智能电网设备-基于区块链技术的智能电网设备安全诊断服务系统

[全]智能电网设备-基于区块链技术的智能电网设备安全诊断服务系统智能电网是集传统网络与现代通信技术于一体的综合网络系统，它可实现供应商和用户之间的最佳传输和电能分配。智能电网具有良好的可控性，解决了传统电网交互率低、能源利用率低、安全性分析困难等问题。由于智能电网在交互性、智能性和安全性等方面的突出优势，它已成为电网建设的新趋势，也将会带来巨大的社会效益。智能电网包含很多内容，主要包括：智能变电站、继电保护装置、智能电表、智能交互终端等。这些智能设备在智能电网中扮演着非常重要的角色，起着至关重要的作用。一旦设备出现故障或运行异常，将对电力系统的安全稳定运行产生重大影响。目前，当智能设备不能正常运行时，通常的维修方法是企业技术人员到设备所在现场进行诊断和维修，遇到较大的电网故障时这种维修方式效率低下，需要大量的人力物力，有时用户满意度不高。因此，传统的技术诊断和维修技术人员奔赴现场的方式，已不能满足当前社会的需要。目前迫切需要新的手段和方法来解决这一问题。为了有效地解决智能设备的维修效率低下问题，目前已经有了一些研究成果。Jamshidi等提出了一种新的综合风险优先度框架，以选择最佳的医疗设备维修策略。该框架的实施可以提高医疗行业高风险设备的可用性。汲国强等提出了一种适用于状态维修的马尔可夫停运模型，分析了完全维修、不完全维修和最小维修三种维修方式的特点。在此基础上，提出了一种涵盖多种维修方式的综合时变停运模型。王有元等设计了一种基于云平台的变电站设备智能诊断系统，解决了变电站设备故障诊断的可靠性和准确性低的问题。利用现有成熟的4G移动通信技术，王治国等开发了智能电网保护装置远程诊断系统，实现了保护装置的远程在线诊断。所有这些研究都是基于可信中心节点，所有设备更新、维修和监视都是通过它完成的。这种集中式结构，一旦中心节点受到攻击，所有数据都会被恶意篡改或删除，这将给整个系统带来严重的安全问题。目前，一些研究将区块链技术(Blockchain)应用于物联网中，用于解决设备间的安全交互问题。区块链，即比特币及以太坊(Ethereum)等加密货币背后的分布式记账技术，可以解决这些问题。区块链已经在包含物联网在内的其它诸多领域体现了它的价值。区块链可以使得物联网生态体系挣脱传统基于经纪人的网络工作模式，即使得设备不再依赖于通过中央云服务器来识别和鉴定单个设备。区块链的开放性和透明性使设备免于恶意攻击和篡改。BoohyungLee等基于设备安全固件更新问题，利用区块链技术提出了安全检查智能设备的固件版本和固件更新方案。该方案确保智能设备的固件是最新的、未经篡改的。为了高效及优化利用现有资源，KamanashisBiswas等提出一个安全架构，将区块链技术与智能设备相结合设计了一个设备间的安全交互平台。SeyoungHuh等设计了Ethereum区块链平台用于物联网智能设备的管理。通过在Ethereum上运行图灵完整的代码来构建物联网设备管理系统。由于传统的公共Blockchain需要网络中所有节点同步分布式存储链上的信息，这将导致网络拥塞。在本发明中并不需要所有的节点都参与记账，所以上述方案皆不适用于智能电网中的智能设备维修问题。问题拆分故障设备、设备的原供应商和非原供应商，以及用户所拥有的智能手机三个参与主体。故障设备处在保修期内时由原供应商节点为其提供免费诊断服务，否则设备的维护诊断权由原供应商节点及非原供应商节点通过去中心设备安全诊断智能合约进行竞标决定。该合约根据响应节点的竞标价格及信誉值采用多维反向拍卖方法确定竞标成功节点及诊断价格。设备诊断结束后将相关诊断信息打包发送到智能手机端，用户通过智能手机并依据收到的报文制定设备运行政策调控智能合约，以实现设备的高效运行。在信息交互过程中采用同态加密算法来保证交互信息的安全性，确保交互过程中不会泄露诊断信息及双方隐私。问题解决本发明公开一种基于区块链技术的智能电网设备安全诊断服务系统，按以下步骤：(S01)：故障设备作为请求节点在以太坊联盟链中发起诊断服务请求，同时向去中心设备安全诊断智能合约地址转入一定的以太币作为保证金防止虚假请求，并向其提供自身信誉值；(S02)：故障设备的诊断分为以下两种情况：(1)故障设备仍处在保修期内，则由原供应商节点作为响应节点为其提供免费诊断服务；故障设备向原供应商节点发送故障报文，原供应商节点对故障报文进行分析判断维修模式为远程维修或现场维修，继而采取相应维修措施；(2)故障设备超出保修期时，联盟链中的原供应商节点及非原供应商节点根据请求节点发布的请求信息及其信誉值判断是否为其提供诊断服务；若请求节点的设备类型属于自己可维修范围且其信誉值大于自身可维修信誉值的最小值，则作为响应节点争取该设备的诊断权，否则对该请求不予响应；(S03)：响应节点通过去中心设备安全诊断智能合约来竞标设备的诊断权，其向该合约提交竞标价格及信誉值，并向该智能合约地址转入以太币以防虚假竞标；去中心设备安全诊断智能合约依据响应节点提交的竞标价格及信誉值采用多维反向拍卖方法确定竞标成功节点及其价格，之后返还未中标节点的保证金；(S04)：竞标成功节点与请求节点进行诊断信息交互判断其维修模式为远程维修或现场维修；信息交互过程中采用Paillier加密算法对交互信息进行加密，以保证设备诊断信息的安全性，确保设备交互过程中不会泄露诊断信息及双方隐私，并采用基于双线性对的BLS短签名对交互信息进行验证，保证交互信息不可抵赖和不可伪造；(S05)：诊断结束后请求节点与响应节点对此次诊断服务相互给出信誉评价，联盟链内的节点采用对称截尾平均法及时计算出它们的最新信誉值，同时去中心设备安全诊断智能合约按约定的价格向诊断节点支付维修金额，并返还各自剩余保证金，如果双方存在虚假行为，将会被扣除保证金；(S06)：请求节点打包维修及支付信息发送给智能手机让用户及时掌握设备诊断情况，同时广播报文信息到以太坊联盟链中，经过链内预选记账节点共识验证后，预选的联盟链记账节点将该报文加入到新产生的区块中，永久存储在区块链上，并可在区块链的Merkletree交易树中查询此次交互是否存在；(S07)：智能手机收到报文后，通过智能合约客户端制定相应的设备运行政策智能合约，一旦达到触发条件，该调控政策会自动执行，从而实现智能设备的政策调整，每个智能合约执行完毕后产生该合约以执行完毕的收据并记录在区块链的收据树中，便于后期对已完成的智能合约进行查询验证。进一步说，所述步骤(S03)可以按以下步骤：(1)响应节点向去中心设备安全诊断智能合约地址缴纳保证金；(2)密封报价：响应节点将自己的报价及信誉进行Hash运算，得到H(Pi,Credi)，将其作为密封报价提交；(3)公开报价：竞标者需在规定时间内提交真实报价Pi及信誉值Credi，智能合约验证H(Pi,Credi)与投标者提交的密封报价是否一致；(4)竞标拍卖分为以下三步骤：1)先通过K-means算法聚类选出的可疑的共谋节点，再计算这些有共谋嫌疑节点的可疑指数wi：wi＝wi+1(1)2)计算节点优惠券：其中，di表示竞标者i的优惠券值，β表示优惠券总额；3)响应节点的排名价格Ri计算：Ri＝Pi-di(3)将各节点的排名价格由低到高排列，选择排名价格最低的节点为成功节点；(5)交易结算：在确定中标节点后返还所有未中标节点的保证金，按照各自约定的价格进行结算，并返还各自剩余保证金。进一步说，所述步骤(S05)可以按以下步骤：(1)选取裁剪值α，被裁剪的最高或最低信誉值的数量nc计算如下：其中n为历史信誉值的数量。(2)以原供应商节点vi为例，假设vi已有n个历史信誉值其最新信誉值计算为：进一步说，所述步骤(S06)可以按以下步骤：(1)新的诊断交互信息由预选的联盟链记账节点加入到新产生的区块中，以太坊区块链的区块头包含了三棵Merkletree，分别对应了三种对象：状态树、交易树、收据树；1)状态树：记录了联盟链内各节点的状态变化，发生某次诊断交互后相关节点的账户余额的增减情况，智能合约的执行情况及某节点在联盟链中是否存在等；2)交易树：由链内诊断交互信息构成，判断某次交互是否发生过可在交易树中进行查询；3)收据树：是针对交易执行日志的收据，如某智能合约执行完成后会生成一条该合约已经执行完毕的收据；(2)区块体由诊断信息的Hash值组成，包括设备类型，响应节点，支付价格，维修模式，诊断细节及信誉值。本发明在总结前人许多经典方法的基础上，公开了一种基于区块链技术的智能电网设备安全诊断服务系统。对于所采取的区块链类型，从故障节点请求诊断出发，其参与方不局限于某一供应商或某一非原供应商，因此采用封闭的私有链不适合。其次只有原供应商和具有一定资质的非原供应商才能参与交易，对匿名性要求较低，且交易速度要求高，因此，联盟链是最适合的区块链类型。用户、原供应商、非原供应商为联盟成员，联盟链记账人预选节点的数量可根据以太坊网络的规模设定。本发明中原供应商节点和非原供应商节点在该联盟链中享有平等竞争权，它们都可以作为以太坊网络的预选记账节点。本发明采用CrossFaultTolerance(XFT)一致性算法，该算法假设控制整个网络恶意节点是困难的，从而简化了拜占庭式容错(ByzantineFault-Tolerant,BFT)信息模式。当智能电网中电力保护设备、智能电表等终端设备发生故障时，通常的维修方式是技术人员赶赴现场进行诊断维修，这样的方式效率低下且存在安全问题。本发明设计的方法中远程维修破除了地域限制，节约了维修时间；现场维修中能够让工程师精准定位、有的放矢地去检查有问题的部分，再也不用只靠推测和经验了，这样能够降低设备的管理和检修成本，从而提高能源的利用效率。本发明通过Ethereum联盟链保证故障设备与诊断节点间交互信息的永久性、不可篡改性；设计了去中心设备安全诊断智能合约，该合约采用多维反向拍卖机制结合竞标节点的信誉值及竞标价格确定中标节点，可解决“双花”(同一笔钱花两次)问题，故障设备发布诊