基于信誉共识的配电自动化系统区块链激励方法_李达.pdf

电 力 信 息 与 通 信 技 术Electric Power Information and Communication TechnologyVol.21 No.2Feb.2023第 21 卷 第 2 期2023 年 2 月基于信誉共识的配电自动化系统区块链激励方法李达1,2，王栋1,3，郭庆雷2,3（1.国网电子商务有限公司，北京市 西城区 100053；2.国网区块链技术(北京)有限公司，北京市 西城区 100053；3.国家电网公司区块链技术实验室，北京市 西城区 100053）Blockchain Incentive Method for Distribution Automation System Based on Reputation ConsensusLI Da1,2,WANG Dong1,3,GUO Qinglei2,3(1.State Grid Electronic Commerce Co.,Ltd.,Xicheng District,Beijing 100053,China;2.State Grid Blockchain Technology(Beijing)Co.,Ltd.,Xicheng District,Beijing 100053,China;3.State Grid Blockchain Technology Laboratory,Xicheng District,Beijing 100053,China)摘要：配电自动化系统中配置区块链系统对于配电数据的可信存证和共享具有重要意义，然而对应区块链激励机制设计仍不完善。文章在联盟链的基础上，设计一种适用于配电自动化系统数据存储的激励机制。首先，设计节点信誉值评估及动态调整算法，算法中节点凭借在区块链中参与交易的质量、积极性等历史参数获得信誉值。然后，利用信誉值对节点进行奖惩，从而提高节点提交交易数据的质量，达到激励的目的。最后，对模拟电网数据进行实验，结果显示与无激励层的传统联盟链共识算法相比，所提激励算法可以提高节点参与计算的活跃度和达成共识的效率。关键词：区块链；共识算法；激励算法；配电自动化系统ABSTRACT:The blockchain in distribution automation system is of great significance for the credible storage and sharing of distribution data,however,the corresponding incentive mechanism design is still incomplete.This research is based on the alliance chain and designs an incentive mechanism suitable for data storage in distribution automation system.This paper designs a node reputation value evaluation and dynamic adjustment algorithm.In the algorithm,the node obtains the reputation value by virtue of historical parameters such as the quality and enthusiasm of participating in the transaction in the blockchain.The alliance chain then uses the reputation value to reward and punish the nodes,thereby improving the quality of the transaction data submitted by the nodes and achieving the purpose of incentives.Finally,experiments are conducted on simulated grid data.The results show that compared with the traditional alliance chain consensus algorithm without an incentive layer,the incentive algorithm proposed in this paper can improve the activity of nodes participating in the calculation and the efficiency of reaching consensus.KEY WORDS:blockchain;consensus algorithm;incentive algorithm;distribution automation system0引言随着配电技术的不断进步，传统配电网络系统已无法满足当前的电力需求。配电自动化是指在电力系统信息收集功能中增加自动化技术，可以实现电力公司和用户间的直接通信。其主要使用计算机技术实现自动化电力系统的信息处理，安全性和便利性都显著提高。因此，配电自动化技术在配电系统中逐渐占据主导地位1-2。当前配电数据存储在配电站服务器中，现有理论尝试采用区块链技术对配电数据记录，从而实现分布式服务器间的数据共享。目前市场存在将电力系统与区块链结合的应用，可以实现更加快捷、用户满意度更高的电力交易以及数据记录3。当前的配电自动化系统主要面临以下几方面问题。1）电力数据通常存储在云数据中心4-5，如果攻击者对云服务器中的数据进行攻击或篡改，会导致数据隐私性受到严重威胁6-7。中图分类号：TM74 文献标志码：A 文章编号：2095-641X(2023)02-060-07 DOI：10.16543/j.2095-641x.electric.power.ict.2023.02.07著录格式：李达，王栋，郭庆雷基于信誉共识的配电自动化系统区块链激励方法J 电力信息与通信技术，2023，21（2）：60-66基金项目：国家电网有限公司总部科技项目资助“电力智能终端可信接入与链上链下数据协同关键技术研究”(5700-202018371A-0-0-00)。第 21 卷 第 2 期电 力 信 息 与 通 信 技 术2）地方的配电自动化节点与中央的云服务器之间存在信息差异，可能出现管理模式不匹配、系统健壮性弱等问题8-9。由此可见电力数据在处理和存储过程中，面临着越权读写、数据调度中心面临自然灾害，发生服务器故障等风险。因此，保护电力数据安全是当前电力行业迫切需要解决的问题10。当前，基于联盟链的共识算法发展迅速，但与其对应的激励机制设计不够完善3。本文的目的是在联盟链的基础上，设计一种在各节点可信度较高的情况下，通过利润分配激励，鼓励各节点积极提交交易并保证信息准确性的方法。其中，构造信誉层的方式可以使区块链上的各个节点维持相对稳定的提交状态。通过获取交易主动权激励各节点间的有效传输和高质量交易，促使组织者、参与者高效率地协同合作、完成任务，达到利益最大化。本文在分布式存储的前提下设计节点信誉值的评估及动态调整的算法，可以使节点凭借在网络中参与交易的质量、积极性以及诚实度等参数获取分配信息利润的优先级，即信誉值。此种激励机制既可以提高节点的交易活跃度，同时也对懒惰或出错节点进行惩罚从而达到抵抗欺骗、合谋等攻击的目的，并且使得区块链分布式存储的可信度有所提高11。1基于区块链的配电自动化数据存储场景分析当前，配电自动化系统采用终端每隔一定时间将数据传送至配电自动化主站的方式实现分布式存储。将区块链应用至该系统时，软硬件设施可以抽象为数据采集节点、无线传感网络、数据采集平台、分布式文件系统及存储系统12-13。数据采集节点将采集的数据加密后通过无线传感网络发送到附近的数据采集平台。数据采集平台再将数据传输到分布式文件系统，并返回文件的唯一索引哈希值14-15。多系统下的数据存储联盟链则选择数据采集平台节点作为预选节点，由数据采集平台节点将文件哈希值、查询属性(如客户端节点ID、查询目标数据采集节点ID、查询数据类型、查询时间等)上传至区块链16-17。然后再联合运行共识算法，通过审计检验将数据录入多系统下的数据存储链形成账本结构，实现去中心化的多系统数据分布式安全可靠存储18。传统的电力系统数据信息包括用户交易信息、电力分配信息、设备运行管理信息等19-20。其中，用户交易信息中包含潜在商业价值。通过分析，可以得出有价值的用户和供电商交易信息。通过对链上信息的共享分析，可以给各节点对提高收益的方式带来改进的思路。常见的配电自动化系统数据上链应用场景如图1所示21。2现有激励机制分析2.1传统激励机制激励层包括发行机制与分配机制，可以充分调动网络节点参与共识的积极性，激励各节点的积极行为22。激励层与共识层相辅相成，作为一种驱动力对节点进行激励，使各节点能积极参与区块链系统的共识过程，最终实现区块链稳定、可信的更新23。网络层负责将交易数据传送给共识层，由共识层负责造块、运行共识验证后将数据上链。激励层处于网络层和共识层交互的中间，负责通过设计某种经济激励机制促成参与节点对共识过程的踊跃贡献。传统激励机制的应用如图2所示。本文设计的激励机制在作用上与传统激励层相同，主要作用于网络层和共识层之间。主要创新点采集平台收集点 共识验证 数据上链 图1配电自动化系统上链应用场景Fig.1Application scenarios on the chain of distribution automation systemP2P网络(网络层)共识算法(共识层)交易数据激励机制(激励层)区块区块区块区块造块验证选主上链 图2网络层、共识层与激励层的相互作用Fig.2Interaction of network layer,consensus layer and incentive layer61李达等：基于信誉共识的配电自动化系统区块链激励方法Vol.21 N在于基于配电自动化系统应用场景进行具体激励机制的设计，使得该机制能够在真实应用中落地，有实际的工程参考价值。2.2基于激励型通证的激励机制区块链的激励机制中，通证用于表示一种基于密码学、可自由流通于区块链系统的记账方式。通证分为金融型以及激励型。金融型通证以比特币为代表，具有融资、权益和流通等多种功能；激励型通证则抛弃融资功能，更突出激励的特点，用来降低交易摩擦，促进各方协作24-25。区块链项目中，激励型通证不仅可以作为内部工具激励节点的优良行为，而且可以通过与项目所赋予的权力进行绑定，使区块链技术与实际场景进一步结合26。其中，积分型激励机制与切实的用户行为相挂钩，提供精准和个性的服务。设计合理的积分型激励机制可以促进节点提高参与度，并惩罚不可信节点。2.3现有激励机制的缺陷现有区块链应用通常采用基于通证的激励机制，对符合既定规则的行为进行通证奖励27。传统的股权证明(proof of stake，POS)、股份授权证明机制(delegated proof of stake，DPOS)等算法中均设定相应的通证分配机制作为节点的激励，但仅适用于特定的区块链应用场景。联盟链中的激励机制设计则更需要聚焦于真实场景的应用层价值，根据不同场景对通证权益进行设计从而激励节点的积极行为。现有的联盟链设计通常仅关注共识算法，而缺少激励层设计28。并且现有的联盟链激励机制不能更好地落地于配电自动化系统的流程特点之上，而是通过为配电自动化系统供更加合理、可用的激励机制，有效地调动节点提交交易的活跃度，并对不良节点进行惩罚，达到信用累计的目的，从而对节点的正向行为达到激励的作用。3基于信誉值的激励机制本文创建一种基于信誉