基于区块链的区域变电站智能五防控制方法.pdf

2023 年第 4 期基于区块链的区域变电站智能五防控制方法Intelligent five-prevention control method ofregional substation based on blockchainLI Zhiyuan1,WANG Yucai1,SHAO Libin1,LI Yang1,GENG Chenlong2渊1.State grid Ningxia Electric Power Co.,Ltd.,Ningdong power supply company,Yinchuan Ningxiang 750411,China;2.Yunzhihui渊Beijing冤Technology Co.,Ltd.,Beijing 100094,China冤Abstract:In order to solve the difficulty of reliable cooperative operation of five-prevention system in regional substations,ablockchain-based intelligent five-prevention control method for regional substations is proposed.Firstly,the communicationchannel between substations is established through virtual private network to realize the secure communication between substa-tions.Then,the blockchain technology is used to establish the five-prevention trusted authentication mechanism of the equipmentamong the regional substations to achieve the trusted cooperative five-prevention operation of the regional substations.Finally,the method is applied in the simulation environment of a regional substation in a province to implement the intelligent five-pre-vention control of regional substation.The simulation results show that the correct execution rate of the proposed method is99.92%.This method can realize the reliable authentication operation among the equipment of regional substation and improvethe five-prevention management level of regional substation.Key words:regional substation,intelligent five-prevention system,blockchain,trusted authentication,secure communication李志远1，王玉财1，邵李斌1，李 洋1，耿臣龙2渊1.国网宁夏电力有限公司 宁东供电公司袁宁夏 银川 750411曰2.云智慧渊北京冤科技有限公司袁北京 100094冤摘要院为解决区域变电站五防系统可信协同操作难度大的问题，提出了一种基于区块链的区域变电站智能五防控制方法。首先，通过虚拟专网建立区域变电站之间的通信信道，实现各变电站之间的安全通信；然后，采用区块链技术建立区域变电站之间各设备的五防可信认证机制，实现区域变电站的可信协同五防操作；最后，在某省区域变电站仿真环境应用该方法进行区域变电站智能五防控制。仿真结果表明：所提方法的操作指令正确执行率为 99.92%，能实现区域变电站各设备之间的可信认证操作，提升区域变电站五防管理水平。关键词院区域变电站；智能五防系统；区块链；可信认证；安全通信中图分类号院TN99文献标志码院A文章编号院1002-5561渊2023冤04-0085-05DOI院10.13921/ki.issn1002-5561.2023.04.016开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院引用本文院李志远袁王玉财袁邵李斌袁等.基于区块链的区域变电站智能五防控制方法J.光通信技术袁2023袁47渊4冤院85-89.0 引言随着中国经济水平不断发展袁 电力负荷逐年攀升袁电网规模不断扩大1-2遥 当前区域电网联系紧密袁区域电网内变电站之间的协同操作日益增多3遥 传统的变电站五防系统以单一变电站操作为主袁各变电站之间的协同操作依据调度命令执行袁缺少可信认证和事件追溯的功能4-5袁不能满足电网数字化转型工作的需要遥许多学者对区域变电站协同操作做了大量研究遥文献6提出了一种基于信息交互模式的区域变电站协同操作模式袁通过信息交互与自动匹配控制实现多变电站设备之间的协同操作遥 文献7提出一种多变电站通信协同控制设备的操作方法袁实现了区域变电站协同操作遥 文献8提出了一种基于云雾协同的区域变电站协同操作方法袁通过边缘下层控制袁实现了区域变电站协同操作遥 文献9提出一种基于粒子群算法的收稿日期院2022-11-05遥基金项目院国网宁夏电力有限公司科技项目 渊5229ND220001冤资助遥作者简介院李志远渊1987要冤袁男袁河南信阳人袁研究生袁高级工程师袁国网宁夏电力高级专家袁青年托举工程人选袁主要研究方向是电力系统继电保护及自动化袁负责省级科技项目 2 项尧公司群创项目 4 项遥物 联 网 与 区 块 链輬輳訛2023 年第 4 期区域变电站协同操作方法袁通过变异算子与惯性因子实现了区域变电站协同操作遥 但上述方法中缺少变电站设备之间操作的可信认证袁不能满足多变电站协同操作事件追溯可信认证的需要遥为解决区域变电站五防系统可信协同操作难度大的问题袁本文提出一种基于区块链的区域变电站智能五防控制方法遥1 基于区块链的区域变电站智能五防控制方法1.1 区域变电站智能五防控制架构与流程本文提出的基于区块链的区域变电站智能五防控制架构如图 1 所示遥 该架构共包含终端站层尧数据传输层和数据应用层遥 终端站层为变电站的操作层袁包括一二次设备与智能五防钥匙曰数据传输层由数据传输通道构成遥 数据应用层为安全三尧四区的设备袁为调度员下发指令的层级遥区域变电站智能五防流程主要包括院构建变电站虚拟专网渊VPN冤信道尧区域变电站可信认证策略和区域变电站五防控制操作三部分内容袁 其流程图如图 2所示遥1冤构建变电站 VPN 信道遥 首先袁基于区域多变电站之间的光纤网络建立 VPN 连接曰然后袁检测变电站各类可操作设备的通信心跳袁判断设备是否正常遥 若设备通信正常袁则建立变电站通信连接曰反之袁则再次建立 VPN 连接袁直至变电站通信连接建立成功遥2冤执行区域变电站可信认证策略遥 基于区块链技术给各类变电站设备赋予识别标签袁记录变电站设备的操作或执行实效信息遥3冤区域变电站进行五防控制操作遥 对第一个变电站的断路器尧隔离刀闸等设备进行操作袁并判断该设备的操作是否与其它变电站的设备相关遥 若无关袁则按进行变电站设备操作验证曰若相关袁则按顺序进行相关变电站的操作袁直至第个变电站的设备操作完成袁并进行变电站设备操作验证遥1.2 区域变电站智能五防控制模型1.2.1 构建区域变电站 VPN 信道区域变电站 VPN 是指在多个变电站之间的光纤网络中建立的 VPN袁并将该网络的数据进行加密传输10遥VPN 网关通过对变电站各类通信数据进行加密袁实现数据的远程传输遥 VPN 信道算法如算法 1 所示遥算法 1 用 VPN 建立变电站 VPN 信道输入 变电站设备1袁.袁 袁设备心跳阈值输出 变电站通信连接function BigSeg渊1袁.袁 袁 冤if-1 thenSTOPelse=argmax沂渊 冤if跃thenaddto the set of pointsBigSeg渊 袁 袁 冤BigSeg 渊+1袁 冤elseSTOPend ifend ifend function李志远袁王玉财袁邵李斌袁等.基于区块链的区域变电站智能五防控制方法图 1 基于区块链的区域变电站智能五防控制架构图图 2 区域变电站智能五防控制流程图物 联 网 与 区 块 链輬輴訛2023 年第 4 期李志远袁王玉财袁邵李斌袁等.基于区块链的区域变电站智能五防控制方法在构建区域变电站 VPN 信道过程中袁区域变电站之间建立 VPN 信道后袁由区域变电站设备终端向其它变电站的设备广播通信握手信号袁若其它变电站的设备接收到握手信号后袁将其通信心跳信号发送给区域中心变电站袁并按照固定的时间间隔进行通信信道判断遥 若变电站 VPN 信道通信正常袁则基于 VPN 建立变电站通信连接曰若区域变电站终端不出现通信心跳信号的情况袁则重试建立 VPN 连接遥当出现故障时袁区域变电站设备终端生成通信故障清单遥 区域变电站通信建立心跳信号a为a=s=1移渊袁驻 冤渊1冤其中袁s为区域变电站各类设备的数量袁为不同电压等级及地理位置变电站的设备的心跳袁驻 为不同变电站的心跳通信延迟遥1.2.2 区域变电站可信认证策略区域变电站野五防冶指防止电力系统倒闸操作中经常发生的 5 种误操作事故院误分合开关尧带负荷拉合隔离开关尧带地刀合隔离开关尧带电合地刀渊挂接地线冤尧误入带电间隔11-12遥区块链是一种分布式的共享账户数据库袁具有去中心化尧痕迹可追踪尧不可篡改等特点13-14遥 采用区块链可解决区域变电站中各节点变电站设备协同操作认证问题遥 变电站中袁有电气连接关系的设备均作为区块链节点袁且可获取变电站之间的操作信息袁各节点通过五防判断逻辑进行各变电站设备之间的顺序操作袁并将变电站设备操作尧实效等信息写入区域变电站区块链的数据库遥 区块链根据记录的信息袁实现区域变电站的智能五防协同控制遥区域变电站设备节点的信誉值由成功操作比例和操作时间偏差构成袁一个周期内的区域变电站设备节点信誉值a为a=aa-=1移袁-渊2冤其中袁a尧a分别为一个周期内区域变电站设备节点 a所成功执行操作的次数尧总次数袁a为周期的时间点数量袁a袁为不同的实际区域变电站设备操作延迟袁为不同的预估区域变电站设备操作延迟遥为将各区域变电站设备之间引入统一的量纲袁本文引入区域变电站设备节点违约成本a为a=a渊1-a冤渊3冤其中袁a为区域变电站设备节点的违约系数遥区域变电站节点设备信誉的信息熵a为a=1移lnln渊4冤其中袁为区域变电站节点设备操作类型数量袁为不同区域变电站节点设备操作类型所对应的比重遥区域变电站节点设备指标权重为=1-aa=1移a袁渊5冤其中袁a为区域变电站节点设备可操作成功的类型数量袁a袁为不同可操作成功区域变电站节点设备的信息熵遥每个区域变电站节点设备的信誉值a为a=1移渊冤渊6冤其中袁为区域变电站时间周期内的操作次数袁 尧分别为不同区域变电站设备操作类型的信誉节点分值尧操作成功值遥1.2.3 区域变电站五防控制操作在区域变电站五防控制操作过程中袁根据调度命令袁五防系统自动地识别各变电站的设备状态袁并分别对各变电站的断路器尧 隔离刀闸等设备进行操作袁每执行一步操作袁则记录一次区域变电站设备的节点信誉袁然后判断该设备的操作是否与其它变电站的设备相关遥 当该区域变电站设备与其它的变电站设备相关时袁则多变电站之间进行协调操作遥 与传统的变电站倒闸操作相比袁本文所提方法能有效记录区域变电站设备节点信誉袁减少传统方法中调度员下达协调调令的处理流程遥 以对侧线路接地刀闸状态作为上级接地刀闸合闸依据袁2 站合闸判断逻辑的控制图如图 3所示遥 可以看出袁为防止带电合地刀袁甲站 211-0 接地刀闸允许合闸条件为院甲站 211-3 已分闸且甲乙线线图 3 区域变电站五防协同控制图物 联 网 与 区 块 链輬輵訛2023 年第 4 期路无压袁 或乙站 222-0 已合闸且甲乙线线路无压袁通过区域电网之间信息共享袁保证在线路接地刀闸在合闸前线路确已停电遥 另外袁所提方法还考虑容错机制袁当线路无压判据遥信或遥测失效情况下袁可转人工处理袁防止单一判据失效情况下影响设备停送电操作遥2 算例分析2.1 场景与参数设定为验证所提基于区块链的区域变电站智能五防控制方法的有效性袁本文在某省电科院的区域变电仿真环境进行应用测试遥 仿真环境包括 500 kV 中心变电站 2 座袁220 kV 变电站 16 座袁110 kV 变电站 57 座遥变电站之间的 VPN 通道采用仿真模拟连接遥区块链平台采用省电科院的通用平台遥基于区块链的区域变电站智能五防控制方法使用 python 开发程序袁并采用 PyCryptodome 加密库提供的应用程序接口渊API冤遥 区块链采用远程过程调用协议实现袁 服务提供商的区块链通过监听方式进行调用遥 部署服务器为英特尔至强 8 核处理器袁运行频率为 2.8 GHz袁服务器内存为 128 GB袁操作系统为 Windowsserver2019遥2.2 算例运行对比分析本文将文献15中的基于集群测控的变电站五防控制方法 渊该方法在多变电站协同操作中广泛使用冤与所提基于区块链的区域变电站智能五防控制方法的性能进行对比分析遥1冤区域变电站智能五防控制性能分析区域变电站智能五防控制性能衡量方法是从接收到调度指令的时间开始到完成五防控制的时间段袁该时间段越短袁说明区域变电站智能五防控制性能越好遥本文分别模拟 10尧20尧30尧40尧50尧60 条调度协同控制指令袁2 种方法控制性能的对比情况如表 1 所示遥 可以看出袁本文方法的平均控制耗时为 2.75 ms袁比集群控制方法耗时短尧控制性能更优遥2冤五防操作内容自动识别准确率分析五防操作内容自动识别准确率是衡量区域变电站五防系统运行评估的核心指标遥 统计方法为区域变电站智能五防控制算法根据作业的内容自动确定检修尧冷备用等一次设备袁母差尧主变等部分二次设备的操作状态袁自动生成区域变电站设备操作的内容及顺序遥 其计算规则为院将控制方法统计顺序与专家依据行业标准统计顺序的比值进行比较袁 若两者一致袁则表示区域变电站五防操作内容自动识别准确袁两者的比值则为区域变电站五防操作内容自动识别准确率遥在仿真系统中袁选择区域变电站的操作数据量为1伊104尧2伊104尧3伊104尧5伊104尧6伊104尧8伊104尧10伊104个袁分别对 2 种方法的五防操作内容自动识别准确率进行对比袁结果如表 2 所示遥 对表 2 中数据求平均可知袁本文方法五防操作内容的平均自动识别准确率为 99.95%袁高于文献15方法的 99.06%袁五防操作内容自动识别更准确遥3冤五防操作指令执行准确率分析五防操作指令执行准确率是最核心的指标遥 在仿真系统中袁通过区块链系统向区域变电站设备下达操作指令袁并执行变电站的五防操作指令袁其计算规则是将五防控制方法执行的步骤数量与专家依据行业标准统计的指标步骤数量的比值进行比较袁若两者一致袁则表示区域变电站五防操作指令执行准确曰两者的比值则为区域变电站五防操作指令执行准确率遥在仿真系统中袁选择区域变电站的操作数据量为2伊104尧4伊104尧6伊104尧8伊104尧10伊104尧20伊104个袁分别对 2五防操作内容自动识别准确率本文方法文献15方法1伊10499.93%99.22%2伊10499.94%99.06%3伊10499.99%98.92%5伊10499.99%99.02%6伊10499.95%99.27%8伊10499.92%99.03%变电站操作数据量/个10伊10499.95%98.89%表 2 五防操作内容自动识别准确率分析表李志远袁王玉财袁邵李斌袁等.基于区块链的区域变电站智能五防控制方法表 1 2 种方法的控制性能对比情况数量/条单次五防操作耗时/ms本文方法文献15方法102.8714.63203.2115.55302.6210.15401.0719.41503.9919.37602.7518.78平均2.7516.32物 联 网 与 区 块 链輬輶訛2023 年第 4 期种方法的五防操作指令执行准确率进行对比袁 结果如图 4 所示遥对图 4 中数据求平均可知袁本文方法的五防操作指令执行平均准确率为 99.92%袁高于集群控制方法袁说明本文方法的五防操作指令执行准确率更优遥3 结束语为解决区域变电站五防系统可信协同操作难度大的问题袁 本文提出了一种基于区块链的区域变电站智能五防控制方法遥 该方法采用区块链技术袁 通过区域智能五防系统对设备状态的综合分析判别袁 实现区域变电站之间协调操作袁 提高了五防操作指令执行准确率袁 彻底避免调度员错误下达调度令导致的设备误操作问题袁提升了区域变电站五防控制精益化管理水平遥参考文献院1王玮袁赵家悦袁郭创新袁等.考虑故障连锁的多灾害输电网弹性评估及关键弹性提升元件辨识J.中国电机工程学报袁2022袁42渊1冤院127-139.2唐冬来袁倪平波袁胡州明袁等.基于竞争图谱的电动物流汽车充电站需求响应策略J.电力系统自动化袁2021袁45渊21冤院189-196.3王坤袁苏盛袁左剑袁等.变电站自动化系统扰动同步协同攻击及防护分析J.电网技术袁2021袁45渊11冤院4452-4460.4 JIANG W,WU L,ZHANG L,et al.Research on load transfer strategyoptimisation with considering the operation of distributed generations andsecondary dispatch J.Iet Generation Transmission&Distribution,2020,14渊23冤:5526-5535.5 QUINCOZES S E,ALBUQUERQUE C,PASSOS D,et al.A survey onintrusion detection and prevention systems in digital substations J.Com-puter Networks,2021,184渊15冤:107679-1-107679-13.6 WANG T,LIU W,ZHAO J,et al.A rough set-based bio-inspired faultdiagnosis method for electrical substationsJ.International Journal of Elec-trical Power&Energy Systems,2020,119:769-778.7王坤袁苏盛袁左剑袁等.变电站自动化系统扰动同步协同攻击及防护分析J.电网技术袁2021袁45渊11冤院4452-4460.8刘喜梅袁马俊杰.泛在电力物联网在电力设备状态监测中的应用J.电力系统保护与控制袁2020袁48渊14冤院69-75.9刘士李袁刘军袁朱晓虎袁等.基于改进PSO的智能变电站五防闭锁系统优化控制J.自动化技术与应用袁2022袁41渊2冤院6-9袁27.10 MIN C,CIWEI G,ZUYI L,et al.Aggregated model of data networkfor the provision of demand response in generation and transmission expan-sion planningJ.IEEE Transactions on Smart Grid,2021,12渊1冤:512-523.11刘红军袁管荑袁朱玉锦袁等.智能变电站间隔集群测控模式下的运维体系研究J.电力系统保护与控制袁2020袁48渊7冤院159-165.12赵宇皓袁郝晓光袁耿少博袁等.智能变电站二次设备安全措施在线预演及防误预警的研究与实现J.电力科学与技术学报袁2020袁35渊3冤院173-178.13徐小琼袁孙罡袁罗龙.物联网区块链中基于演化博弈的分片算法J.电子科技大学学报袁2022袁51渊3冤院363-370.14唐冬来袁倪平波袁李玉袁等.基于互信共识标识的县域屋顶光伏消纳交易策略J.电力系统自动化袁2022袁46渊22冤院41-50.15刘红军袁管荑袁朱玉锦袁等.智能变电站间隔集群测控模式下的运维体系研究J.电力系统保护与控制袁2020袁48渊7冤院159-165.李志远袁王玉财袁邵李斌袁等.基于区块链的区域变电站智能五防控制方法图 4 2 种方法的五防操作指令执行准确率对比图物 联 网 与 区 块 链輬輷訛