量子通信技术在输电系统中的应用

陈 涵，雷 兴，金歆怡，石天宇，李 文，陆佩顺

(国网上海市电力公司检修公司，上海 201204)

电力通信网是依托电力系统输电网架设的专线网，随着输电网络规模的日益扩大，其面临的安全风险也显著增加。光纤是通信的主要媒介，光纤窃听技术的快速发展严重危害了电力系统的通信安全。电力系统的通信网络建立了“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的防卫体系，但现行的安全手段仅在信息保密方面有成效，但在安全技术策略的基础架构及自适应方面存在明显局限性[1]。因此，安全可靠的通信保密技术越来越受到重视。

量子通信技术在原理上被证明是一种安全可靠的加密通信手段。与传统电力通信网络对比，量子密钥技术在通信网中具有明显的优势，已在“京沪干线”示范项目上成功运行。本文通过对量子通信技术的简要介绍，论述量子密钥在电力系统中应用的可行性，提出针对220 kV输电线路的量子密钥的通信结构。

1 量子通信介绍

1.1 量子通信的基本假设

量子力学是研究微观粒子系统运动变化规律的理论。它的全部内容可从少数几个基本原理出发，用逻辑推理的方法推演，这些原理大致归纳为五个基本假设[2]。

(1)在微观体系中，物质的状态可以用Hilbert空间的一个态矢量来描述。

(2)在微观量子系统中每个力学量对应Hilbert空间中的一个线性厄米算符，力学量的取值是相应算符的本征值。

(3)微观系统的状态随时间演化的动力学方程为

(1)

(5)在微观量子系统中对于量子的态矢量，任意两个粒子进行交换，则它们的态矢量是对称或反对称的。

1.2 量子态叠加原理

叠加原理基本内容：如果|ψ1(t)>，|ψ2(t)>，|ψ3(t)>，…，|ψn(t)>是量子系统可能的态，那么它们的任意线性叠加态为

(2)

1.3 量子通信的优势

与传统通信方式相比，量子通信具有时效性高、抗干扰能力强、隐蔽性好、信噪比低等优势[3]。在电力行业，量子通信作为保障行业信息安全的有效装备，已在国家电力信息系统建设的“十二五”规划中被列入[4]。

1.4 量子通信的方式

构成物质的最基本单元是量子，具有不可分割性[5]。通常意义上说的量子通信，就是量子态物质通过位移将信息传送出去，主要有量子隐形传送和量子密钥分配两种方式，如图1所示。

图1 量子通信的分类

1.5 量子通信的特征

当前较广泛采用的量子通信技术主要是基于量子密钥分配方案(Quantum Key Distribution，简称QKD)，此方案通过量子态形成经典信道的密钥，通过密钥对需传送的信息进行加密处理[6]。量子密钥仅在发送和接受信息之前进行加密处理，数据和信息通过密钥进行处理后产生密文，再通过经典信道传输。因此，量子密钥技术只在信息保密方面具有优越性，在结构上与传统通信系统并无本质不同。

2 量子密钥分配方案

2.1 系统基本组成

依据不同的信号源，可将QKD方案分为：基于单量子的QKD方案；基于量子纠缠对的QKD方案；基于单量子和量子纠缠对的混合QKD方案。

三类不同量子密钥分配比较如表1所示。

表1 三类不同量子密钥分配比较

典型的量子密钥分发系统由量子密钥的生成与控制系统、交换机、通信信道和量子密钥终端等组成[7]。

通信信道中既有量子信道，也有经典信道，如图2所示。其中，密钥生成控制系统通过对QKD终端设备的控制，完成量子密钥的分发过程；量子密钥的生成和接收的过程是由QKD终端来实现的。

图2 QKD系统基本组成

2.2 实现方式

QKD网络具有传统光切换网络、经典可信中继节点的网络、量子中继的网络三种实现方式，如表2所示。

表2 三类QKD网络形式的比较

传统光切换技术应用较早也较为广泛，如美国的DARPA量子通信网络。经典可信中继节点的典型网络有瑞士SECONQC QKD网络和日本Tokyo QKD网络等。目前量子中继的网络还处于研究阶段。

基于量子中继的网络由于以下难点而影响后续的深入研究：存储器还不能有效地在量子密钥中应用；量子纠缠是指仅在全部纯化均成功情况下，量子密钥才算作一次成功通信，然而成功率会随着时间持续地衰减[8]。

2.3 基于BB84协议的量子密码通信

BB84是一种单量子的量子密钥分配方案，也是公认的最成熟并且应用最广泛的量子密钥分配协议。

基于BB84协议的量子密码通信系统架构如图3所示。

图3 基于BB84协议的量子密码通信系统

该方案通过量子信道传送密钥，通过量子的相位、极化方向或者频率等物理量携带量子密钥信息。由量子力学中的测不准原理可知，量子在状态稳定的情况下，外界也无法测得量子动量；在极限确定时间的情况下，量子的能量不断改变，无法获取准确的量子信息，从而使得量子在信道中传输的信息不可能被窃听、截获或复制。因此，该方案具备绝对的安全性、可靠性。

3 基于QKD的典型应用

3.1 通信数据传输保护

以国网上海检修公司为例，公司所管辖范围为220 kV及以上的变电站和输电线路，所涉及运行中的通信数据有保护和测控两类，如图4所示。

图4 某220 kV线路传统通信结构图

电力企业管理信息，如邮件系统、营销系统、办公系统等对企业的安全有重大影响。这些信息的外泄对系统的安全有着重大隐患，因而通过量子密钥技术的应用可以有效保障电力企业管理信息的安全传输。

电力系统中保护、测控、调度等信息对电网的安全生产有着重大影响。这些信息若被窃取或篡改，则可能导致电网出现安全隐患，严重的会造成局部甚至整体的瘫痪。通过量子密钥技术与传统电力通信的结合，可以实现对电力信息的数据加密，提高传输的安全性，为电网的稳定运行提供更多一层保障。

在保护方面，线路纵联差动保护需线路两侧及时、有效的通信，在一次发送动作信号时对侧可靠跳闸。若通道发生故障或者遭到破坏，则会在故障时无法及时切除故障点，造成事故范围扩大。在测控方面，站内遥测和遥信量则会通过站内光电转换后经光通道传送至中心站和市调度中心，若信道遭到破坏，数据被窃取或篡改，则会严重危及电网的安全稳定运行，运行人员无法获取准确的实时运行工况。

通过量子加密技术实现的输电线路通信结构如图5所示。

图5 某220 kV线路应用量子加密技术通信结构图

3.2 备份数据链路

随着电网信息化程度的日益提高，电网企业面临的安全隐患也越来越多，也就更迫切地需要在电力系统中应用更安全的通信技术，量子通信技术有效解决了这一问题，保证了电力系统在通信过程中的安全性。近年来，全国各地陆续建立全新的调度调控系统，也建立了防止数据丢失的易灾中心。

3.3 加密通信网

电力系统时刻都在进行着信息传输，同时也时刻都有遭遇黑客攻击的风险，造成重要机密外泄，影响社会的稳定。

传统的防火墙技术已经无法满足通信安全的需要，只有通过量子通信技术建立的机密通信网，才能对网络中任意两个用户间的通信建立密钥分发，保证电力系统生产、营销、办公等信息的安全传送。

3.4 应急通信通道

在发生各类灾害造成电力通信网瘫痪的状况下，若无法及时抢修，则会严重影响灾害救援行动的进度。

量子隐形传态技术的迅速发展，为一项新的量子卫星通信系统的建立提供了可能，这能够给予电力系统通信的稳定和可靠提供更多一层的保障。

4 结语

安全可靠的电力通信对于电力系统的稳定运行起着关键作用，是未来智能电网的基石。本文从电力系统通信网络的安全性特点出发，给出了QKD系统模型与原理图，并针对输电系统的通信内容，提出了相应的应用方案。

基于光纤通信网络建设量子密钥分配技术的通信网络，已具有实现产业化的基础条件，但距离大规模实用化还有许多需要改进和完善之处，比如相关通信接口的制定、量子密钥获取方式的选择等，但是量子通信技术在电力通信网产业化的前景值得期待。

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