李心宇,王 松,阮黎翔,許 烽
(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014)
21世紀(jì)量子力學(xué)與信息技術(shù)不斷深度融合,利用先進(jìn)的光電子技術(shù)以量子為載體實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息的獲取、處理和傳遞,形成了以量子通信、量子計(jì)算、精密測(cè)量等為代表的量子信息技術(shù)。量子信息技術(shù)在第十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議上被列為關(guān)系國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)網(wǎng)公司也提出要總結(jié)利用量子信息技術(shù),助力新型電力系統(tǒng)建設(shè)。
量子信息技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用探索已經(jīng)取得了一定的研究成果。量子精密測(cè)量方面,基于約瑟夫森效應(yīng)的量子電壓標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了以基本物理常數(shù)表征單位,提升了電壓測(cè)量的準(zhǔn)確度;基于鈣離子光鐘的時(shí)間計(jì)量技術(shù)提升了時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)量值精度,有利于實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)廣域級(jí)聯(lián)保護(hù)技術(shù)[1]。量子計(jì)算方面,丹麥技術(shù)大學(xué)和IBM 公司于2022年首次在真實(shí)量子計(jì)算機(jī)上完成了電網(wǎng)潮流計(jì)算。量子計(jì)算理論上在計(jì)算不確定、大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題時(shí)比經(jīng)典算法有優(yōu)勢(shì),但目前量子計(jì)算機(jī)對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求極為苛刻,硬件、計(jì)算系統(tǒng)也仍未成熟,無(wú)法取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)[2-3]。量子通信方面,在河南開展了輔控系統(tǒng)“量子密鑰+縱密”的有線組網(wǎng)試驗(yàn);在北京完成了國(guó)網(wǎng)公司兩會(huì)視頻直播衛(wèi)星應(yīng)急業(yè)務(wù)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)量子加密傳輸[4];在上海完成了面向能源互聯(lián)網(wǎng)的三表集抄業(yè)務(wù)的量子加密傳輸[5];在天津完成了綜合能源智慧管控系統(tǒng)量子加密傳輸;在杭州完成了G20 保電指揮系統(tǒng)和電纜監(jiān)控系統(tǒng)的量子加密傳輸[6];在紹興、金華、杭州等地的配電網(wǎng)系統(tǒng)中,開展了量子開關(guān)示范工程建設(shè)等。
但在變電站監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域,量子通信技術(shù)的應(yīng)用尚屬空白。當(dāng)前變電站均采用光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式,缺乏靈活性及可拓展性;部分變電站存在受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)限制導(dǎo)致僅有單條通信通道,不滿足“N-1”原則的問(wèn)題;變電站無(wú)線接入設(shè)備在通信過(guò)程中缺乏有效的加密及防護(hù)措施,存在信息被竊取、篡改等生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),在分布式能源廣泛接入的背景下,新型電力系統(tǒng)要求提升電網(wǎng)的信息感知和協(xié)同控制能力,變電站上承各級(jí)調(diào)度,下接源荷儲(chǔ)等各種資源,不僅是電網(wǎng)的能量樞紐,也將是信息樞紐。利用量子通信技術(shù)的安全性和先進(jìn)性[7],有利于提升變電站在未來(lái)電網(wǎng)中的通信安全和信息安全。
基于上述需求背景,本文介紹了量子通信技術(shù)的原理,構(gòu)想了在當(dāng)前及未來(lái)變電站中的應(yīng)用場(chǎng)景,并對(duì)量子通信技術(shù)在變電站領(lǐng)域應(yīng)用面臨的問(wèn)題提出了建議。
量子通信是基于量子力學(xué)中的不確定性、測(cè)量坍縮和不可克隆三大原理,具備竊聽感知能力和無(wú)法被計(jì)算破解的保密通信技術(shù)。量子通信有量子密鑰分發(fā)[8-21]、量子隱形傳態(tài)[22-24]、量子安全直接通信[25-30]等主要研究方向。
量子密鑰分發(fā)是1984年Bennett 與Brassard 提出了經(jīng)典的BB84協(xié)議[8],該協(xié)議是首個(gè)具有竊聽感知能力的密鑰協(xié)商協(xié)議,原理上可實(shí)現(xiàn)“無(wú)條件安全”通信[9]。隨著量子密鑰分發(fā)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用,又出現(xiàn)了E91 協(xié)議[10]、BBM92 協(xié)議[11]、CV-QKD 協(xié)議[12]、DI-QKD 協(xié)議[13]、MDI-QKD協(xié)議[14]等變體協(xié)議,思想原理與BB84協(xié)議相同,意在消除元器件不完美符合理想BB84協(xié)議數(shù)學(xué)模型帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn),提升安全通信距離及安全碼率,提升量子密鑰分發(fā)技術(shù)的可實(shí)施性[15-17]。BB84 協(xié)議密鑰協(xié)商基于單光子的調(diào)制與測(cè)量,量子密鑰分發(fā)技術(shù)通過(guò)量子信道協(xié)商、分發(fā)密鑰,而通信仍依賴于經(jīng)典信道,存在信息攜帶率較低的問(wèn)題,但單光子調(diào)制與測(cè)量的實(shí)現(xiàn)較為容易。目前已有商用產(chǎn)品在金融、電力等行業(yè)開展示范應(yīng)用[18-21]。
量子隱形傳態(tài)方面是1993年由Bennett 與Brassard等人提出的利用糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ欧桨福?2]。2017年,合肥及加拿大卡爾加里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立光源的外場(chǎng)試驗(yàn)[23],但近年在實(shí)驗(yàn)方面未有重大突破。目前,量子隱形傳態(tài)采取的方案是先制備糾纏光子對(duì),信息發(fā)送方(以下稱為“Alice”)將一半糾纏光子序列發(fā)給信息接收方(以下稱為“Bob”),抽取部分光子進(jìn)行測(cè)量用于通信安全判斷。Alice 判斷通信安全后,將需要傳輸?shù)男畔⑴c持有的光子序列進(jìn)行聯(lián)合貝爾基測(cè)量,信息本身利用糾纏效應(yīng)不經(jīng)過(guò)任何信道在聯(lián)合貝爾基測(cè)量瞬時(shí)完成傳輸,但作為密鑰的聯(lián)合貝爾基測(cè)量結(jié)果仍需通過(guò)經(jīng)典信道向Bob發(fā)送,Bob 才能對(duì)持有的光子序列進(jìn)行幺正變換,再作單粒子測(cè)量以提取信息。目前,量子隱形傳態(tài)通信需要產(chǎn)生、分離糾纏光子對(duì),并進(jìn)行光量子存儲(chǔ)、挑選、變換等操作,且聯(lián)合貝爾基測(cè)量較為復(fù)雜,相關(guān)設(shè)備尚未實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破,尚難以滿足工程化應(yīng)用需求[24]。
量子直接安全通信是2000年由龍桂魯和劉曉曙提出的,意在實(shí)現(xiàn)使用量子信道直接傳輸機(jī)密信息[25]。2004年,鄧富國(guó)和龍桂魯提出了基于單光子量子態(tài)序列的量子一次一密直接通信方案DL04協(xié)議[26]。2020年,周瀾等人提出儀器無(wú)關(guān)量子直通協(xié)議[27],從協(xié)議層面消除儀器缺陷引起的漏洞。量子直接安全通信不使用密鑰,光量子由Bob 發(fā)出,通信安全性判斷也由Bob 判斷,Alice通過(guò)對(duì)Bob 發(fā)出的單光子序列進(jìn)行幺正變換實(shí)現(xiàn)機(jī)密信息編碼,發(fā)還給Bob 進(jìn)行信息提取及通信安全性判斷。相比量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)省去了經(jīng)典信道,成碼率、信息攜帶率高,但目前存在對(duì)量子存儲(chǔ)、挑選、處理裝置要求較高的問(wèn)題,還需要采取措施避免傳輸過(guò)程中噪聲造成的誤碼、丟碼,尚無(wú)滿足工程化應(yīng)用的產(chǎn)品[28-30]。
因此,在當(dāng)前技術(shù)條件下,仍僅有量子密鑰分發(fā)技術(shù)在設(shè)備方面達(dá)到了工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。具備推廣應(yīng)用基礎(chǔ),有助于提升變電站通信安全性和接入靈活性。
當(dāng)前電力系統(tǒng)中縱向加密裝置加密通常采用傳統(tǒng)非對(duì)稱密鑰加密技術(shù)(如SM2 算法),其密碼學(xué)上的安全性是由通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的數(shù)學(xué)難題來(lái)保證的,如橢圓曲線等。傳統(tǒng)非對(duì)稱密鑰加密技術(shù)的安全性取決于攻擊算法和算力,當(dāng)開發(fā)出針對(duì)性算法或高算力破解工具,完成對(duì)數(shù)學(xué)難題的破解后,對(duì)應(yīng)算法安全性將受到影響(如RSA 算法),非對(duì)稱密鑰的優(yōu)勢(shì)是在網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景中保證密鑰數(shù)量不會(huì)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),利于密鑰管理和使用。
量子密鑰分發(fā)技術(shù)的核心是由信息發(fā)送方和信息接收方協(xié)商生成真隨機(jī)的密鑰序列,密鑰僅在量子信道上傳輸且具有竊聽感知能力,可保證生成的密鑰未發(fā)生外泄,攻擊者僅可截獲經(jīng)典信道上傳輸?shù)拿芪?,而密文采用等長(zhǎng)真隨機(jī)數(shù)序列加密,攻擊者無(wú)法總結(jié)密鑰生成規(guī)律對(duì)密鑰序列進(jìn)行推斷。不同于賬號(hào)密碼破解,密文無(wú)“登陸成功/失敗”反饋,無(wú)法通過(guò)暴力破解手段解密。量子密鑰分發(fā)技術(shù)在密碼學(xué)上的安全性與攻擊算法、算力無(wú)關(guān),是通過(guò)滿足香儂《通信的數(shù)學(xué)理論》中“無(wú)條件安全通信”條件來(lái)保證的,即:加密密鑰采用真隨機(jī)序列;加密密鑰序列不短于待加密明文;每次通信使用新的密鑰。
量子密鑰分發(fā)技術(shù)通常采用對(duì)稱密鑰加密信息,更適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信場(chǎng)景,若直接用于網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景則可能產(chǎn)生密鑰對(duì)數(shù)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的情況,不利于密鑰管理,需要在量子密鑰基礎(chǔ)上進(jìn)行改良。
量子安全服務(wù)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)技術(shù)工程應(yīng)用的物理設(shè)備,平臺(tái)為通信終端提供密鑰生成、密鑰管理、密鑰分配等服務(wù),根據(jù)密鑰分發(fā)形式不同有以下3種實(shí)現(xiàn)方案[31-32]。
1)經(jīng)典有線分發(fā)型
經(jīng)典有線分發(fā)型將量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)分別部署在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信接收端及發(fā)送端(定義匯集端為“接收端”,另一端為“發(fā)送端”),兩端用光纖連接,用以傳輸光量子并生成量子密鑰。需要建立通信時(shí),通過(guò)解密設(shè)備向平臺(tái)申請(qǐng)量子密鑰,密鑰服務(wù)器將生成的量子密鑰通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給加解密設(shè)備,再由兩端加解密設(shè)備應(yīng)用密鑰完成加密通信。其優(yōu)勢(shì)是密鑰產(chǎn)生、分發(fā)、應(yīng)用過(guò)程滿足香儂的無(wú)條件安全理論,存在的問(wèn)題是需要在通信的兩端間敷設(shè)有線光纖通道,難以適用于大規(guī)模終端間的通信場(chǎng)景。經(jīng)典有線分發(fā)型系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 經(jīng)典有線分發(fā)型系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of traditional wired distribution system
2)充注無(wú)線分發(fā)型
充注無(wú)線分發(fā)型將量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)完全部署在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收端,平臺(tái)使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成兩組隨機(jī)數(shù)密鑰,通過(guò)密碼交換機(jī)、密鑰充注服務(wù)器將隨機(jī)數(shù)密鑰轉(zhuǎn)移至介質(zhì)(U盤、TF卡等)中,由人工方式將介質(zhì)插入發(fā)送端量子加密終端。使用隨機(jī)數(shù)密鑰對(duì)實(shí)時(shí)生成的量子密鑰進(jìn)行加密后通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)進(jìn)行量子密鑰分發(fā),發(fā)送端量子加密終端接收量子密鑰后使用量子密鑰對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,與接收端量子安全網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。其優(yōu)勢(shì)是密鑰分發(fā)不再依賴于有線傳輸,可節(jié)省有線信道的敷設(shè)、維護(hù)成本,但存在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)未發(fā)揮作用、充注密鑰介質(zhì)轉(zhuǎn)移過(guò)程存在安全風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題,需要配合完善充注密鑰介質(zhì)轉(zhuǎn)移過(guò)程中的人員管控。充注無(wú)線分發(fā)型系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 充注無(wú)線分發(fā)型系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of rechargeable wireless distribution system
3)星-地?zé)o線分發(fā)型
星-地?zé)o線分發(fā)型將量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)部署在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收端及發(fā)送端,兩端用量子通信衛(wèi)星連接,用自由空間信道傳輸光量子并協(xié)商生成量子密鑰,密鑰服務(wù)器將生成的量子密鑰通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給兩端加解密設(shè)備。其優(yōu)勢(shì)是密鑰產(chǎn)生、分發(fā)、應(yīng)用過(guò)程滿足“無(wú)條件安全通信”條件,且脫離物理光纖網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)。存在的問(wèn)題是當(dāng)前量子通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)尚未建立,尚無(wú)法適應(yīng)主廠站全天候?qū)崟r(shí)通信需求。星-地?zé)o線分發(fā)型系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。
圖3 星-地分發(fā)型系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Satellite-to-ground quantum key distribution system
綜上所述,經(jīng)典有線分發(fā)方式與充注無(wú)線分發(fā)方式在理論上均具有較高的安全性,具備技術(shù)可行性和工程實(shí)施的基礎(chǔ),在需要無(wú)線通信的場(chǎng)景下適合使用充注無(wú)線分發(fā)型,在加強(qiáng)已有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的場(chǎng)景下適合使用經(jīng)典有線分發(fā)型。但目前相關(guān)量子通信設(shè)備尚無(wú)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)與認(rèn)定,不能定義設(shè)備本身防護(hù)等級(jí),工程實(shí)施需要考慮網(wǎng)絡(luò)安全管理要求。同時(shí),需要在量子實(shí)驗(yàn)室、示范工程中驗(yàn)證量子保密通信技術(shù)對(duì)變電站業(yè)務(wù)通信實(shí)時(shí)性和可靠性的影響。
當(dāng)前,量子通信技術(shù)以量子隨機(jī)密鑰生成及應(yīng)用為核心,有助于提升無(wú)線及有線通信的安全性,未來(lái)在變電站領(lǐng)域的應(yīng)用有以下幾個(gè)方向:
1)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)縱密融合提升。將量子密鑰與縱向加密裝置融合,利用已有光纖通道和量子密鑰分發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)縱向加密裝置證書及公私鑰在線更新,提升基于非對(duì)稱公私鑰體系的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全。
2)關(guān)鍵變電站應(yīng)急通信備用通道。構(gòu)建基于量子密鑰加密的公網(wǎng)無(wú)線通信架構(gòu),采用站內(nèi)組屏或可移動(dòng)設(shè)備的形式形成公網(wǎng)無(wú)線應(yīng)急備用通道,在因外部因素致使光纜外破失去對(duì)關(guān)鍵變電站監(jiān)視后,可使用無(wú)線應(yīng)急備用通道快速恢復(fù)與主站通信,與光纜通道故障定位、修復(fù)工作解耦。
3)偏遠(yuǎn)海島變電站通信補(bǔ)強(qiáng)。偏遠(yuǎn)海島變電站通信光纜與電纜同通道架設(shè),與主站單通道通信,不滿足N-1 要求,可能因?yàn)楹@|斷線導(dǎo)致失去對(duì)海島變電站的監(jiān)視與控制,可采用站內(nèi)組屏的形式形成公網(wǎng)無(wú)線通信通道,提升海島變電站通信的可靠性。
4)基建站調(diào)試通道快速建立。在新建變電站建設(shè)過(guò)程中,通信光纜隨輸電線路架設(shè),建設(shè)周期長(zhǎng),往往會(huì)出現(xiàn)主廠站通信調(diào)試與光纜建設(shè)時(shí)間不匹配,影響調(diào)試計(jì)劃或需要架設(shè)臨時(shí)光纜用于調(diào)試的情況,增加了工程復(fù)雜性,可采用可移動(dòng)設(shè)備的形式形成公網(wǎng)無(wú)線通信通道,提升主、廠站間通信調(diào)試的自主性、靈活性,簡(jiǎn)化基建工作流程。
5)站內(nèi)輔控?zé)o線通信設(shè)備安全提升。當(dāng)前變電站內(nèi)采用常規(guī)無(wú)線通信的設(shè)備,如巡視機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等,存在信息外泄及入侵風(fēng)險(xiǎn),可采用增加量子加密設(shè)備的形式,對(duì)無(wú)線通信設(shè)備控制命令及回傳信息進(jìn)行加密,提升輔控設(shè)備無(wú)線通信安全性。
量子通信技術(shù)在變電站領(lǐng)域的應(yīng)用符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略、新型電力系統(tǒng)建設(shè)和變電站業(yè)務(wù)發(fā)展轉(zhuǎn)型需求,有理論可行性和良好的發(fā)展前景。本文概述了主流量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,介紹了量子密鑰分發(fā)技術(shù),設(shè)計(jì)了應(yīng)用場(chǎng)景,為量子通信技術(shù)變電站應(yīng)用提供參考。但在量子通信技術(shù)變電站工程實(shí)施中,尚有以下幾個(gè)問(wèn)題有待解決:
1)技術(shù)推廣應(yīng)用有待國(guó)家政府層面的管理規(guī)定進(jìn)一步跟進(jìn)。目前電力系統(tǒng)對(duì)于無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)安全要求基于2014年發(fā)改委發(fā)文,屬于國(guó)家政府層面強(qiáng)制性規(guī)定,由國(guó)家能源局及其派出機(jī)構(gòu)監(jiān)督執(zhí)行,其中要求無(wú)線通信在主、廠站間通信領(lǐng)域的應(yīng)用必須增加無(wú)線接入?yún)^(qū)及橫向單向安全隔離裝置等設(shè)備,雖然利用量子通信技術(shù)在通道建立的靈活性上有所提高,但由于增加了設(shè)備成本,增大了通信時(shí)延,技術(shù)優(yōu)勢(shì)難以完全發(fā)揮,應(yīng)用收效有限,有待國(guó)家層面對(duì)新技術(shù)、新形勢(shì)進(jìn)行研判。
2)量子通信相關(guān)設(shè)備有待評(píng)審認(rèn)定。基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)的加密體系相對(duì)于國(guó)網(wǎng)公司已有網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證加密技術(shù)體系,在會(huì)話密鑰生成方面的安全性有所增強(qiáng)但平臺(tái)、加密網(wǎng)關(guān)、加密終端及整體安全防護(hù)架構(gòu)尚未經(jīng)國(guó)家權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)及電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全委員會(huì)評(píng)審認(rèn)定,且尚不滿足電力系統(tǒng)對(duì)邊界防護(hù)設(shè)備的功能要求,有待進(jìn)一步完善相關(guān)功能,聯(lián)合國(guó)家權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)及相關(guān)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開展檢測(cè),完成與現(xiàn)有邊界防護(hù)設(shè)備的融合或形成替代現(xiàn)有邊界防護(hù)設(shè)備的產(chǎn)品。
3)量子通信相關(guān)運(yùn)行管理制度有待配套完善。量子通信技術(shù)在現(xiàn)有網(wǎng)安架構(gòu)基礎(chǔ)上增加了量子安全服務(wù)平臺(tái)相關(guān)設(shè)備,需要進(jìn)行平臺(tái)部署、主廠站量子密鑰分發(fā)、站內(nèi)認(rèn)證加密機(jī)制應(yīng)用以及密鑰全壽命周期管理。涉及到平臺(tái)、設(shè)備、證書、密鑰的建設(shè)管理和運(yùn)維管理,需完善相關(guān)管理辦法和實(shí)施細(xì)則,保障量子通信技術(shù)在變電站實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的有效實(shí)施。
4)量子通信實(shí)施方案在變電站領(lǐng)域乃至電力系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)需作適應(yīng)性改造。電力系統(tǒng)已有一套行之有效的網(wǎng)絡(luò)安全管控環(huán)境,量子通信技術(shù)工程實(shí)施時(shí)應(yīng)加以利用,力求在滿足業(yè)務(wù)需求的前提下盡可能提升資金利用效率和通信效率。如:無(wú)線通信加密算法有待進(jìn)一步研究,當(dāng)前量子通信產(chǎn)品對(duì)于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無(wú)線通信加密采用的是無(wú)線通信國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)SM4 算法時(shí),理論通信效率較低,有必要結(jié)合加密強(qiáng)度對(duì)加密算法進(jìn)行優(yōu)化;現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)備組成存在未起作用部分,需要能夠結(jié)合應(yīng)用需求改變?cè)O(shè)備組成方案。