传输电网保护信号的量子远程传态系统＊

卢利锋，李同智，陈 平，朱向冰

（1.全球能源互联网研究院有限公司，北京 102211；2.国网北京市电力公司，北京 100031；3.安徽师范大学物理系，安徽 芜湖 241002）

量子远程传态作为一种难以比拟的通信技术，受到了国内外科学家的广泛关注。为了适应我国社会、经济的快速稳定发展，国家提出了一系列的相关政策[1]，这推动了量子远程传态技术从理论研究到实践的跨越，并让我国在一些方面处于世界领先水平。现阶段，量子远程传态多用于国家安全领域和金融安全通信领域。为了拓宽量子远程传态的应用范围，本文介绍了量子远程传态技术的原理，并首次提出将此技术运用到电力通信领域，分析传统电力通信系统的缺陷，探讨在电力通信系统中运用量子远程传态技术的可行性。

1 量子远程传态技术

1993年，Bennett等人发表的关于EPR的论文[2]首次提出了量子远程传态的理论，并于1997年验证了量子远程传态的可行性。其基本原理是，利用纠缠光子对的远程关联实现对量子态信息的传递。与传统通信不同的是，使用该技术，接收方需要得到发送方的经典信息和量子信息才能完成量子远程传态，也就是以纠缠光子对作为信息的载体，以纠缠光子对作为量子信道。而经典信息则通过传统的方式传输，实现信息的编码、传输和解调过程。

在量子远程传态中，习惯上称发送者是Alice，接受者是Bob。图1为量子远程传态的原理示意图，发送方的一个光子（标记为1），光子1处于量子态光子1的量子态表征了要传输的信息。

量子态的远程传输过程可简单叙述如下：①由EPR纠缠源制备一个纠缠光子对（光子2和3），它们处于纠缠态②如图1所示，EPR产生的纠缠光子对2和3通过自由空间或光纤分发到Alice和Bob手中；③Alice对光子1和2进行Bell态测量，并将测量后的经典信息通过经典信道传输给Bob，Bob得到经典信息对光子3进行某种操作就可以重现光子1的量子态[3]。

图1 量子远程传态示意图

根据上述量子远程传态理论知识可知，使用量子远程传态技术需要制备纠缠光子对2和3，并对光子1和2进行Bell态测量，把测量后的经典信息通过经典信道传送给Bob。也就是说，量子远程传态技术需要制备纠缠源、有相应的光子1和2的测量方法以及将量子态表示为经典的二进制数的技术。本文使用安徽问天科技有限公司生产的BBO纠缠源，该产品能产生较为理想的纠缠光子对。目前，测量纠缠态的方法有很多种，本文使用文献[4]测量纠缠态的方法，即采用超导纳米线单光子探测器来测量纠缠态。

经典信息的传输需要借助经典信道，而传统的电力通信多采用光纤网。本文提出将电力通信中的光纤网作为经典信道，这样能够充分利用现有的资源，节省了后期投资。电网保护信号是当电力系统发生重大故障时产生、传输的信号，也就是一系列经典的二进制数。将量子态表示为经典的二进制数是将量子远程传态技术运用到电力通信网的重要步骤之一，采用光的偏振态表示量子比特，0用水平偏振态表示；1用垂直偏振态表示。

2 电网保护信号的传输要求

当电网发生事故时，如果不及时处理，将会影响电网的运行安全，因此，需要电网能够及时、快速和准确地切除故障，防止造成更大的经济损失。电网保护信号是电力系统发生重大故障时所产生的信号以及远距离传输的重要信号，它不同于其他信号，具有以下特点：①当电网故障产生时，保护信号能够快速传输并传递到邻近的跳闸器，驱动跳闸器切除故障；②远距离高压输电线路中存在各类型的电磁干扰，因此，保护信号有传输距离较远、抗干扰能力较强的需求；③故障发生可能性很小并具有随机性，因而产生保护信号的可能性也很小，且信号也具有随机性。

鉴于上述特点，对通信设备和线路提出了如下的性能要求[5]。由于电网上传输的大电流的高压电具有较强的电磁场，电网的设备在强电磁场环境运行，这些设备自身也会产生电磁信号干扰其他设备，所有的这些设备都要经受这些强电磁的干扰，而且信号的收发装置、通信信道等其他电网保护装置都要能正常工作，即使附近有很强的雷电，雷电产生的电磁信号通过高压电网进入这些装置中，电网的保护装置仍然能够正常工作。

当电网发生故障时，产生和传输保护信号的速度要快，特别对于远距离输电线路中的通信，只有保护信号速度快，才能快速切除故障，保护电网的安全、稳定运行，减小损失。

电力通信网络的可靠运行关系着整个电力系统的可靠工作。在电力通信网络中，通信线路的可靠性支撑着整个电网的可靠运行，由故障而产生的保护信号需要满足随机性要求，同时，在传输保护信号时也要保证信号的完整性，传输过程不能因外界的干扰而丢失信号，接收方在得到保护信号时能够正常、准确地进行动作保护。

结合以上分析，改善电网保护信号的通信性能可以从增强抗干扰能力、减少保护信号的传输时间和提高可靠性方面入手，具体来说，就是在电网中增加抗干扰装置，减小设备和环境中产生的电磁干扰对保护信号的影响，但是，抗干扰装置并不能完全有效，额外的抗干扰装置会减慢保护信号的传输速度，甚至会造成保护信号的丢失，导致接收方不能正确启动保护动作。目前，电网保护信号的传输时间还不能很好地满足电网的使用要求，特别是在远距离特高压直流输电网络中，保护信号的传输时间明显不能满足要求。这就需要研发新的设备来缩短保护信号的传输时间，但新的设备需要分析与保护信号的适配性问题。为了提高电网运行的可靠性，防止电网发生故障时通信线路无法使用等问题，当前多采用的方法是架设多条通信线路和增加多个通信节点，以保证当通信线路、通信节点甚至多个节点发生故障时保护信号仍然可以传输到继电保护装置中。在上述影响因素中，大多数文献最关注的是电力通信系统的可靠性[7-8]。

现阶段，多使用电力专用光纤网络作为高压输电的保护通道。当电力通信系统中的通信线路发生故障或遭到破坏时，保护装置是否动作可根据线路两端的电气参数和相应的数据来判断，保护信号通过电力光纤保护通道传输到保护装置处产生保护动作，运营人员在得到信息后可快速处理故障。随着高压、特高压输电线路的快速发展，对电力系统提出的要求越来越高，现有技术的电力专用光纤保护通道已不能满足电力系统对保护通道的更高性能要求。

3 量子远程传态系统

在通信安全性方面，量子通信技术与现有的通信技术相比，它是最安全的。随着科学技术的进步，以量子远程传态为原理构建的通信技术也会在可靠性、快速性方面得到进一步发展。在电网中构建传输保护信号的量子远程传态系统也要满足通信系统对安全性、可靠性和快速性的要求。

图2 传输电力保护信号的量子远程传态网络

为了满足以量子远程传态为原理构建的量子远程传态网络在电网中传输保护信号的技术要求，本文根据电网保护信号的特点提出了一种环形结构方案。如图2所示，量子通信终端是通信线路上的信息节点，具有多通道传输的特性，可以满足电力通信系统传输保护信号对可靠性的要求，并在信息节点处设有一套辅助设备用来检测通信线路上的保护信号。

本文构建的传输电力保护信号的量子远程传态环形网络，是以成熟的量子远程传态技术和产品为基础的。传统电力通信系统在高压线路两端都有专用设备检测和传递电网的保护信号，本文也在输电线路两端设置了2套相互独立的量子通信终端。与传统方案不同的是，本方案具有较高的可靠性，满足通信线路或设备发生故障时仍能完整地将保护信号传输给量子通信终端相连的继电保护装置，以完成继电保护动作。量子远程传态环形网络一直处于待机状态，当线路或者设备发生故障时，可以做到即时发送信号，满足保护信号的随机性要求。

如图2所示，在本方案的量子远程传态环形网络中，每个通信节点处都设有量子通信终端，该终端中有纠缠源产生装置不断产生纠缠光子对。由于纠缠光子对的寿命受到产生装置和传递过程中环境等因素的影响，所以，需要不断补充新的纠缠光子对，将产生的一个光子分发到相邻的终端，另一个保存在原有的储存设备中。在通信过程中，要使接收端能接收到保护信号，通信线路以及相邻的量子通信终端中至少需要有数百对光子才能保证通信的稳定传输。高压输电线路两端的护层保护器处都设有量子通信终端，当量子通信终端处的设备检测到输电线路上的故障时，该系统设备分析故障后产生经典的二进制数据，根据得到的二进制数据对系统设备处的光子状态进行修改并作出相应的测量，将测量到的经典信息通过电网中的光纤传给邻近的量子通信终端，终端再重现初始的光子并复原原来的经典二进制数据，从而实现继电保护装置动作保护。

在本文的量子远程传态环形网络中，由于纠缠源不断产生光子，因此，需要使用量子存储器存储光子。要想把经典的二进制数调制到光子上，需要使用直流偏置电压和高压脉冲共同作用在电控双折射晶体上才可以实现。调制后的光子使用单光子探测器装置进行探测，根据探测器输出的电平信号经合适的延迟后进入恒比定时器设备，采集电路将携带信息的光子态转换为经典的二进制数据。

4 分析

从通信距离角度来看，高压输电线路需要保护信号传输数百千米甚至更远的距离，而目前的量子远程传态网络通信距离仅可以达到十几千米，即便是国际上最先进的量子隐形传态技术，其通信距离也只能达到一百多千米，这也达不到现阶段电网对传输距离的需求。

本系统的传输速度受到电力系统中光纤信道和测量Bell态时可能会失败的影响，使得传输速度受到一定的限制，因此，现阶段传输速度还不能到达理想状态。在传统的电力通信系统中，外界和自身设备产生的电磁场会干扰保护信号，而本文的量子远程传态网络传输经典信息也需要借助光纤信道，同样会受到磁场的干扰，所以，系统的抗干扰能力并不优于传统的电力通信系统传输保护信号的抗干扰能力。

从安全性来看，现阶段，量子远程传态通信系统优于传统的电力通信系统。当犯罪分子攻击电网时，破坏掉的纠缠光子对可重新分发，而经典信息不含有控制继电保护装置的信息，所以，即使犯罪分子得到信息，也不会对电网造成任何危害。

5 结论

根据经典的量子远程传态原理，本文研究将量子远程传态技术运用到电力系统中来传输保护信号。现阶段，该量子远程传态环形网络的传输距离还不能满足电力通信系统的要求，还有待进一步提高；传输保护信号的抗干扰能力并不优于传统电力通信系统，但其传输保护信号的安全性优于现有的通信系统。随着科技的不断发展，用量子远程传态技术传输保护信号的通信系统一定能满足电力通信系统传输保护信号的技术要求。

参考文献：

［1］李舒文.多方参与的量子安全通信的一般性协议设计［D］.苏州：苏州大学，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.量子无线多跳网络关键技术研究［D］.南京：东南大学，2016.

［4］夏秀秀，孙启超.光纤量子隐形传态技术最新进展［J］.信息安全研究，2017，3（1）：36-43.

［5］徐妍.智能电网环境下电力系统保护新技术的研究与探讨［D］.南京：东南大学，2015.

［6］刘丹丹，段斌，王俊，等.基于IEC 61850的主动配电网故障自恢复多代理系统［J］.电力系统自动化，2015，39（9）：115-126.

［7］熊小伏，吴玲燕，陈星田.满足广域保护通信可靠性和延时要求的路由选择方法［J］.电力系统自动化，2011，35（3）：44-48.

［8］王晓媛.基于贝叶斯网络的光传输设备可靠性分析［D］.北京：华北电力大学，2011.