量子通信技術在輸電系統中的應用

陳 涵，雷 興，金歆怡，石天宇，李 文，陸佩順

(國網上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

電力通信網是依托電力系統輸電網架設的專線網，隨著輸電網絡規模的日益擴大，其面臨的安全風險也顯著增加。光纖是通信的主要媒介，光纖竊聽技術的快速發展嚴重危害了電力系統的通信安全。電力系統的通信網絡建立了“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的防衛體系，但現行的安全手段僅在信息保密方面有成效，但在安全技術策略的基礎架構及自適應方面存在明顯局限性[1]。因此，安全可靠的通信保密技術越來越受到重視。

量子通信技術在原理上被證明是一種安全可靠的加密通信手段。與傳統電力通信網絡對比，量子密鑰技術在通信網中具有明顯的優勢，已在“京滬干線”示范項目上成功運行。本文通過對量子通信技術的簡要介紹，論述量子密鑰在電力系統中應用的可行性，提出針對220 kV輸電線路的量子密鑰的通信結構。

1 量子通信介紹

1.1 量子通信的基本假設

量子力學是研究微觀粒子系統運動變化規律的理論。它的全部內容可從少數幾個基本原理出發，用邏輯推理的方法推演，這些原理大致歸納為五個基本假設[2]。

(1)在微觀體系中，物質的狀態可以用Hilbert空間的一個態矢量來描述。

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

(3)微觀系統的狀態隨時間演化的動力學方程為

(1)

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

1.2 量子態疊加原理

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

(2)

1.3 量子通信的優勢

與傳統通信方式相比，量子通信具有時效性高、抗干擾能力強、隱蔽性好、信噪比低等優勢[3]。在電力行業，量子通信作為保障行業信息安全的有效裝備，已在國家電力信息系統建設的“十二五”規劃中被列入[4]。

1.4 量子通信的方式

構成物質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，就是量子態物質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

當前較廣泛采用的量子通信技術主要是基于量子密鑰分配方案(Quantum Key Distribution，簡稱QKD)，此方案通過量子態形成經典信道的密鑰，通過密鑰對需傳送的信息進行加密處理[6]。量子密鑰僅在發送和接受信息之前進行加密處理，數據和信息通過密鑰進行處理后產生密文，再通過經典信道傳輸。因此，量子密鑰技術只在信息保密方面具有優越性，在結構上與傳統通信系統并無本質不同。

2 量子密鑰分配方案

2.1 系統基本組成

依據不同的信號源，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系統由量子密鑰的生成與控制系統、交換機、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，也有經典信道，如圖2所示。其中，密鑰生成控制系統通過對QKD終端設備的控制，完成量子密鑰的分發過程；量子密鑰的生成和接收的過程是由QKD終端來實現的。

圖2 QKD系統基本組成

2.2 實現方式

QKD網絡具有傳統光切換網絡、經典可信中繼節點的網絡、量子中繼的網絡三種實現方式，如表2所示。

表2 三類QKD網絡形式的比較

傳統光切換技術應用較早也較為廣泛，如美國的DARPA量子通信網絡。經典可信中繼節點的典型網絡有瑞士SECONQC QKD網絡和日本Tokyo QKD網絡等。目前量子中繼的網絡還處于研究階段。

基于量子中繼的網絡由于以下難點而影響后續的深入研究：存儲器還不能有效地在量子密鑰中應用；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，然而成功率會隨著時間持續地衰減[8]。

2.3 基于BB84協議的量子密碼通信

BB84是一種單量子的量子密鑰分配方案，也是公認的最成熟并且應用最廣泛的量子密鑰分配協議。

基于BB84協議的量子密碼通信系統架構如圖3所示。

圖3 基于BB84協議的量子密碼通信系統

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。由量子力學中的測不準原理可知，量子在狀態穩定的情況下，外界也無法測得量子動量；在極限確定時間的情況下，量子的能量不斷改變，無法獲取準確的量子信息，從而使得量子在信道中傳輸的信息不可能被竊聽、截獲或復制。因此，該方案具備絕對的安全性、可靠性。

3 基于QKD的典型應用

3.1 通信數據傳輸保護

以國網上海檢修公司為例，公司所管轄范圍為220 kV及以上的變電站和輸電線路，所涉及運行中的通信數據有保護和測控兩類，如圖4所示。

圖4 某220 kV線路傳統通信結構圖

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

電力系統中保護、測控、調度等信息對電網的安全生產有著重大影響。這些信息若被竊取或篡改，則可能導致電網出現安全隱患，嚴重的會造成局部甚至整體的癱瘓。通過量子密鑰技術與傳統電力通信的結合，可以實現對電力信息的數據加密，提高傳輸的安全性，為電網的穩定運行提供更多一層保障。

在保護方面，線路縱聯差動保護需線路兩側及時、有效的通信，在一次發送動作信號時對側可靠跳閘。若通道發生故障或者遭到破壞，則會在故障時無法及時切除故障點，造成事故范圍擴大。在測控方面，站內遙測和遙信量則會通過站內光電轉換后經光通道傳送至中心站和市調度中心，若信道遭到破壞，數據被竊取或篡改，則會嚴重危及電網的安全穩定運行，運行人員無法獲取準確的實時運行工況。

通過量子加密技術實現的輸電線路通信結構如圖5所示。

圖5 某220 kV線路應用量子加密技術通信結構圖

3.2 備份數據鏈路

隨著電網信息化程度的日益提高，電網企業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中應用更安全的通信技術，量子通信技術有效解決了這一問題，保證了電力系統在通信過程中的安全性。近年來，全國各地陸續建立全新的調度調控系統，也建立了防止數據丟失的易災中心。

3.3 加密通信網

電力系統時刻都在進行著信息傳輸，同時也時刻都有遭遇黑客攻擊的風險，造成重要機密外泄，影響社會的穩定。

傳統的防火墻技術已經無法滿足通信安全的需要，只有通過量子通信技術建立的機密通信網，才能對網絡中任意兩個用戶間的通信建立密鑰分發，保證電力系統生產、營銷、辦公等信息的安全傳送。

3.4 應急通信通道

在發生各類災害造成電力通信網癱瘓的狀況下，若無法及時搶修，則會嚴重影響災害救援行動的進度。

量子隱形傳態技術的迅速發展，為一項新的量子衛星通信系統的建立提供了可能，這能夠給予電力系統通信的穩定和可靠提供更多一層的保障。

4 結語

安全可靠的電力通信對于電力系統的穩定運行起著關鍵作用，是未來智能電網的基石。本文從電力系統通信網絡的安全性特點出發，給出了QKD系統模型與原理圖，并針對輸電系統的通信內容，提出了相應的應用方案。

基于光纖通信網絡建設量子密鑰分配技術的通信網絡，已具有實現產業化的基礎條件，但距離大規模實用化還有許多需要改進和完善之處，比如相關通信接口的制定、量子密鑰獲取方式的選擇等，但是量子通信技術在電力通信網產業化的前景值得期待。

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