职称论文
摘要：变电站档案作为记录变电站运行信息的重要资料，在项目工程验收、事故责任认定、资产核查、设备故障排查等方面发挥着极其重要的作用。但是现阶段站内档案管理尚存在资料管理不合理、更新不及时、易被篡改等问题亟需解决，这些问题成为变电站运维和工程开展的潜在安全隐患。区块链利用共识算法，使全网用户共同参与信息的维护，通过共识机制保障记录的安全性、透明性和可靠性。文章通过分析变电站档案管理中存在的实际问题，介绍了区块链的核心技术，提出了基于超级账本Fabric的变电站档案管理方法。
关键词：区块链； 变电站档案管理； 超级账本Fabric;
Abstract:As the important information to record the operation information of substation, substation archives play an extremely important 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 be tampered and so on. These problems become potential security risks for substation operation and maintenance and project development. By using consensus algorithm, blockchain enables users of the whole network to participate in the maintenance of information, and ensures the security, transparency and reliability of records through consensus mechanism. This paper analyzes the practical problems in the management of substation archives, introduces the core technology of blockchain, and proposes a file management method of substation based on super ledger Fabric.
Keyword:blockchain; substation archives management; super ledger Fabric;
目录
0引信........................................................1
1变电站档案管理现状分析........................................................2
1.1电子档案易损坏........................................................3
1.2档案更新不可追溯........................................................3
1.3档案缺乏合理管理........................................................3
2区块链核心技术........................................................4
2.1数据结构........................................................5
2.2智能合约........................................................5
3基于区块链技术的变电站档案管理实现........................................................6
3.1实现过程........................................................7
3.2技术特征........................................................7
4结束语........................................................8
文内图表........................................................9
图1区块链链式结构........................................................9
图2 Merkle树结构图........................................................9
图3整体实现过程........................................................9
参考文献........................................................10
0 引言
随着变电站数量的不断增加，以及变电站规范化管理要求的不断提升，变电站各类档案资料呈现种类繁多、数量庞大、更新速度快、管理难度大等特点，同时变电站资料涉及到工程项目责任，需要为不同资料设置相应的使用范围及查阅权限。因此，变电站站内档案需要一种新的电子化存储方式来保证资料的完整可靠、更新及时、不可篡改、限制查询等要求。
区块链技术作为一种在各个领域应用非常广泛的分布式共享数据库技术，其提供了一种去中心化、非对称性数据加密、时间戳、节点无需互相信任积累的范式[1].其已在金融、供应链、资产认证等多个领域有实际项目[2,3].2019年10月，在中共中央政治局第十八次集体学习会议上，中共中央总书记习近平再次强调，区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。
1 变电站档案管理现状分析
变电站档案管理作为变电站运维工作中的重要内容，需要资料管理人员的对站内设备情况、站内工程情况及资料阅读权限等方面有整体把握。集控变电站的档案管理往往以几座甚至几十座变电站的形式统一管理，档案数量种类多、数量大[4].虽然变电站部分资料实现了电子化，但是仍然有很大一部分是以纸质的形式存储。同时，变电站档案查阅往往涉及到生产技术、变电运行、变电检修等多个部门，因此这给资料管理上带来了很大的难度，如果管理不善，往往会造成档案的丢失、损坏和误改，从而给变电站带来安全隐患及工程项目责任风险。
1.1 电子档案易损坏
由于变电站电子档案关系着站内设备安全运行及工程的顺利开展，保障其安全性是变电站档案管理最重要的内容。目前，变电站的设备参数及资产资料往往以文档的形式存储在站内主机磁盘中，由于电脑有时需要插入U盘等移动存储设备，变电站电子档案易受到病毒破坏，造成数据被篡改及丢失，而且由于没有其他单位对档案信息进行备份存储，因此数据被篡改或丢失后无法找回，从而造成永久损失。
1.2 档案更新不可追溯
在变电站"春查"、"秋查"及站内进行其他工程时，由于工程现场档案需要频繁更新、查阅及档案的更新操作也往往缺乏审核，极易造成档案数据错误。且发生错误后，由于档案管理缺少日志，往往无法追溯到数据修改前的内容，无法保证档案数据的可靠性。
1.3 档案缺乏合理管理
由于变电站的安全生产、设备变更情况及资产信息等都需要安全监督及接受财务部门的随时检查，在工程现场也有各类工作人员需查询相关档案，而因档案使用缺乏授权机制，资料档案管理混乱，往往影响到档案的安全使用和信息的保密性。另外，资料缺乏有效合理的管理也会造成审核时间过程长，审核效率低。因此我们需要保证这些资料能够快速准确地提供给检查单位，提高工作效率。
2 区块链核心技术
2.1 数据结构
区块链数据结构作为比特币中的底层核心技术，最初大多沿袭了比特币中的链式结构。随着研究的深入，出于性能、安全性等不同方面的考虑，新的区块链数据结构被提出，如树状结构和图状结构[5].下面简单介绍下链式结构。
在比特币系统中，每个区块由包含元数据的区块头和许多条交易记录的区块体组成。元数据包括本区块及上一个区块的哈希散列值，Merkle树根，时间戳，随机数，区块高度，难度系数等。区块之间通过哈希指针连接起来，通过哈希指针可以找到上一个区块。Merkle树根可以用来校验交易信息，保证交易信息未被篡改。区块头哈希值和区块高度则可以区分不同区块。随机数和难度系数用于工作量证明POW,可以动态地调整"挖矿"难度，保证区块产生时间的稳定。各个区块按照这种结构连接起来，形成了区块主链，区块链的结构如图1所示。
图1 区块链链式结构
为了保障每个区块中交易的不可篡改性，交易信息采用Merkle树进行数据组织。Merkle树也称作哈希树，每个叶子节点是一条交易信息，叶子节点通过哈希运算得到其哈希值，再将两个叶子节点的哈希值再取哈希得到上一级的非叶子节点，以此类推，最终得到Merkle树根。对于交易记录的任何的修改都能体现在Merkle树根值上，因此可以通过Merkle树根值是否正确来来判断交易信息是否被篡改过。Merkle树结构如图2所示。
图2 Merkle树结构图
2.2 智能合约
智能合约的提出可以追溯到1995年，由多产的跨领域法律学者尼克·萨博（Nick Szabo）提出。其对智能合约的定义为一套以数字形式定义的承诺，包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。在具体实现过程中，智能合约是一段可执行的脚本，智能合约与区块链的结合，使得区块链的应用不再仅仅局限于分布式账本，可以根据实际需要，在各节点执行脚本代码，实现特定功能。智能合约使区块链网络处理数据时更高效，但同时由于智能合约的不可逆转性，绑定包含错误的协议则会造成严重的问题。
3 基于区块链技术的变电站档案管理实现
变电站档案管理以生产技术部、变电处为主、具有可信认证的多主体参与、链上主体共同维护的特点，因此选取区块链联盟链体系，构建以变电处和生产技术部为主导，包含变电检修部门、财务资产部、安全监督部等多个部门组成的生态联盟。
3.1 实现过程
变电站档案管理区块链网络是基于超级账本Hyperledger Fabric实现的。可实现对人员授权、密钥管理、访问控制等功能。其整体实现过程如图3所示。
图3 整体实现过程
3.1.1 业务逻辑
首先，确定区块链管理成员，包括变电运行、变电检修、安全监察、财务、生产技术等部门。第二，确定链上存取的数据，包括项目管理制度、安全管理台账、质量管理台账、技术管理台账、设备资产明细等。第三，根据不同的工作内容设置操作权限和使用范围，如生产技术部门负责对资产核查、工程档案和设备信息查询提供授权，变电处对工程人员登记、工作档案和设备信息更新等提供审核。第四，经过变电处审核通过的更新数据，如：工作票、操作票记录、一次设备投退情况、二次保护装置定值等通过客户端上传到链上，经过全网节点共识后将更新后的信息记录在链上，由全网节点共同维护，保证信息真实性和追溯性；第五，由生产技术部和安全监察部牵头制定，并经各主体签名认证后生成智能合约，合约中规定了变电、检修工作人员及其他工程人员对信息进行更新的范围，在触发合约时自动执行合约内容；最后，链上的节点经过生产技术部授予权限后，可以查看区块链网络上存储的信息。
3.1.2 运行过程
当客户端发出数据更新请求后，系统会根据链码中编写的相应代码执行相应权限的操作，将数据更新操作先送到网络中的背书节点，背书节点检查执行的合法性并模拟执行，然后对数据更新请求进行背书，并发送到原客户端。客户端将背书后的请求再次发给排序节点进行排序，排序节点同样需要校验操作的合法性，最后打包发给网络中各节点，从而改变链中存储的数据。
当客户端发出查询请求后，首先判断用户的查询权限和范围，然后系统会根据世界状态数据库、历史状态数据库及索引数据库快速查询到用户所要查询的数据。
3.2 技术特征
3.2.1 上链、查询速度快
变电站档案管理区块链的数据都是经过变电档案管理部门审核通过的，可以确保存储的数据与实际设备、工程票据内容一致。由于Fabric为了提高性能，各节点要维护世界状态、历史状态以及索引数据库，从而避免了全链查询。同时，采用合适的共识机制，提高了变电站档案信息的上链和查询速度。
3.2.2 节点安全可靠
首先，变电站档案管理区块链的分布式链式存储结构确保了区块链的容错性，少数节点因故退出后不会影响整个区块链网络运行。其次，区块链保证了链上数据无法被篡改及可追溯，保证了数据的安全性和可靠性，即使出现错误也能实现对错误的实时定位和有效处理。最后，区块链采用联盟链的形式，只有电力企业内部各部门可以加入，确保了区块链上的节点都是可信的，有效避免了非法节点对区块链的侵入。
3.2.3 并发处理性能强
由于变电站设备较多，各种工程资料繁杂，使得链上需存储的信息量巨大，采用Fabric框架可以在一分钟内实现上百万次的上链操作，完全满足实际的工作需要。同时，区块链中提供了可选的CouchDB分布式数据库，其具有高并发性、高灵活性、高扩展性、容错性好的优点，应用在变电站档案管理中提高了变电站档案管理的并发处理速率，保证大规模分布式数据存储的可靠性。
4 结束语
利用Hyperledger Fabric框架的区块链技术对变电站档案进行管理，不仅可以提升站内档案管理的信息化水平，提高档案信息的存储速率和并发处理能力，确保档案信息的真实性、有效性和可追溯性，而且由于有生产技术部门和变电部门审查，可以有效减少工程项目及日常检修过程中出现的档案误填、误改、误删等现象，其他部门可以在获取相应权限后快速查询相应的站内档案信息，提高了工作效率。随着区块链技术的不断发展，其与电力行业的融合度会越来越高，通过合理运用相关技术，可以有效提高电力行业的档案管理水平，保证电力系统安全可靠运行。
参考文献
[1] 张俊，高文忠，张应晨，郑心湖，杨柳青，郝君，戴潇潇。运行于区块链上的智能分布式电力能源系统：需求、概念、方法以及展望[J].自动化学报，2017.43（9）：1544-1554
[2] 周小韵。区块链技术在学生档案管理中的应用模式探究[J].南京理工大学学报（社会科学版），2019.32（6）：52-57
[3] 王继业，高灵超，董爱强，郭少勇，陈晖，魏欣。基于区块链的数据安全共享网络体系研究[J].计算机研究与发展，2017.54（4）：742-749
[4] 陈宁钊，吴鸿超。智能化变电站资料管理系统的设计及应用[J].供用电，2008.25（6）：73-75
[5] 蔡晓晴，邓尧，张亮，史久琛，陈全，郑文立，刘志强，龙宇，王堃，李超，过敏意。区块链原理及其核心技术[J].计算机学报，2019.5:1-51