量子技術在電力領域的應用分析與展望

李文清，劉津濂，齊曉曼，田浩毅，趙學強

(國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437)

隨著量子世界的諸多物理特征被不斷發現，量子技術的研究步伐正不斷加快，并開始在電力領域落地試點。目前量子通信已經在電力行業試點應用，對相關文獻進行分析可以發現，量子技術正通過電力通信網絡為陣地向電網全領域滲透[1-9]，并且呈現高校-企協-科研機構齊頭并進的研究態勢。量子技術可在提升電力系統安全性、經濟性、穩定性等方面發揮重要作用，本文重點對量子通信、量子計算、量子測量以及量子材料在電力系統領域的應用進行分析。

1 量子技術在電力領域的布局

使用智慧芽專利檢索平臺進行專利數據檢索，輸入關鍵詞“電力+量子”，共檢索出專利5 236條，對專利數據進行清理后得到5 121條，利用英策分析工具進行專利地圖分析，可得到電力領域量子技術的應用情況。利用知網數據庫進行文獻計量分析，輸入關鍵詞“電力+量子”共獲取到文獻6 189篇，開展文獻計量分析后得出量子技術在電力領域的應用布局，見圖1。

圖1 量子技術在電力領域應用的布局[1]

由專利地圖及文獻計量分析結果可知：量子技術正通過電力通信網絡向電網全領域滲透。量子技術在電力領域的應用呈現以下特點：總體呈現研究范圍廣、專業性強的特點，其中量子密鑰分發、量子保密及量子傳輸協議等逐漸成為電力企業通信網絡的重要技術支撐，可有效提升電力通信網絡的安全水平及傳輸效率，申請專利和發表文獻數量也最多；電網故障診斷、電氣元件和材料等電網傳統領域以及儲能、風電等新興領域成為量子技術在電力領域應用的第二梯隊，專利申請數量處于增長階段；量子技術在新能源電池、電網經濟調度、無功優化等領域的應用已逐漸出現專利申請，并在未來一段時間內保持增長態勢。

通過對3 000條相關專利的專利權人進行統計得到，量子技術在電力領域的研究態勢，可概括為高校-企業-科研機構齊頭并進，見圖2。

圖2 電力量子領域科研生態

(1)企業專利方面。我國量子保密通信領域產業化初具規模，以南京如般量子技術有限公司為首，業務主要聚焦在量子通信技術、商用量子密碼產品開發等；國家電網公司作為電力領域龍頭企業，在電力量子領域擁有較大技術優勢。

(2)高校專利方面。國內各大高校的專利數量及價值已具備一定規模，已形成與科技企業齊頭并進的研究態勢，其中專業類高校更具優勢。北京郵電大學利用通信專業優勢排名中國各高校首位，申請專利61項。

(3)研究機構方面。我國專利申請排名前五的研究機構均為中科院及其下屬各科研院所，呈現出極強的集團軍式工作特征，具有較強的聯合攻關能力，這是國外各類研究機構所不具備的。

2 量子技術在電力領域的應用前景

在電力領域應用各類量子技術，可提升電力系統的安全性、經濟性、穩定性，具體應用場景如圖3所示。

圖3 量子技術在電力領域的應用場景

2.1 量子通信在電力系統中的應用

量子通信作為保障數據安全傳輸的新型技術，已具備實用化性能。量子通信技術具有超大容量、超遠距離保密通信以及傳輸系統幾乎無法破譯等特點，具有理論上無條件的安全性以及極快的計算速度，使其成為電力企業日常通信活動的重要技術支撐。

應用量子通信可整體提升電力系統的通信性能，基于量子通信的電力系統業務領域如圖4所示。

圖4 基于量子通信的電力系統業務領域

(1)電力系統通信安全性得到有效提升。利用量子交換網絡的不可克隆和不可篡改性，實現通信信息的防竊聽；量子通信因具有理論上無條件的安全性以及極快的計算速度，未來將成為電力系統通信網絡技術的制高點。

(2)電力數據傳輸的可靠性得到大幅度提高。在電力系統架空線路和變電站等高電磁干擾環境下，誤碼率會進一步增大，通過開展量子糾錯編碼業務，可有效降低電力數據高電磁干擾環境下傳輸的誤碼率。

(3)電網調度的實時性得到加強。利用量子密鑰分發鏈路，實現主、備數據之間的合理分發與交換，完成數據的實時采集與更新。電力量子通信組網技術應用如表1所示。

表1 電力量子通信組網技術應用

(4)電力通信網傳輸規模得到大幅度擴展。根據服務對象的不同，電力業務可分為電網生產業務和信息管理業務。為適應不同業務需求，結合電力典型業務、典型場景及多種通信方式，電力系統中可以開展量子通信組網。基于量子密鑰分發開展通信業務，有效保障了數據交互的安全性和時效性，同時可實現電力信息傳輸距離無限制以及通信用戶數量無限制。

目前，電力系統領域已經開展了多項基于量子通信技術的工程業務。代表性工程案例包括：國網上海市電力公司開展了“三表集抄”業務，通過量子信息采集系統可以實現水、電、氣數據的集中采集與上傳以及業務系統通信的高等級保密，同時可極大提高數據采集效率，并節約大量人工成本；國網公司電力應急指揮中心開展了基于無線模式的量子密鑰分發技術的“重大會議保電業務”，可以實現重大會議保電過程的音視頻數據傳輸全過程的絕對安全性。

2.2 量子計算在電力系統中的應用

隨著我國電力行業清潔化和智能化的發展，智能優化控制技術迅速興起。但是，常用的智能優化算法和機器學習算法均存在不同程度的缺陷，如計算效率低、易陷入早熟或參數繁多不易確定等，對算法在訓練和尋優過程中的效果影響極大。對這些因素的處理是否得當，將直接影響優化結果，并極大地影響電力系統運行的安全性、經濟性及穩定性。在電力系統中應用量子計算可實現系統計算能力的突破。量子計算在電力系統中的應用如圖5所示。

圖5 量子計算在電力系統中的應用

(1)量子計算可提升系統最優參數的獲取效率，利用量子優化算法可提高最優數據搜索速度和成功率，具有搜索目標明確、應用范圍廣等特點，在發電機組系統辨識和參數優化業務中效果突出。

(2)量子計算可大幅提升系統模型預測的計算精度，結合神經網絡的量子計算能夠精確、有效地識別電力系統運行特性或模式，可用于電力系統狀態評估、負荷預測及故障診斷等方面。

(3)量子計算能夠大幅降低配網規劃的時空復雜度計算成本，量子計算可實現大規模計算的并行化，降低計算的空間和時間復雜度，其特有的量子糾纏特性可使目標搜索和運算時間大幅縮短，充分利用已知的信息加快收斂速度，增強算法的局部搜索與全局搜索的平衡性，可用于優化分配電網機組及網架規劃。

(4)量子計算可大幅擴展電力數據處理的計算規模。利用量子計算方式對電力系統演化行為進行模擬，可提升信息處理的充分性和有效性，適應復雜場景的約束條件及變量眾多的問題，解決經典計算無法處理的大規模計算量的問題。

量子衍生算法是量子力學與傳統算法結合形成的新型算法，其本質上仍屬于傳統算法，因此可以直接在傳統計算機平臺上執行，目前量子衍生算法不斷發展并被引入智能算法領域，并且已在眾多領域有所應用。目前，在電力系統各個場景中實際應用的量子計算均屬于量子衍生算法，具體的應用場景及效果如表2所示。

隨著量子衍生算法的不斷完善以及電力系統智能化發展需求的不斷提高，未來勢必有更多高效能的量子算法或量子機器學習技術逐步應用于更多的電力系統領域。另一方面，隨著未來量子計算機的逐步發展成熟，量子計算也必將在電力系統中多個領域得到應用。

2.3 量子測量在電力系統中的應用

量子測量采用量子態來記錄信息，是獲取量子信息最重要的途徑，也是量子力學的基礎之一。目前，基于量子測量的反饋控制已在量子探測、雷達、信號、網絡等方面有諸多試驗成果得以展現；量子測量還可用于高精度探測傳感器，對需要大規模高精度信號探測和狀態感知等領域將起到極大的推動效果。

基于量子測量的電力系統業務領域如圖6所示。

圖6 基于量子測量的電力系統業務領域

目前，電力系統的控制方式與結構越來越復雜，反饋控制的環路層次不斷疊加擴大，因而對控制精度和穩定性的需求不斷增長，以實現對控制變量的高效精確控制。量子測量采用量子態來記錄信息，是獲取量子信息最重要的途徑，也是量子力學的基礎之一。量子測量可以實現未來系統控制、演化及評估等方面的突破，提升電力系統的采集控制效果；基于量子測量可以實現對控制變量的高效精確采集與反饋控制，大幅度提高電力系統多層次與環節的控制精度和穩定性；基于量子測量還可以實現對電力系統動態演化數據的掌握。利用量子測量可全面、實時、精確地獲取系統各環節的數據，并實現測量值在不同狀態之間的轉化，提升數據處理分析的交叉性與互補性，有利于實現電力系統動態過程演化的全面性、形象性與實時性，實現電力系統全面狀態的評估。基于量子測量可以制作高敏感度及高精度探測傳感器，有利于實現電壓、電流、頻率、相位等多類型信號的智能識別、收集與傳輸，實現信息技術在電力系統中的極致應用，促使電力系統朝著智能化與透明化的方向發展。

未來，電力系統以及能源互聯網將朝著透明化方向發展，而透明電網的狀態評估及安全運行將極大依賴信號的實時探測、傳輸、收集、分析等。經相關研究，其較好實現方式是利用小型化、低功耗、自取能的小微智能傳感器，實現電壓、電流、頻率、相位等基本數據的信息傳輸。由此可以預見，基于量子測量的高敏感度及高精度探測傳感器將為電力系統中大規模、多類型、多特征信號的識別、收集與傳播等技術過程提供有效的解決思路，從而滿足這些關鍵特征要求。

2.4 量子材料在電力系統中的應用

目前，基于量子反常霍爾效應的新型材料正處在飛速研發進展之中，未來一旦成熟并得到應用，電力系統諸多性能將產生質的飛躍。如今集成電路芯片散熱問題成為阻礙摩爾定律持續發展的瓶頸，大量電子產品如筆記本電腦、手機甚至超級計算機，都有大量電能是因為發熱而浪費掉。

基于量子反常霍爾效應的拓撲絕緣材料已獲得研發應用，可大幅降低電力電子器件能量損耗與發熱，未來必將對電力系統的高能耗器件及設備產生重大效益，其應用領域如圖7所示。

(1)利用量子材料可實現電網能源損耗的大幅度降低。可通過在電力系統中的變壓器、換流器等高功率設備中應用拓撲絕緣材料，大幅度降低設備運行過程中的電磁損耗。

(2)應用量子材料可大幅改善電力系統的設備投資與運行壽命。電力系統能耗及發熱的大幅度降低可減少大量冷卻系統或設備的安裝數量、運行功率及時間，降低電力系統的建設投資費用，并提高設備的運行壽命。

(3)應用量子材料可實現電網穩定性及電壓質量的大幅度提升。大范圍應用拓撲絕緣材料的電力系統，可使能源損耗大幅度降低，從而提升電網運行穩定性，同時使設備處于更優運行狀態并獲得更高的電壓質量。

3 結語與展望

隨著量子技術的不斷發展以及量子技術應用的不斷加深，未來量子通信、量子計算、量子測量、量子材料等在電力系統中將有廣泛的應用前景，并且會對電力系統帶來深刻變革。特別是在電力通信領域開展量子通信的落地應用，構建以量子通信技術為基礎的網絡架構，可以從本質上確保電力通信網絡不被攻破，從而保證電網的安全穩定運行；在量子計算領域開展電力系統復雜技術研究，針對用電負荷密度高、電能質量要求高的區域，隨著數字化程度的不斷加深以及系統協調性要求的不斷提高，電力系統各環節的以算能力要求將呈指數級增長，傳統計算方式將不能承載現有計算量，可運用量子計算技術處理大規模計算；在電力量子測量領域不斷嘗試應用最新研究成果，當前電力量子測量領域的學術研究處于百花齊放的狀態，關鍵技術研究學界還未達成共識，大部分技術還處于實驗室研究階段，未進入實驗室驗證階段，可開展前沿技術的挖掘與追蹤。