可支撑亿级客户的智能用电互动服务系统关键技术研究

中国电科院科学技术项目可行性研究报告
一、目的和意义
1.项目背景
“十二五”期间，国家电网公司将基本建成覆盖2亿客户的坚强智能电网，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用。

“自动化、信息化、互动化”智能电网的全面建设，对电网架构体系、用电系统、信息通信、网络安全和客户服务等环节的技术装备提出了更为严苛的要求。

其中，智能用电环节是电力客户感知和体验智能电网建设成果的主要途径，通过多种感知方式实现友好互动，可以衍生出丰富的增值服务模式和巨大的市场价值。

同时也将与国家大力发展的物联网、云计算等战略性新型产业形成广泛融合互动的发展格局，对建立完善的智能电网产业链具有重大影响。

2010年1月14日，刘振亚总经理在公司2010年工作会议上提出要加快建设坚强智能电网，全面提升电网各环节的智能化水平，要求尽快在电网智能化上实现突破，提出深入研究“多网融合”技术路线和商业模式，争取国家政策支持，加紧开展相关工作，力争取得先发优势。

同时，要积极构建新型商业模式，要求“高度关注智能电网发展趋势，将智能技术应用、电网智能化升级与研究开发新型商业模式紧密结合，把握先机、争取主动，开拓公司新的战略业务领域，创造新的效益增长点，增强公司核心竞争力”。

本项目旨在通过对智能用电领域“前瞻性、基础性、战略性”技术的深入研究，有效突破电网与用户互动技术难点，自主研发可支撑亿级居民与工商企业客户的、国际领先的智能用电互动服务系统关键技术，精准及时感知和深度挖掘十亿级电气设备用电信息，优化用电行为，推动智能用电信息产业化进程,更好地为公司从单一能源提供商向综合服务提供商的革命性战略转型提供强有力的技术支撑。

2.研究目的
智能用电系统在国际上处于同一起跑线，技术垄断尚未出现，是自主创新的大好时机。

智能用电系统需要通过互动提升智能。

本项目将提出智能用电感知互动的核心技术概念，研发智能用电互动服务关键技术，支持（1）电气设备与客户，（2）电气设备与电网，（3）客户与电网，（4）利益相关方之间的四类互动，在互动芯片、互动终端、服务平台、商业模式、安全保障体系、技术标准体系、应用示范等方面实现技术跨越，最终实现国际领先的、具有自主知识产权的集成应用系统。

本项目将充分依托智能电网信息基础设施，面向最广大的终端电力客户，充分发挥智能电网综合资源和规模优势，突破云计算、物联网等关键技术的应用瓶颈，研发可支撑亿级用户智能用电互动服务系统（以下简称“互动服务系统”）关键技术，为建设、推广和运营智能用电综合服务系统提供关键技术支撑。

3.经济和社会效益
3.1经济效益
本项目的研究将会带动智能用电服务及相关产品的商业应用与产业化推广，通过智能用电互动服务系统软件和系列化终端产品的研发、制造、生产和销售创造直接产值。

同时，智能用电互动服务系统商业运营还将创造运营服务收益和第三方接入收益分层。

经初步分析和测算，预计项目投运5年内，可发展用户10万户，销售软件及终端产品15万台套，累计总产值预计可达到50亿元。

此外，研发和推广可支撑亿级客户的智能用电互动服务系统，还可进一步优化提升电网公司资产利用率，带动信息通信、计算机软件、自动控制与仪器仪表等众多关联产业发展，由此产生的间接产值也将非常巨大。

3.2社会效益
智能用电互动服务技术研发，将会直接促进智能用电互动服务系统的应用和推广，还将具有广泛的辐射带动效应，可有效突破云计算、物联网等关键技术应用瓶颈，为云计算、物联网等战略性新兴产业发展提供一个可复制、可推广的典型示范工程；同时，智能用电是客户感知和体验智能电网建设成果的主要途径，智能用电互动服务系统的规模化应用与推广，将有效改善居民用电体验，提高居民用电生活品质，为和谐社会的构建提供用电技术保障。

二、国内外研究水平综述
本项目研究的可支撑亿级客户的智能用电互动服务关键技术涉及“互动服务系统架构、云计算技术、数据交换技术、数据挖掘技术和第三方开发平台技术”等。

国内外相关技术发展研究现状及发展趋势如下：
（1）互动服务系统架构
目前主流大型系统软件多采用SOA架构，它是一种面向企业级服务的应用系统开发架构。

在基于SOA架构的系统中，应用程序的功能是由一些松耦合并且具有统一接口定义方式的组件(service)组合构建起来的。

SOA和其它企业级系统架构的不同之处就在于SOA提供的业务灵活性。

业务灵活性使得企业能对业务变更快速和有效地进行响应，并且利用业务变更来取得竞争优势。

目前，IBM、BEA、Oracle、微软和金蝶等均有提供SOA服务的中间件产品。

（5）云计算技术
云计算是并行计算、分布式计算和网格计算的发展，是虚拟化、效用计算、基础设施即服务、平台即服务和软件即服务等概念混合演进并跃升的结果。

“基础设施虚拟
化技术”和“大规模数据并行处理技术”是云计算的两项核心技术。

基础设施虚拟化技术的核心问题是软硬件资源虚拟化，主要包括借助CPU扩展指令或软件仿真的全虚拟化、通过修改客户操作系统的半虚拟化、基于虚拟容器的操作系统级虚拟化技术等。

目前有关基础设施虚拟化的研究已不再局限于资源虚拟化技术本身，还包括资源按需调度、多租户技术、海量数据处理、大规模消息通信、分布式存储等方面，旨在解决安全性、可用性、可扩展性、信息保密、高性能等技术挑战。

比较有代表性的基础设施虚拟化技术包括VMWare、Microsoft Hyper-V、Xen等虚拟机技术以及基于这些虚拟机技术的虚拟机群解决方案，如Nimbus和Eucalyptus。

大规模数据处理作为云计算的基础平台化技术，能够适应用户数量的急剧增长，可以承载面向超大用户规模的网络服务，能够高效率、高可靠但又能低成本的管理海量数据，能够降低普通大众用户使用的门槛，降低构建大规模网络服务和应用的门槛。

目前大规模数据处理领域做得最好的是Google的大规模数据处理平台、和Hadoop开源社区的数据处理平台。

（2）数据交换技术
目前成熟的数据交换平台技术主要有Web Services、ETL等，可有效满足大数据量、实时数据交换。

在对数据交换实时性要求不高时，多使用中间数据库的简单数据交换模式。

（4）数据挖掘技术
数据挖掘技术中的模式识别、聚类、决策树等技术都比较成熟，但目前缺少与电力用电业务的有效集成与绑定应用。

（6）第三方开发平台
第三方开发平台是由运营商提供的，面向第三方的开放式电子商务服务基础服务
框架，其主要内容包括：以OpenAPI形式开放的电子商务基础服务、运营商自有的开放式应用平台、对第三方应用平台的开发式基础支持。

淘宝开放平台（TaoBao Open PlatForm，TOP）是淘宝软件公司面向第三方开发者，提供API接口和相关开发环境的开放平台。

淘宝的OpenAPI是开放在阿里软件（AliSoft）的服务集群平台上，而阿里软件是阿里巴巴与微软公司战略合作的产物。

阿里软件服务集群平台为开发者提供整套的淘宝API的附加服务：测试环境、技术咨询、产品上架、版本管理、收费策略、市场销售、产品评估等等。

第三方软件开发者可通过淘宝API来获取淘宝客户信息、淘宝商品信息、淘宝商品类目信息、淘宝店铺信息、淘宝交易明细信息、淘宝商品管理等信息，并建立相应的电子商务应用。

三、项目的理论和实践依据
1.项目研究内容的原理简述
可支撑亿级客户的智能用电互动服务系统是建立在电力通信网、互联网和电力信息系统基础之上的大型分布式网络信息系统，该系统由应用层、网络层和感知层。

1）应用层：集成了为电网公司和客户服务的多项系统功能，是电网公司与客户进行感知互动的控制中心。

系统通过与公司SG－ERP（包括用户用电信息采集系统、营销业务系统）及其它信息系统进行数据交换，利用云计算技术、数据挖掘技术对海量分布式数据信息和访问信息进行分析和挖掘，实现跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享和互通，实现系统的各种应用业务逻辑，包括智能家庭、智能社区、智能楼宇、智能城市的各种应用。

2）网络层：是应用层和感知层之间的纽带，提供了可支撑亿级用户的智能用电互动服务系统与客户感知互动的信息传输通道。

网络层在具体建设中将充分依托电力通信网，积极利用互联网、公共通信网以及其它行业通信网。

3）感知
层：智能感知互动终端通过传感网与配有智能感知互动单元的电气设备（如水、电、气、热表计、智能开关、智能插座、智能家电等）进行双向通信，完成数据采集、信息传输和控制功能。

通过智能感知互动终端，客户可以自助定制本地控制逻辑，也可以通过系统服务商店购买第三方的应用，下载到智能互动终端上运行。

电力客户与智能用电互动服务系统交互有多种方式，主要通过智能感知互动终端、电脑和手机等进行。

智能感知互动终端内集成有安全芯片，确保交互信息的安全。

2.项目研究内容的理论和实践依据
电力工业是典型的资本密集型和技术密集型产业，具有显著的规模经济特征，特别是在输电和配电等生产环节具有自然垄断属性。

这些技术经济特性决定了电力工业的自身发展规律，垂直一体化的垄断经营模式成为电力工业的自然选择，并在相当长的历史时期内有效地推动了电力工业和社会经济的快速发展。

随着产业规模的持续扩大，垄断经营模式的体制性弊端日益明显，难以适应电力工业的发展要求，而科学技术的不断进步，使电力的技术经济特性悄然发生改变，特别是在电力生产的发电环节，传统的规模经济效益不再明显。

自1988年开始，以私有化和电力市场建设为主要内容的电力市场化改革，在世界范围内掀起了电力体制改革浪潮，电力工业的管理和运营模式发生了深刻变化。

到21世纪初期，包括中国在内的世界上很多国家普遍开展了电力市场化改革的探索和实践。

分布式电源和电动汽车的快速发展和广泛使用，对于利用可再生能源，减少化石能源消耗以及实现能源梯级利用，提高能效具有十分重要的意义。

但同时，电力客户的身份定位也悄然转变，部分客户已经从单纯的电力消费者，转变为既是电力消费者，同时又是电力生产者。

市场化改革的开展和客户身份的重新定位，使电力流和信息流由传统的单向流动模式向双向互动模式转变。

信息的透明共享，电网的无歧视开放既体现了对人的尊重，对价值服务的认同，同时也成为电网无法回避的挑战。

电网的透明开放为电网自身的运营发展提供了巨大的机遇，客户的积极、广泛参与对于电网优化资产效能，提高安全水平，降低运营成本具有重要意义，使电网构建新型商业模式，提供电力增值服务，拓展战略发展空间成为可能，但同时也对电网友好兼容各类电源和客户接入，提供高效优质服务提出了更高的要求。

当前，新一轮世界能源革命的序幕已经拉开，其目标就是通过科技创新，实现以低碳能源为核心的低碳经济。

推动科技创新，实现高效管理，已经成为电网迎接发展挑战的必然选择。

在科技发展日新月异的今天，将先进技术与传统电力技术有机高效融合，推动技术创新，实现技术转型，全面提高资源优化配置能力和运行效率，保障安全、优质和可靠的电力供应，提供灵活、高效和便捷的价值服务，是新形势下电网发展面临的新课题。

同时，电网的形态和功能定位正在发生深刻变化，电网发展任务更加繁重，亟需推进体制机制创新，转变发展模式，优化业务布局，提高运营效率，实现管理转型，以适应生产力发展对生产关系变革提出的客观要求。

当前，公司正在加快转变发展方式，坚持以信息化促进管理现代化、服务网络化。

本项目研究将充分利用公司覆盖城乡的供电网架、安全可靠的通信网络、有效畅通的信息等优势资源，借鉴国际先进的商业模式，研制开发智能服务系统，在为客户提供用电服务基础上，向社会提供广泛的综合服务，创新公司新的盈利模式，推动公司可持续发展。

信息、通信、网络、自动化和电力系统等新技术新产品的应用，为系统建设提供了坚实的技术支撑。

智能电网、物联网等关键技术研究、设备研发、标准规范制定、示范化工程和试点项目应用，为系统建设提供了充分的实践依据。

3.项目研究的关键和难点
本项目研究的关键和难点主要体现在以下几个方面：
（1)数据挖掘算法设计
数据的差异性是数据挖掘的一个挑战。

数据来源于不同种类、不同品牌的用电设备，国家对智能家居、用电设备无明确的强制数据标准，采集的途径和方式也有多种，数据可能会各有差别。

数据挖掘算法设计的难点还体现在：为家庭用户提供高质量用电建议，使得家庭用户乐于使用本系统并从本系统获得好处，实际解决家庭用户用电问题；为企业用户提供可以准确的用电控制计划，提供用电设备更新换代可信的数据依据；为国家电网提供电价调整政策和电网的安全运行提供有效的数据依据；为用电设备生产厂家提供各种用电设备精确的运行数据，为生产厂家提供改良生产的依据。

（2)云计算应用技术难点
云计算环境下的业务处理逻辑并行化研究是一个技术难点。

系统平台业务处理普遍存在顺序依赖关系,设计并行算法需要考虑处理逻辑、数据状态之间的相互影响，因此算法的复杂性大大提高。

根据业务需要将服务进行分割，定义服务的边界以及粒度是设计的一个难点。

系统提供了大量功能，这些功能和实际业务并非一一对应，合理化设计功能并封装，为各项业务提供灵活的服务需要考虑很多复杂因素，因此功能的边界和粒度的定义将非常复杂。

保证云计算的服务质量是系统的一个难点。

系统数据量巨大、终端数量庞大、并发用户数大，这些特点都决定了该系统的复杂度高，云计算的可靠性、安全性、高效性等需要深入研究和实践。

（3)支撑亿级用户的系统技术架构设计
支持亿级用户数据处理能力的技术架构设计。

互动服务平台需要支持亿级同时在线用户，平均每秒GB级别的数据采集处理和准实时处理能力。

2010年腾讯QQ最高峰时同时在线用户为1亿，淘宝网每天最多6000万人访问，互动服务平台面临的挑战要更苛刻。

首先，平台要解决GB级数据的传输瓶颈，研究通过公网、专网的搭配、数据异步传输架构、多级数据缓存架构等多种技术手段解决传输瓶颈的方式。

其次要解决数据的准实时处理。

智能用电要求对采集到的数据进行准实时的挖掘分析，及时给出用电指导，如何满足数据的准实时处理是本课题的难点之一。

（4)对外提供增值服务的开放式API规划和管理
设计合理的API封装是一个比较复杂而具有难度的工作。

随着系统的推广应用、业务处理的复杂度增加，如何满足对外提供增值服务或业务应用的需求，开放式API 在一开始规划设计时就需要考虑有序管理。

API安全认证机制也是另外一个难点。

实际接入平台的应用系统终端可能有个人电脑、手持终端、手机，支持终端的操作系统也多元化，为多种异构终端提供API安全认证是一个挑战。

（5)灵活的收费策略
设计多层面的灵活的计费策略满足不同业务的个性化计费需求是本项目的难点。

系统平台的计费分为两个层面。

第一个层面是云计算层面的费用计算，是对云计算资源的直接使用方进行计费。

第二个层面是开放式API对外提供增值服务时的费用计算。

这些费用计算需要提供多种可定制化的计费策略，满足不同业务的个性化需求。

（6)开放性标准和规范化问题
智能电网尚在起步阶段，与之对应的多种终端设备，包括用电设备、智能插座、智能电表、网关等设备多无统一的数据标准，更无专门为智能电网需求提供的数据标准，各设备和上下层级之间如何保障通信畅通（通信协议）、数据一致，为智能电网收集完整的数据信息是一个技术难点。

（7）系统安全方面的技术难点
如何构建支撑亿级用户的网络信任体系及相应的安全基础设施，实现对基于云计算技术、物联网技术的智能用电互动服务系统中的人、设备和应用程序等一切实体的可信身份认证是本项目系统安全保障体系研究的难点。

四、项目研究内容和实施方案
1.项目研究内容
本项目旨在突破电网与用户互动技术难点，提出智能用电感知互动的核心技术概念，自主研发可支撑亿级居民与工商企业客户的、国际领先的智能用电互动服务关键技术，实现对亿级电气设备用电信息的精准及时感知和深度挖掘，优化用电行为，构建智能用电产业链，实现节能减排。

项目主要研究内容包括：1）智能用电互动交互技术；2）智能用电技术；3）海量数据处理技术；4）异构应用智能封装及快速部署技术；5）弹性资源虚拟化管理技术。

1.1 智能用电互动交互技术
建设智能用电互动服务系统的目标之一是实现需求侧响应，实现系统和用户的双向互动。

智能感知互动终端和感知单元为平台和电力用户之间提供了友好的、可视化
的交互平台。

平台可通过感知互动终端和感知互动单元采集用户的用电数据、行为数据，获取用户主动提交的数据，根据用户请求返回相应的结果，或者根据平台设置的策略，将各类数据主动推送到用户。

智能用电服务系统与用户的互动技术研究不仅仅包括通过软、硬件界面进行的简单数据交互，还包括增强用户体验、感知和预测用户需求、在用户日常生活中给用户提供建议或者进行引导等更高层次的互动技术。

1.2 智能用电技术
智能用电技术与电力用户关系最为紧密，智能用电技术对提高电网运行效率，指导用户有序用电至关重要。

本项目主要研究用电数据高效采集与深度挖掘，用电模型建立，能效分析与节能用电策略制定，需求侧响应，峰谷时段划分和分时电价研究、用电趋势预测等内容。

智能用电互动服务系统在智能用电技术领域可以提供信息搜集、处理、挖掘及可视化，分析和辅助决策，商业智能等方面的技术支撑。

1.3 海量数据处理技术
智能用电互动服务系统通过云计算将原来分散、孤立的数据资源集中存储、统一管理，为各应用系统提供数据层集中服务的数据虚拟平台，有利于实现各应用系统之间数据共享。

本项目主要研究云数据存储和处理的虚拟化技术，实现统一数据虚拟化层次体系、统一数据元素标准和统一信息编码，在此基础上对业务数据规范化定义，建立全局统一的业务数据视图模型和虚拟数据库系统，提升业务人员从不同纬度对数据应用分析的理解。

用户或应用程序可以通过标准的SQL语言访问虚拟数据库，获得数据源的聚合查询结果。

为解决在数据资源层进行数据交换的异构等差异性特点，需要数据存储的统一访问接口基础上，研究数据交换接口的规范性。

为了集成和兼容现有应用系统，应用数
据交换接口的标准研制需要能够兼容和识别现有应用程序和设备输入的数据格式和语义，输出的控制信息能够满足应用系统和设备的输入接口规范，用户接入访问能够满足安全性特征要求规范。

数据交互接口应该具备实时性、智能化、自动化、可定制的特性。

在兼容现有业务数据接口规范的基础上，在上层提供面向服务架构的数据服务总线，提供更加灵活的按需动态集成和访问的接口标准。

应用的数据统一部署到云计算中心，各个应用数据的用户级别是不一样的，需要针对不同的需求根据用户身份对数据进行安全控制。

需要研究在统一虚拟化环境，数据虚拟资源自主的权限设置模型和访问控制，达到应用（服务）可以独立控制其数据。

对于安全性很高的应用数据，云存储服务可以提供应用独立的数据加密的密钥和算法，应用在存储时是存储对关键数据进行加密后的数据，而访问后先解密再进行运算的。

1.4 异构应用智能封装及快速部署技术
不同种类的应用除了需要计算、存储和网络能力外，往往还存在对其软件环境的较强依赖。

在部署大规模不同种类应用时，处理软件依赖关系以及配置软件环境往往耗费大量人力资源。

针对不同种类的应用，系统采用模板自动或手动构建及全局受控共享技术，使得大规模应用能够按需快速部署，应用节点间自动交互配置，并且该过程对用户透明。

除此之外，通过专业技术人员针对不同的系统采用不同的优化策略制作出来的系统模板镜像，不仅能够实现快速透明部署，还能够实现对于不同种类的应用自动调优，使得用户在获得应用的同时，还能够享受自动优化后的高效执行环境。

1.5 资源弹性分区管理技术
分区是根据特定用途划分出来的一组服务器（可以涵盖网络、物理机、虚拟机、软件等多种形式的资源）的逻辑集合，其主要用途是支持多种异构业务应用模式，并。