分值。

实施例

根据本发明所提出的电能品质溯源方法，下面首先对本发明所提出的电能溯源系统的整体架构做详细陈述，再详细介绍基于此系统架构的溯源方案和具体流程，包括各个角色的具体工作过程和部署在区块链上的详细数据结构。

(一)电能溯源系统的整体架构

电能溯源系统主要包括物理层，数据采集层，区块链层，交互层和用户层。

物理层主要指当前已有的发、输、配、用电力系统调度过程，在物理层中，电能生产者按照已有计划和标准生产一定的电量，通过电力系统进行调度，由电力线路传输和配变电站进行调整和进一步传输，最后电能输送到用户终端，完成整个物理调度过程。

数据采集层主要指发电厂和配变电站安装的传感器监测设备和以物联网为基础的电能信息测量和监测设备对生产和传输的电能进行采集的过程。电能溯源中数据上传，监管审核等一系列行为均基于数据采集层输入的结果执行。

区块链层主要分为两大部分。数据部分接收数据采集层传入的数据，并将数据打包生成区块，进而广播至全网络，从而可供产业链上下游的所有节点查看；智能合约部分规范了电能品质溯源的标准协议，包括不同类型节点的区分和规范，电能溯源所要上传的电能数据列表，上传数据与实际情况验证审核后的积分结算规则，智能合约一经部署至区块链便不可更改。

交互层为网页端的交互界面，是电能质量溯源系统的载体，也是所有用户进行上传数据，审查校核和查询信息的统一入口。

用户层包含了不同角色和分工的用户，包括作为源节点的电能生产者，作为验证节点的配变电站和作为审核节点的终端用户。

(二)电能溯源方案

(1)溯源流程

1)生产环节

生产环节，主要节点为源节点，节点需要登录电能品质溯源系统，通过自己的区块链账户将稳态指标数据、指标品质数据和指标合格率数据和自己的ID(用于区分不同电能生产者的唯一标志)录入并上传到区块链中，源节点将调用智能合约实现对节点的认证和数据上链，此链为电能质量链，在区块链网络中达成共识后，区块链中的矿工将创建新的区块，信息也将同时在全网广播。

2)传输环节

该环节依靠已有的传输线路输送电能，区块链信息不发生任何改变。

3)配变环节

在收到来自生产环节的电能后，配变电站登录电能质量溯源系统，作为验证节点进行检验，通过数字签名对上游数据的合格与否进行认证，将验证结果和电能生产者的ID作为输入传至积分管理链对应的智能合约。

4)使用环节

终端用户在购买电能后进行使用，根据终端用电设备的实际工作情况评估电能质量，同时与源节点发布的电能质量数据对比，判断发布数据和实际质量是否符合，根据区块链账号登录电能质量溯源系统，作为审核节点上传审核结果。此时，系统已接收到电能生产者ID，配变环节的认证结果和使用环节的审核结果。将三者输入积分管理链对应的智能合约，智能合约按照规定的积分制度进行计算，并将结果上传至积分管理链中。

至此，完成了物理层中电能的完整输送，数据层中电能质量的全路径审核溯源，以及针对电能生产者的积分更新。

(2)数据结构

用户与区块链发生互动时，区块链将①向区块链上传的数据和②由智能合约计算的数据(如积分等)进行整合，按智能合约指令生成区块，数据结构主要指被整合的数据和区块本身生成的数据的合体。

1)电能质量链的区块结构

在电能质量链生成的区块中，首先包含区块高度，区块Hash，前一区块Hash和时间戳等信息，这些信息作为区块链的底层数据，能够保障数据的不可篡改和追溯性。

除此之外，电能质量链生成的区块包括

①电能生产者的ID

②稳态指标数据

电能生产者所生产电能的基本台账信息，包括总发电量，电压指标的最大值、最小值、均值，频率指标的最大值，最小值，均值。数据以天为单位。

③指标品质数据

电能生产者所生产电能的功率因数，总谐波畸变率，三相电压不平衡度。数据以天为单位。

④指标合格率数据

电能生产者所在监测点的电压偏差、频率偏差的超限时间。数据以周为单位。

2)积分管理链的区块结构

在积分管理链生成的区块中，首先包含底层的区块信息。

其次，主要包括：

①电能生产者的ID和其积分值

电能生产者ID是电能生产者的身份标识符，也与积分值一一对应。积分管理区块链记录每次对应源节点的积分变化，基准分为10分。如某一验证节点和审核节点均确认源节点发布的数据无误，加1分，否则减1分。计算所有验证节点和审核节点打分的平均值，作为最终分数变化值并刷新上一次该电能生产者的积分值。

源节点的积分值越高，在新一轮的调度中将优先考虑使用此节点生产的电能。

②所有途径配变电站的验证结果，均为符合或不符合

③所有电能使用者的审核结果，均为符合或不符合

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。