量子通信技術(shù)在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳 涵，雷 興，金歆怡，石天宇，李 文，陸佩順

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

電力通信網(wǎng)是依托電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)架設(shè)的專線網(wǎng)，隨著輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴(kuò)大，其面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)也顯著增加。光纖是通信的主要媒介，光纖竊聽技術(shù)的快速發(fā)展嚴(yán)重危害了電力系統(tǒng)的通信安全。電力系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)建立了“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的防衛(wèi)體系，但現(xiàn)行的安全手段僅在信息保密方面有成效，但在安全技術(shù)策略的基礎(chǔ)架構(gòu)及自適應(yīng)方面存在明顯局限性[1]。因此，安全可靠的通信保密技術(shù)越來越受到重視。

量子通信技術(shù)在原理上被證明是一種安全可靠的加密通信手段。與傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡(luò)對比，量子密鑰技術(shù)在通信網(wǎng)中具有明顯的優(yōu)勢，已在“京滬干線”示范項(xiàng)目上成功運(yùn)行。本文通過對量子通信技術(shù)的簡要介紹，論述量子密鑰在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，提出針對220 kV輸電線路的量子密鑰的通信結(jié)構(gòu)。

1 量子通信介紹

1.1 量子通信的基本假設(shè)

量子力學(xué)是研究微觀粒子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的理論。它的全部內(nèi)容可從少數(shù)幾個(gè)基本原理出發(fā)，用邏輯推理的方法推演，這些原理大致歸納為五個(gè)基本假設(shè)[2]。

(1)在微觀體系中，物質(zhì)的狀態(tài)可以用Hilbert空間的一個(gè)態(tài)矢量來描述。

(2)在微觀量子系統(tǒng)中每個(gè)力學(xué)量對應(yīng)Hilbert空間中的一個(gè)線性厄米算符，力學(xué)量的取值是相應(yīng)算符的本征值。

(3)微觀系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間演化的動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

(5)在微觀量子系統(tǒng)中對于量子的態(tài)矢量，任意兩個(gè)粒子進(jìn)行交換，則它們的態(tài)矢量是對稱或反對稱的。

1.2 量子態(tài)疊加原理

疊加原理基本內(nèi)容：如果|ψ1(t)>，|ψ2(t)>，|ψ3(t)>，…，|ψn(t)>是量子系統(tǒng)可能的態(tài)，那么它們的任意線性疊加態(tài)為

(2)

1.3 量子通信的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)通信方式相比，量子通信具有時(shí)效性高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、信噪比低等優(yōu)勢[3]。在電力行業(yè)，量子通信作為保障行業(yè)信息安全的有效裝備，已在國家電力信息系統(tǒng)建設(shè)的“十二五”規(guī)劃中被列入[4]。

1.4 量子通信的方式

構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元是量子，具有不可分割性[5]。通常意義上說的量子通信，就是量子態(tài)物質(zhì)通過位移將信息傳送出去，主要有量子隱形傳送和量子密鑰分配兩種方式，如圖1所示。

圖1 量子通信的分類

1.5 量子通信的特征

當(dāng)前較廣泛采用的量子通信技術(shù)主要是基于量子密鑰分配方案(Quantum Key Distribution，簡稱QKD)，此方案通過量子態(tài)形成經(jīng)典信道的密鑰，通過密鑰對需傳送的信息進(jìn)行加密處理[6]。量子密鑰僅在發(fā)送和接受信息之前進(jìn)行加密處理，數(shù)據(jù)和信息通過密鑰進(jìn)行處理后產(chǎn)生密文，再通過經(jīng)典信道傳輸。因此，量子密鑰技術(shù)只在信息保密方面具有優(yōu)越性，在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)并無本質(zhì)不同。

2 量子密鑰分配方案

2.1 系統(tǒng)基本組成

依據(jù)不同的信號源，可將QKD方案分為：基于單量子的QKD方案；基于量子糾纏對的QKD方案；基于單量子和量子糾纏對的混合QKD方案。

三類不同量子密鑰分配比較如表1所示。

表1 三類不同量子密鑰分配比較

典型的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)由量子密鑰的生成與控制系統(tǒng)、交換機(jī)、通信信道和量子密鑰終端等組成[7]。

通信信道中既有量子信道，也有經(jīng)典信道，如圖2所示。其中，密鑰生成控制系統(tǒng)通過對QKD終端設(shè)備的控制，完成量子密鑰的分發(fā)過程；量子密鑰的生成和接收的過程是由QKD終端來實(shí)現(xiàn)的。

圖2 QKD系統(tǒng)基本組成

2.2 實(shí)現(xiàn)方式

QKD網(wǎng)絡(luò)具有傳統(tǒng)光切換網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)典可信中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)、量子中繼的網(wǎng)絡(luò)三種實(shí)現(xiàn)方式，如表2所示。

表2 三類QKD網(wǎng)絡(luò)形式的比較

傳統(tǒng)光切換技術(shù)應(yīng)用較早也較為廣泛，如美國的DARPA量子通信網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)典可信中繼節(jié)點(diǎn)的典型網(wǎng)絡(luò)有瑞士SECONQC QKD網(wǎng)絡(luò)和日本Tokyo QKD網(wǎng)絡(luò)等。目前量子中繼的網(wǎng)絡(luò)還處于研究階段。

基于量子中繼的網(wǎng)絡(luò)由于以下難點(diǎn)而影響后續(xù)的深入研究：存儲(chǔ)器還不能有效地在量子密鑰中應(yīng)用；量子糾纏是指僅在全部純化均成功情況下，量子密鑰才算作一次成功通信，然而成功率會(huì)隨著時(shí)間持續(xù)地衰減[8]。

2.3 基于BB84協(xié)議的量子密碼通信

BB84是一種單量子的量子密鑰分配方案，也是公認(rèn)的最成熟并且應(yīng)用最廣泛的量子密鑰分配協(xié)議。

基于BB84協(xié)議的量子密碼通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于BB84協(xié)議的量子密碼通信系統(tǒng)

該方案通過量子信道傳送密鑰，通過量子的相位、極化方向或者頻率等物理量攜帶量子密鑰信息。由量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理可知，量子在狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，外界也無法測得量子動(dòng)量；在極限確定時(shí)間的情況下，量子的能量不斷改變，無法獲取準(zhǔn)確的量子信息，從而使得量子在信道中傳輸?shù)男畔⒉豢赡鼙桓`聽、截獲或復(fù)制。因此，該方案具備絕對的安全性、可靠性。

3 基于QKD的典型應(yīng)用

3.1 通信數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)

以國網(wǎng)上海檢修公司為例，公司所管轄范圍為220 kV及以上的變電站和輸電線路，所涉及運(yùn)行中的通信數(shù)據(jù)有保護(hù)和測控兩類，如圖4所示。

圖4 某220 kV線路傳統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖

電力企業(yè)管理信息，如郵件系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)等對企業(yè)的安全有重大影響。這些信息的外泄對系統(tǒng)的安全有著重大隱患，因而通過量子密鑰技術(shù)的應(yīng)用可以有效保障電力企業(yè)管理信息的安全傳輸。

電力系統(tǒng)中保護(hù)、測控、調(diào)度等信息對電網(wǎng)的安全生產(chǎn)有著重大影響。這些信息若被竊取或篡改，則可能導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)安全隱患，嚴(yán)重的會(huì)造成局部甚至整體的癱瘓。通過量子密鑰技術(shù)與傳統(tǒng)電力通信的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對電力信息的數(shù)據(jù)加密，提高傳輸?shù)陌踩裕瑸殡娋W(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供更多一層保障。

在保護(hù)方面，線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)需線路兩側(cè)及時(shí)、有效的通信，在一次發(fā)送動(dòng)作信號時(shí)對側(cè)可靠跳閘。若通道發(fā)生故障或者遭到破壞，則會(huì)在故障時(shí)無法及時(shí)切除故障點(diǎn)，造成事故范圍擴(kuò)大。在測控方面，站內(nèi)遙測和遙信量則會(huì)通過站內(nèi)光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)光通道傳送至中心站和市調(diào)度中心，若信道遭到破壞，數(shù)據(jù)被竊取或篡改，則會(huì)嚴(yán)重危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行人員無法獲取準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況。

通過量子加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)的輸電線路通信結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 某220 kV線路應(yīng)用量子加密技術(shù)通信結(jié)構(gòu)圖

3.2 備份數(shù)據(jù)鏈路

隨著電網(wǎng)信息化程度的日益提高，電網(wǎng)企業(yè)面臨的安全隱患也越來越多，也就更迫切地需要在電力系統(tǒng)中應(yīng)用更安全的通信技術(shù)，量子通信技術(shù)有效解決了這一問題，保證了電力系統(tǒng)在通信過程中的安全性。近年來，全國各地陸續(xù)建立全新的調(diào)度調(diào)控系統(tǒng)，也建立了防止數(shù)據(jù)丟失的易災(zāi)中心。

3.3 加密通信網(wǎng)

電力系統(tǒng)時(shí)刻都在進(jìn)行著信息傳輸，同時(shí)也時(shí)刻都有遭遇黑客攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，造成重要機(jī)密外泄，影響社會(huì)的穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的防火墻技術(shù)已經(jīng)無法滿足通信安全的需要，只有通過量子通信技術(shù)建立的機(jī)密通信網(wǎng)，才能對網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)用戶間的通信建立密鑰分發(fā)，保證電力系統(tǒng)生產(chǎn)、營銷、辦公等信息的安全傳送。

3.4 應(yīng)急通信通道

在發(fā)生各類災(zāi)害造成電力通信網(wǎng)癱瘓的狀況下，若無法及時(shí)搶修，則會(huì)嚴(yán)重影響災(zāi)害救援行動(dòng)的進(jìn)度。

量子隱形傳態(tài)技術(shù)的迅速發(fā)展，為一項(xiàng)新的量子衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立提供了可能，這能夠給予電力系統(tǒng)通信的穩(wěn)定和可靠提供更多一層的保障。

4 結(jié)語

安全可靠的電力通信對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，是未來智能電網(wǎng)的基石。本文從電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性特點(diǎn)出發(fā)，給出了QKD系統(tǒng)模型與原理圖，并針對輸電系統(tǒng)的通信內(nèi)容，提出了相應(yīng)的應(yīng)用方案。

基于光纖通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)量子密鑰分配技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)，已具有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)條件，但距離大規(guī)模實(shí)用化還有許多需要改進(jìn)和完善之處，比如相關(guān)通信接口的制定、量子密鑰獲取方式的選擇等，但是量子通信技術(shù)在電力通信網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的前景值得期待。

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