融入区块链理念的配电网数据池构建方法研究

赵骞，张肖，汪鸿，马蕊，王天华，张媛，王彦敏

融入区块链理念的配电网数据池构建方法研究

赵骞1，张肖2，汪鸿1，马蕊1，王天华3，张媛3，王彦敏3

（1．国网冀北电力有限公司，北京市 西城区 100053；2．国网冀北电力有限公司唐山供电公司，河北省 唐山市 063300；3．天地电研(北京)科技有限公司，北京市 昌平区 102206）

由于缺少统一的数据管理平台，电网公司发展策划部的数据应用及管理工作存在着工作量大、重复性高、一致性差等问题。为了进一步提升配电网发展业务信息化水平，规范发展业务的数据管理工作，介绍了区块链的定义及特征以及电网公司发展部的常规业务、数据管理、信息化系统应用情况。结合电网规划、电网诊断分析、项目后评价等业务工作成果要求开展数据需求分析，构建支撑供电公司发展业务需求的配网数据平台。同时融入区块链理念，构建数据管理架构、管理流程、管理机制、管理保障，制定配网数据池的记账、存储、共识、激励机制，为促进配网数据池的落实应用提供支撑保证。

区块链；配电系统；发展业务；配网数据池

0 引言

发展策划部(发展部)是供电公司的重要决策中心，发展部内部的电网规划、诊断分析、同业对标、投资决策、项目立项等工作均需要建立在大量数据收集及统计分析基础上。涉及的数据具备多专业、多指标、多时段的特点。多专业即数据涉及基建、运检、调度、营销、安监等多个部门；多指标即每个部门的指标涵盖面很广，且部分指标专业部门无相关统计口径；多时段即数据涉及多个时间断面。各项指标所需的原始数据均散落于不同部门的信息系统中，由于信息系统更新维护程度不同及管理壁垒的限制，数据收集基本是依托各部门报送报表完成，缺乏刚性流程约束，存在指标不准确、指标不统一、不同指标间逻辑不合理等数据质量问题，有可能误导投资决策。随着配网数据量逐步积累扩大，如何应用并管理好现有的数据，使之能够高效地应用到日常工作中，减轻常态性工作重复、提高工作效率，实现发展部工作的精益化管理，是目前面临的关键问题。因此有必要转变理念，将数据应用变为数据管理，搭建配电网数据池，梳理指标来源，对相关部门提出数据维护及管理要求，实现配网数据统一管理，便于开展相关工作。

1 区块链定义及核心理念

1.1 定义

区块链是指通过去中心化和去信任的方式，集体维护一个可靠数据库的技术方案。该技术方案可以让系统中的任意一个节点，通过使用密码学相关算法产生数据块(block)，每个数据块包含区块头和区块数据2部分(如图1所示)，其中区块头包含了版本号、hash 值、难度值、Mercle 树、Nounce 等用于验证其信息的有效性和链接下一个数据块的外部信息；区块数据中包含了一定时间内的系统全部交易数据信息[1-4]。

图1 区块链原理示意图

1.2 核心理念

区块链技术融合了一系列技术体系，核心理念及特征如下：

1）分布式(去中心化)。区块链的核心特征是分布式。根据链的选型和场景不同，可以是完全去中心或者多中心的，区块链不再依赖于中央处理节点，实现了数据的分布式记录、存储和更新。由于区块链系统采用P2P的组网方式，不存在中心化的服务器和路由器，任意节点在系统中的地位都是均等的，系统生成的数据块由系统中的所有节点共同维护，所有节点均有交易数据的记录和存储。

2）自治性。区块链采用固定的一致性共识算法，使得整个系统中的所有节点能够可信地交换数据，使得对人和机构的信任变成了对机器和数学算法的信任，任何人都无法干涉系统的正确运行。

3）信息不可篡改性。在区块链网络当中，由于算法的约束条件，任何恶意欺骗行为都将被网络中其余参与节点进行排斥和压制，所以区块链网络中的交易信息不可被篡改。传统的网络信任体系结构中，参与者越多，整个系统的安全性越低。而区块链技术恰恰与其相反，随着网络中参与者的不断递增，整个区块链网络中的安全性也在不断增加，同时交易数据可以做到完全透明公开。

4）匿名性。由于各节点之间数据的交换遵循固定的算法，因此交易双方无须公开自己的身份，而是通过区块链中的程序规则让对方对自己产生信任。

区块链技术的上述特征能够解决目前绝大多数领域存在已久的三大痛点：中心化、安全和信任问题。区块链本质上是交易各方建立信任机制的一个数学解决方案，是采用分布式网络来存储、传输和证明数据的技术方案，通过分布式的数据区块存储形成分布式记账系统，取代目前对中心服务器的依赖，使得所有数据变更或者交易项目都记录在网络系统中的各个节点上。

2 发展部常规业务及信息化现状

供电公司发展部下设规划处、前期处、投资管理处、综合计划处、统计分析处、科信处6个处室。主要负责电网规划、可研前期、综合计划、基建计划及投资、购售电、节能线损、统计分析、同业对标等工作。

2.1 发展部的常规业务

各专业处室的常规业务如下：

1）规划处。主要负责主网、配网规划，组织制订中长期发展规划并实施；制订地区电网中长期发展规划并实施；编制电网规划和小型基建规划；中长期(一年以上)电力市场调查分析预测；小型电厂并网方案审批；组织项目后评估。

2）前期处。负责电网项目(含小型基建及重大技改)项目的前期论证、可行性研究和上报立项；开展相应电网前期专题研究，电网项目核准报告编制。负责电网项目可研估算、前期费用管理。

3）投资管理处。负责公司基建投资计划管理，小型基建项目规划、可研、投资计划管理，公司其他技改、其他大修、车辆、零购等专项投资计划管理，并纳入公司综合计划统一上报和下达。

4）综合计划处。开展综合计划项目审核、评级、排序、上报、统计等工作；储备项目审查和储备库的日常维护工作；市场调研、经济信息分析，编写电力市场分析报告；为公司线损管理提供技术支持，开展线损理论计算等工作。

5）统计分析处。组织开展本单位综合、生产、投资统计工作，负责各类统计报表和分析材料；组织开展公司经济活动分析和专项统计调查分析工作；同业对标归口管理工作。

2.2 现状数据应用及管理问题

发展部常规业务广，常规业务主要有电网规划、电网诊断分析、电网后评价、同业对标等，其中电网规划42个报表，电网诊断分析63个报表，收集数据工作量大、次数多、重复性高、一致性差。目前发展部对于数据应用及管理的主要问题如下：

1）常规业务面广，一个业务一套数据，缺乏数据共享机制。

2）数据需求量大，一项工作一次收资，缺乏更新延续机制。

3）涉及部门较多，一次收资一次协调，缺乏统一管理机制。

4）数据来源交叉，同一指标数值不同，缺乏规范来源机制。

5）指标各自管理，发展需求难以满足，缺乏共商协作机制。

2.3 业务信息化系统应用现状

2012年国家电网公司为支撑各级电网规划管理和电网规划设计，在省、市、县公司发展口及经研院部署了“一体化电网规划设计平台”，经调研了解，该系统功能架构设计较为全面，支持负荷预测、现状分析、规划成效、上报表格等多项功能，但目前电网规划工作重点应用表格入库及项目入库两大功能，尚未形成较为规范的、系统化的数据管理模式[5]。

1）该系统主要应用于规划处的电网规划业务，也仅主要应用规划表格录入及规划项目录入两大功能。

2）未形成较为规范的、体系化的数据管理模式，数据架构以支持规划业务数据需求为主[6-7]。

整体来看，目前尚未形成支撑发展部业务的数据基础平台，现有系统功能的高频率应用寥寥无几，信息化程度相对较低[8]。

3 数据需求分析及数据池数据表设计

收集各专业处室常态业务的成果报告，进行数据需求分析，将所需的数据指标进行归类整理，形成数据池数据表。

3.1 数据需求分析

以数据需求量最大的电网规划、电网诊断分析、项目后评价、同业对标为例进行数据需求分析[9-12]。

1）电网规划。

电网发展工作涉及社会经济、供电企业概况、电网概况、电网运行等数据，具体如表1所示。

表1 电网规划数据需求表

2）电网诊断分析。

电网诊断分析与电网规划有较多功能的数据需求，另外增加企业经济效益类数据，具体如 表2所示。

3）项目后评价。

涉及数据有区域概况、历史年项目建设改造规模、电网设备规模、历史负荷电量情况、电网建设全过程完成情况、电网设备运行情况、电网投资情况、收益情况、节能环保等相关数据。

4）同业对标。

涉及数据有电网设备性能、网架情况、容载比、资产情况、供电可靠性、电压合格率等服务指标，电费回收率、线损率、输配电成本等业绩指标，人力资源管理指标，资产经营指标，物资管理指标，规划项目准确率、计划调整率等规划管理指标，建设管理指标，营销管理指标，运行管理指标，检修管理指标等。

表2 电网诊断分析数据需求表

3.2 数据池数据表

配网数据池数据取自于各部门信息化系统，可采用线上或线下2种方式提取信息化系统相关数据，采用数据统计及分析技术等功能，形 成发展部各业务口所需的数据。总体架构如图2所示。

发展部每年开展的常规工作有电网规划、电网诊断分析及项目后评价，3项工作都需要大量的数据支撑，其中电网规划和电网诊断分析是数据需求量最大的2项工作。本项目重点以电网规划、电网诊断分析及项目后评价为主要分析对象，归类整理涵盖这些工作需求的数据源。具体的分类如下所述。

1）配网台账类：包括电厂、变电站、主变、高压线路、中压公用线路、中压专用线路、公用配变、开关设备等台账，台账数据主要为设备的基本属性信息及年运行信息。

图2 配网数据池总体架构

2）电网指标类：包括区域概况、综合运行、供电能力、电网结构、设备水平及智能化水平等方面，无法通过台账信息进行测算的电网综合性指标，如10kV及以下综合线损率、综合电压合格率等[13]。

3）项目报装类：用户、电源接入等项目的报装信息，包括项目名称、报装容量及接入点等。

4）负荷预测类：电网未来发展的负荷预测结果，细化到网格内的负荷预测结果[14]。

5）规划项目类：电网发展规划的项目明细，包括规划项目名称、工程量、管理信息等[15]。

4 融入区块链理念的配网数据池管理 模式

区块链的去中心化、自治性、开放性、不可篡改及可追溯性的核心理念，与配网数据池构建的需求一致，能够解决现状数据管理出现的问题，因此，考虑融入区块链理念构建配网数据池管理模式。

4.1 融入区块链理念

将区块链理念及解决问题关系总结如下：

1）分布式(去中心化)，规避集中存储风险，构建共商协作机制。

区块链的存储方式是分布式的，不存在一个中心化的主导节点，每个节点地位平等并通过共识机制自动自发地共同维护。分布式客户端人手一套数据，规避了传统数据存储于一个集中数据库带来的数据丢失的风险，同时可利用区块链的分布式存储的共识机制及自动自发共同维护，构建数据池共商协作管理机制。

2）可开放性，解决重复收资问题，构建数据共享机制。

可开放性体现区块链的数据是开放的，但开放权限是可以设置的。可设置需求，构建对所有人都开放的公有链，对某个群体内部开放制定多个预选节点为记账人的联盟链，对个人独享写入权限的私有链。这解决了数据不公开、不同专业重复收资的问题，对相关专业人员设定为记账节点或数据读取节点，通过数据共同维护实现数据共享机制。

3）不可篡改，解决数据质量问题，构建统一管理机制。

发展部数据存在诸多问题，数据收集基本是依托各部门报送报表完成，缺乏刚性流程约束，有些部门为了使数据看起来合理，将数据随意更改，为后续工作带来诸多问题。多个数据以链式结构存储在相应的数据库中，通过数据戳及密码学的算法保护数据，同时保证数据不可篡改。这避免为了指标“好看”而私自篡改数据的行为，数据的修改必须得到共同认可。因此，可以从源头解决传统数据收集经常出现的数据质量问题，实现数据的统一管理。

4）可追溯性，解决历史数据缺失，构建更新延续机制。

原始数据均散落于不同部门的信息系统中，由于信息系统更新维护程度不同及管理壁垒的限制，存在指标不准确、指标不统一、不同指标间逻辑不合理等数据质量问题。可追溯性是加入到区块链的记录被永久存储，区块链中的每一笔数据记录都绑定了记账信息，记账标的完整传递路径能够被完全记录和追溯，不可能被摧毁。这解决了传统数据基于个人存储及管理带来的数据缺失问题，不同人记录的数据也可以进行查询，同时追溯记录，有利于数据质量的管理，实现更新延续的管理机制。

4.2 管理架构

配网数据池组织管理模式采用3层架构模式，分别为数据提供层、数据协调层、数据使用层，数据提供层为各部门专责，数据协调层为发展部统计专责及相关负责人员，数据使用层为发展部各专业专责，如图3所示。

从提供层到使用层是数据提交确认的过程，从使用层到提供层是数据存疑修正的过程，一上一下、提交修正实现了数据池的管理及应用。

4.3 管理流程

配网数据池管理涉及的人员有统计专责及负责人、发展部其他专业专责及负责人、职能部门专责及负责人。根据数据库管理工作流程主线，可分为收资、应用和维护3个管理阶段。

1）收资阶段。由统计部专责制定标准数据收集模板，负责人提出数据收集倡议并下发收资清单；职能部门收集资料，并提交收资清单，统计专责汇总，发展部其他专责检查数据质量，记录问题并推送至统计专责，统计专责发送职能部门修改，修改确认后统一发布。

图3 配网数据池管理架构

2）应用阶段。发展部其他业务专责根据工作需求发送数据更新申请单，统计专责推送至职能部门，职能部门更新统计数据，统计专责及发展部其他专责检查数据质量，经过返回修改、审核确认的过程后，统一发布。

3）维护阶段。发展部其他业务专责根据数据应用情况，提出数据指标淘汰及新增需求，统计部确认后，发展专责更新数据库，统计专责更新数据收资清单。

4.4 管理机制

4.4.1 记账机制

采用专人专责记账模式，进行数据池数据分区、分区维护、握手记账的管理机制。

1）数据池数据分区：根据业务特点的不同进行数据池数据分区。

2）分区维护、权责对等：数据使用者具备数据记账维护的职责。

3）2次握手记账：数据提供层到数据使用层，2次握手记账。

第1次握手，部门专责将更新的数据提交至业务专责，业务专责进行质量检查，握手确认；第2次握手，业务专责将确认后的数据提交至统计专责，握手确认，业务专责记入数据池数据区账本，数据池总账本同步更新。

4.4.2 存储机制

1）生成数据版本号：经过表决授权的数据，由统计专责生成版本号广播发布。

2）版本号制定规则：版本记录年月日及版本号，如V20181120.5。

3）数据区块内容：本次版本号、上次版本号、基础数据。

4）对外公布：过程版本为发展部内部记载版，对外公布的版本为月或季初第1版V*.1。

图4为配网数据版本管理示意图。

图4 配网数据版本管理示意图

4.4.3 共识机制

1）明确专责维护数据区：根据专责的业务岗位的特点，每位专责分配不同的数据维护区。

2）采用举手表决方式：该类数据的维护专 责超过50%认可(包括统计专责)，数据具备授权条件。

4.4.4 激励机制

1）制定激励评价机制：对于数据提供者，制定数据提供及时性及数据质量评价(如不合理数据占比、空数据占比、逻辑出错数据占比等指标)；对于数据使用者，制定数据更新及时性、反馈数据质量情况的评价。

2）纳入部门绩效考评：建议将关键指标纳入部门对该岗位的考核内，如提供专责的数据质量评价指标、使用者的数据反馈评价指标等。

4.5 区块链技术选型及方案

4.5.1 链型选择

区块链分为公有链、私有链和联盟链。公有链上的各个节点可以自由加入和退出网络，并参加链上数据的读写，读写时以扁平的拓扑结构互联互通，网络中不存在任何中心化的服务端节点。私有链中各个节点的写入权限收归内部控制，而读取权限可视需求有选择性地对外开放。私有链仍然具备区块链多节点运行的通用结构，适用于特定机构的内部数据管理与审计。联盟链的各个节点通常有与之对应的实体机构组织，通过授权后才能加入与退出网络。各机构组织组成利益相关的联盟，共同维护区块链的健康运转。发展部数据池适合选择私有链。

4.5.2 共识机制选择

不同共识机制有各自的特点及应用场景：PoW每次达成共识要求全网共同参与，会产生很大的资源消耗；PoS共识虽然可以解决PoW中的资源损耗问题，但需要依靠币龄进行挖矿，额外的代币需求对系统要求较高；DPoS共识算法在PoS的基础上通过股东投票给某个受托人，由系统根据股东所持股权在系统中占比计算出票数较高的一定数量受托人，由受托人按照事先规定顺序轮流负责生成区块。发展部数据池适合选择PoW共识机制。

4.5.3 激励机制的设置

设置链内激励机制，实行内部KPI考核。鼓励不同部门积极维护上链数据并确保上链数据的真实性和实效性，因为区块链技术本身无法区分上链数据的真伪，但可事后溯源追责。将不合理数据占比、空数据占比、逻辑出错数据占比定义为不可用数据占比，根据占比不同，分为“合格”和“不合格”2个级别，无不可用数据的为“合格”，存在不可用数据的为“不合格”。

4.6 管理保障

发展部统计处是用电企业的数据集散中心、权威发布中心，传统的工作理念及工作方式无法满足大数据及精益化管理的需要，在工作服务对象及工作内容上均应有所革新。为了保障配网数据池的高效运转，统计处管理职能应重点做出3个转变：

1）从“向上服务”到兼顾“横向支撑”的服务对象转变。

传统统计工作重点以统计各类报表为主，主要上报上级主管单位，完成省公司、地市公司 等区域性指标的统计；同时，统计数据作为有 力的数据支持服务于年终及季度等各类总结性工作汇报。传统服务对象主要是向上服务于上 级主管单位及领导，发展部内部各专业间的数据支撑力度不够，应发挥统计处的数据权威发布中心的作用，整合各专业常态化工作的数据需求，形成共用基础数据池，解决重复性收资多、无法高效整合、数据不统一等管理效率低的现状问题。

2）从“提报数据”到侧重“监督预警”的工作职能转变。

传统统计工作基于各部门及集成单位报送数据进行相对简单的指标统计，是“收数据、报数据”的工作模式，应从简单提报数据向监督预警方向转变，真正体现统计处“信息”“咨询”“监督”的三大职能。创新工作理念，实现以统计处为中心的“数据收集—统计分析—监督预警—数据发布”的PDCA循环管理模式，不但要看“现状”、还要看“历史”，重点基于各部室提报数据及统计处历史积累数据进行数据分析，给出有价值的数据导向及数据预警，同时为电力发展政策的制定、电力规划设计管理决策及电力形势分析提供重要的参考依据。

3）从“零散发布”到规范“统一发布”的成果发布转变。

配网规划、电网诊断、同业对标等常规业务均需填报较多数据表格上报国网，所需的指标有较多由统计处提供，由于未形成统一的工作模式及管理规范，多为要什么、给什么的处理方式，临时统计的情况也有，指标留存不及时、指标不统一等问题较普遍。因此，搭建多业务整合数据需求的数据源非常重要，同时，摒弃传统零散发布的形式，规范数据发布模式，采用统一格式的统计年鉴形式统一发布，固定发布时间，具有一定的权威性。

5 结论

介绍了发展部的常规业务、数据管理及信息化系统应用情况，结合业务工作成果要求，开展数据需求分析，划分数据池数据表类别，设计数据表数据指标，构建了支撑供电公司发展业务需求的配网数据池。介绍区块链的技术、理念及特征，结合数据实际应用及管理中存在的主要症结，融入区块链的分布式(去中心化)、防篡改、可追溯的先进理念，并引入链内激励机制，实行内部KPI考核，为支撑配网数据池高效运转提供管理保证。

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Research on Construction Method of Distribution Network Data Pool Integrating Block Chain Concept

ZHAO Qian1, ZHANG Xiao2, WANG Hong1, MA Rui1, WANG Tianhua3, ZHANG Yuan3, WANG Yanmin3

(1. State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Xicheng District, Beijing 100053, China;2. State Grid Jebei Electric Power Co., Ltd., Tangshan Power Supply Company, Tangshan 063300, Hebei Province, China; 3.Beijing T&D Power Research Co., Ltd., Changping District, Beijing 102206, China)

Due to the lack of a unified data management platform, the data application and management work of the development department has many problems, such as heavy workload, high repeatability and poor consistency. In order to improve the level of business informatization in distribution network development and standardize data management for business development, the definition and characteristics of block chain and the application of routine business, data management and information system of the development department were introduced.According to the requirements of business results, such as power grid planning, power grid diagnosis and analysis, project post-evaluation, this paper carried out date demand analysis, built the distribution network data platform to support the power supply company to develop business needs.At the same time, this paper integrated the concept of block chain, constructed data management framework, management process, management mechanism and management guarantee, formulated the accounting, storage, consensus and incentive mechanism of distribution network data pool, which provided support for promoting the implementation and application of distribution network data pool.

block chain; distribution system; development business; distribution network data pool

10.12096/j.2096-4528.pgt.19133

2019-09-11。

(责任编辑 辛培裕)