傳輸電網(wǎng)保護(hù)信號(hào)的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)系統(tǒng)＊

盧利鋒，李同智，陳 平，朱向冰

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102211；2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031；3.安徽師范大學(xué)物理系，安徽 蕪湖 241002）

量子遠(yuǎn)程傳態(tài)作為一種難以比擬的通信技術(shù)，受到了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注。為了適應(yīng)我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展，國(guó)家提出了一系列的相關(guān)政策[1]，這推動(dòng)了量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)從理論研究到實(shí)踐的跨越，并讓我國(guó)在一些方面處于世界領(lǐng)先水平?，F(xiàn)階段，量子遠(yuǎn)程傳態(tài)多用于國(guó)家安全領(lǐng)域和金融安全通信領(lǐng)域。為了拓寬量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的應(yīng)用范圍，本文介紹了量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)的原理，并首次提出將此技術(shù)運(yùn)用到電力通信領(lǐng)域，分析傳統(tǒng)電力通信系統(tǒng)的缺陷，探討在電力通信系統(tǒng)中運(yùn)用量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)的可行性。

1 量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)

1993年，Bennett等人發(fā)表的關(guān)于EPR的論文[2]首次提出了量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的理論，并于1997年驗(yàn)證了量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的可行性。其基本原理是，利用糾纏光子對(duì)的遠(yuǎn)程關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)信息的傳遞。與傳統(tǒng)通信不同的是，使用該技術(shù)，接收方需要得到發(fā)送方的經(jīng)典信息和量子信息才能完成量子遠(yuǎn)程傳態(tài)，也就是以糾纏光子對(duì)作為信息的載體，以糾纏光子對(duì)作為量子信道。而經(jīng)典信息則通過(guò)傳統(tǒng)的方式傳輸，實(shí)現(xiàn)信息的編碼、傳輸和解調(diào)過(guò)程。

在量子遠(yuǎn)程傳態(tài)中，習(xí)慣上稱發(fā)送者是Alice，接受者是Bob。圖1為量子遠(yuǎn)程傳態(tài)的原理示意圖，發(fā)送方的一個(gè)光子（標(biāo)記為1），光子1處于量子態(tài)光子1的量子態(tài)表征了要傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸過(guò)程可簡(jiǎn)單敘述如下：①由EPR糾纏源制備一個(gè)糾纏光子對(duì)（光子2和3），它們處于糾纏態(tài)②如圖1所示，EPR產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)2和3通過(guò)自由空間或光纖分發(fā)到Alice和Bob手中；③Alice對(duì)光子1和2進(jìn)行Bell態(tài)測(cè)量，并將測(cè)量后的經(jīng)典信息通過(guò)經(jīng)典信道傳輸給Bob，Bob得到經(jīng)典信息對(duì)光子3進(jìn)行某種操作就可以重現(xiàn)光子1的量子態(tài)[3]。

圖1 量子遠(yuǎn)程傳態(tài)示意圖

根據(jù)上述量子遠(yuǎn)程傳態(tài)理論知識(shí)可知，使用量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)需要制備糾纏光子對(duì)2和3，并對(duì)光子1和2進(jìn)行Bell態(tài)測(cè)量，把測(cè)量后的經(jīng)典信息通過(guò)經(jīng)典信道傳送給Bob。也就是說(shuō)，量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)需要制備糾纏源、有相應(yīng)的光子1和2的測(cè)量方法以及將量子態(tài)表示為經(jīng)典的二進(jìn)制數(shù)的技術(shù)。本文使用安徽問(wèn)天科技有限公司生產(chǎn)的BBO糾纏源，該產(chǎn)品能產(chǎn)生較為理想的糾纏光子對(duì)。目前，測(cè)量糾纏態(tài)的方法有很多種，本文使用文獻(xiàn)[4]測(cè)量糾纏態(tài)的方法，即采用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器來(lái)測(cè)量糾纏態(tài)。

經(jīng)典信息的傳輸需要借助經(jīng)典信道，而傳統(tǒng)的電力通信多采用光纖網(wǎng)。本文提出將電力通信中的光纖網(wǎng)作為經(jīng)典信道，這樣能夠充分利用現(xiàn)有的資源，節(jié)省了后期投資。電網(wǎng)保護(hù)信號(hào)是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生重大故障時(shí)產(chǎn)生、傳輸?shù)男盘?hào)，也就是一系列經(jīng)典的二進(jìn)制數(shù)。將量子態(tài)表示為經(jīng)典的二進(jìn)制數(shù)是將量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)運(yùn)用到電力通信網(wǎng)的重要步驟之一，采用光的偏振態(tài)表示量子比特，0用水平偏振態(tài)表示；1用垂直偏振態(tài)表示。

2 電網(wǎng)保護(hù)信號(hào)的傳輸要求

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，如果不及時(shí)處理，將會(huì)影響電網(wǎng)的運(yùn)行安全，因此，需要電網(wǎng)能夠及時(shí)、快速和準(zhǔn)確地切除故障，防止造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。電網(wǎng)保護(hù)信號(hào)是電力系統(tǒng)發(fā)生重大故障時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)以及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹匾盘?hào)，它不同于其他信號(hào)，具有以下特點(diǎn)：①當(dāng)電網(wǎng)故障產(chǎn)生時(shí)，保護(hù)信號(hào)能夠快速傳輸并傳遞到鄰近的跳閘器，驅(qū)動(dòng)跳閘器切除故障；②遠(yuǎn)距離高壓輸電線路中存在各類型的電磁干擾，因此，保護(hù)信號(hào)有傳輸距離較遠(yuǎn)、抗干擾能力較強(qiáng)的需求；③故障發(fā)生可能性很小并具有隨機(jī)性，因而產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)的可能性也很小，且信號(hào)也具有隨機(jī)性。

鑒于上述特點(diǎn)，對(duì)通信設(shè)備和線路提出了如下的性能要求[5]。由于電網(wǎng)上傳輸?shù)拇箅娏鞯母邏弘娋哂休^強(qiáng)的電磁場(chǎng)，電網(wǎng)的設(shè)備在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行，這些設(shè)備自身也會(huì)產(chǎn)生電磁信號(hào)干擾其他設(shè)備，所有的這些設(shè)備都要經(jīng)受這些強(qiáng)電磁的干擾，而且信號(hào)的收發(fā)裝置、通信信道等其他電網(wǎng)保護(hù)裝置都要能正常工作，即使附近有很強(qiáng)的雷電，雷電產(chǎn)生的電磁信號(hào)通過(guò)高壓電網(wǎng)進(jìn)入這些裝置中，電網(wǎng)的保護(hù)裝置仍然能夠正常工作。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)生和傳輸保護(hù)信號(hào)的速度要快，特別對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電線路中的通信，只有保護(hù)信號(hào)速度快，才能快速切除故障，保護(hù)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，減小損失。

電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行關(guān)系著整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠工作。在電力通信網(wǎng)絡(luò)中，通信線路的可靠性支撐著整個(gè)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，由故障而產(chǎn)生的保護(hù)信號(hào)需要滿足隨機(jī)性要求，同時(shí)，在傳輸保護(hù)信號(hào)時(shí)也要保證信號(hào)的完整性，傳輸過(guò)程不能因外界的干擾而丟失信號(hào)，接收方在得到保護(hù)信號(hào)時(shí)能夠正常、準(zhǔn)確地進(jìn)行動(dòng)作保護(hù)。

結(jié)合以上分析，改善電網(wǎng)保護(hù)信號(hào)的通信性能可以從增強(qiáng)抗干擾能力、減少保護(hù)信號(hào)的傳輸時(shí)間和提高可靠性方面入手，具體來(lái)說(shuō)，就是在電網(wǎng)中增加抗干擾裝置，減小設(shè)備和環(huán)境中產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)保護(hù)信號(hào)的影響，但是，抗干擾裝置并不能完全有效，額外的抗干擾裝置會(huì)減慢保護(hù)信號(hào)的傳輸速度，甚至?xí)斐杀Ｗo(hù)信號(hào)的丟失，導(dǎo)致接收方不能正確啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。目前，電網(wǎng)保護(hù)信號(hào)的傳輸時(shí)間還不能很好地滿足電網(wǎng)的使用要求，特別是在遠(yuǎn)距離特高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)中，保護(hù)信號(hào)的傳輸時(shí)間明顯不能滿足要求。這就需要研發(fā)新的設(shè)備來(lái)縮短保護(hù)信號(hào)的傳輸時(shí)間，但新的設(shè)備需要分析與保護(hù)信號(hào)的適配性問(wèn)題。為了提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，防止電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)通信線路無(wú)法使用等問(wèn)題，當(dāng)前多采用的方法是架設(shè)多條通信線路和增加多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，以保證當(dāng)通信線路、通信節(jié)點(diǎn)甚至多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)信號(hào)仍然可以傳輸?shù)嚼^電保護(hù)裝置中。在上述影響因素中，大多數(shù)文獻(xiàn)最關(guān)注的是電力通信系統(tǒng)的可靠性[7-8]。

現(xiàn)階段，多使用電力專用光纖網(wǎng)絡(luò)作為高壓輸電的保護(hù)通道。當(dāng)電力通信系統(tǒng)中的通信線路發(fā)生故障或遭到破壞時(shí)，保護(hù)裝置是否動(dòng)作可根據(jù)線路兩端的電氣參數(shù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)判斷，保護(hù)信號(hào)通過(guò)電力光纖保護(hù)通道傳輸?shù)奖Ｗo(hù)裝置處產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，運(yùn)營(yíng)人員在得到信息后可快速處理故障。隨著高壓、特高壓輸電線路的快速發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)提出的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有技術(shù)的電力專用光纖保護(hù)通道已不能滿足電力系統(tǒng)對(duì)保護(hù)通道的更高性能要求。

3 量子遠(yuǎn)程傳態(tài)系統(tǒng)

在通信安全性方面，量子通信技術(shù)與現(xiàn)有的通信技術(shù)相比，它是最安全的。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以量子遠(yuǎn)程傳態(tài)為原理構(gòu)建的通信技術(shù)也會(huì)在可靠性、快速性方面得到進(jìn)一步發(fā)展。在電網(wǎng)中構(gòu)建傳輸保護(hù)信號(hào)的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)系統(tǒng)也要滿足通信系統(tǒng)對(duì)安全性、可靠性和快速性的要求。

圖2 傳輸電力保護(hù)信號(hào)的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)

為了滿足以量子遠(yuǎn)程傳態(tài)為原理構(gòu)建的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)在電網(wǎng)中傳輸保護(hù)信號(hào)的技術(shù)要求，本文根據(jù)電網(wǎng)保護(hù)信號(hào)的特點(diǎn)提出了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)方案。如圖2所示，量子通信終端是通信線路上的信息節(jié)點(diǎn)，具有多通道傳輸?shù)奶匦裕梢詽M足電力通信系統(tǒng)傳輸保護(hù)信號(hào)對(duì)可靠性的要求，并在信息節(jié)點(diǎn)處設(shè)有一套輔助設(shè)備用來(lái)檢測(cè)通信線路上的保護(hù)信號(hào)。

本文構(gòu)建的傳輸電力保護(hù)信號(hào)的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，是以成熟的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)和產(chǎn)品為基礎(chǔ)的。傳統(tǒng)電力通信系統(tǒng)在高壓線路兩端都有專用設(shè)備檢測(cè)和傳遞電網(wǎng)的保護(hù)信號(hào)，本文也在輸電線路兩端設(shè)置了2套相互獨(dú)立的量子通信終端。與傳統(tǒng)方案不同的是，本方案具有較高的可靠性，滿足通信線路或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)仍能完整地將保護(hù)信號(hào)傳輸給量子通信終端相連的繼電保護(hù)裝置，以完成繼電保護(hù)動(dòng)作。量子遠(yuǎn)程傳態(tài)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)一直處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)線路或者設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以做到即時(shí)發(fā)送信號(hào)，滿足保護(hù)信號(hào)的隨機(jī)性要求。

如圖2所示，在本方案的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)處都設(shè)有量子通信終端，該終端中有糾纏源產(chǎn)生裝置不斷產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。由于糾纏光子對(duì)的壽命受到產(chǎn)生裝置和傳遞過(guò)程中環(huán)境等因素的影響，所以，需要不斷補(bǔ)充新的糾纏光子對(duì)，將產(chǎn)生的一個(gè)光子分發(fā)到相鄰的終端，另一個(gè)保存在原有的儲(chǔ)存設(shè)備中。在通信過(guò)程中，要使接收端能接收到保護(hù)信號(hào)，通信線路以及相鄰的量子通信終端中至少需要有數(shù)百對(duì)光子才能保證通信的穩(wěn)定傳輸。高壓輸電線路兩端的護(hù)層保護(hù)器處都設(shè)有量子通信終端，當(dāng)量子通信終端處的設(shè)備檢測(cè)到輸電線路上的故障時(shí)，該系統(tǒng)設(shè)備分析故障后產(chǎn)生經(jīng)典的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備處的光子狀態(tài)進(jìn)行修改并作出相應(yīng)的測(cè)量，將測(cè)量到的經(jīng)典信息通過(guò)電網(wǎng)中的光纖傳給鄰近的量子通信終端，終端再重現(xiàn)初始的光子并復(fù)原原來(lái)的經(jīng)典二進(jìn)制數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作保護(hù)。

在本文的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，由于糾纏源不斷產(chǎn)生光子，因此，需要使用量子存儲(chǔ)器存儲(chǔ)光子。要想把經(jīng)典的二進(jìn)制數(shù)調(diào)制到光子上，需要使用直流偏置電壓和高壓脈沖共同作用在電控雙折射晶體上才可以實(shí)現(xiàn)。調(diào)制后的光子使用單光子探測(cè)器裝置進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)探測(cè)器輸出的電平信號(hào)經(jīng)合適的延遲后進(jìn)入恒比定時(shí)器設(shè)備，采集電路將攜帶信息的光子態(tài)轉(zhuǎn)換為經(jīng)典的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

4 分析

從通信距離角度來(lái)看，高壓輸電線路需要保護(hù)信號(hào)傳輸數(shù)百千米甚至更遠(yuǎn)的距離，而目前的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)通信距離僅可以達(dá)到十幾千米，即便是國(guó)際上最先進(jìn)的量子隱形傳態(tài)技術(shù)，其通信距離也只能達(dá)到一百多千米，這也達(dá)不到現(xiàn)階段電網(wǎng)對(duì)傳輸距離的需求。

本系統(tǒng)的傳輸速度受到電力系統(tǒng)中光纖信道和測(cè)量Bell態(tài)時(shí)可能會(huì)失敗的影響，使得傳輸速度受到一定的限制，因此，現(xiàn)階段傳輸速度還不能到達(dá)理想狀態(tài)。在傳統(tǒng)的電力通信系統(tǒng)中，外界和自身設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)干擾保護(hù)信號(hào)，而本文的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)傳輸經(jīng)典信息也需要借助光纖信道，同樣會(huì)受到磁場(chǎng)的干擾，所以，系統(tǒng)的抗干擾能力并不優(yōu)于傳統(tǒng)的電力通信系統(tǒng)傳輸保護(hù)信號(hào)的抗干擾能力。

從安全性來(lái)看，現(xiàn)階段，量子遠(yuǎn)程傳態(tài)通信系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的電力通信系統(tǒng)。當(dāng)犯罪分子攻擊電網(wǎng)時(shí)，破壞掉的糾纏光子對(duì)可重新分發(fā)，而經(jīng)典信息不含有控制繼電保護(hù)裝置的信息，所以，即使犯罪分子得到信息，也不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成任何危害。

5 結(jié)論

根據(jù)經(jīng)典的量子遠(yuǎn)程傳態(tài)原理，本文研究將量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)運(yùn)用到電力系統(tǒng)中來(lái)傳輸保護(hù)信號(hào)?，F(xiàn)階段，該量子遠(yuǎn)程傳態(tài)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離還不能滿足電力通信系統(tǒng)的要求，還有待進(jìn)一步提高；傳輸保護(hù)信號(hào)的抗干擾能力并不優(yōu)于傳統(tǒng)電力通信系統(tǒng)，但其傳輸保護(hù)信號(hào)的安全性優(yōu)于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)。隨著科技的不斷發(fā)展，用量子遠(yuǎn)程傳態(tài)技術(shù)傳輸保護(hù)信號(hào)的通信系統(tǒng)一定能滿足電力通信系統(tǒng)傳輸保護(hù)信號(hào)的技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］李舒文.多方參與的量子安全通信的一般性協(xié)議設(shè)計(jì)［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2014.

［2］Bennett，C.H.Brassard G，Crepeau C，et al.Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels［J］.Phys Rev Lett，1993，70（13）：1895-1899.

［3］王侃.量子無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京：東南大學(xué)，2016.

［4］夏秀秀，孫啟超.光纖量子隱形傳態(tài)技術(shù)最新進(jìn)展［J］.信息安全研究，2017，3（1）：36-43.

［5］徐妍.智能電網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)保護(hù)新技術(shù)的研究與探討［D］.南京：東南大學(xué)，2015.

［6］劉丹丹，段斌，王俊，等.基于IEC 61850的主動(dòng)配電網(wǎng)故障自恢復(fù)多代理系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（9）：115-126.

［7］熊小伏，吳玲燕，陳星田.滿足廣域保護(hù)通信可靠性和延時(shí)要求的路由選擇方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（3）：44-48.

［8］王曉媛.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的光傳輸設(shè)備可靠性分析［D］.北京：華北電力大學(xué)，2011.