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        量子通信技術(shù)在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2018-07-04 08:00:08金歆怡石天宇陸佩順
        電力與能源 2018年3期
        關(guān)鍵詞:密鑰量子信道

        陳 涵,雷 興,金歆怡,石天宇,李 文,陸佩順

        (國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司,上海 201204)

        電力通信網(wǎng)是依托電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)架設(shè)的專線網(wǎng),隨著輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴大,其面臨的安全風(fēng)險也顯著增加。光纖是通信的主要媒介,光纖竊聽技術(shù)的快速發(fā)展嚴重危害了電力系統(tǒng)的通信安全。電力系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)建立了“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認證”的防衛(wèi)體系,但現(xiàn)行的安全手段僅在信息保密方面有成效,但在安全技術(shù)策略的基礎(chǔ)架構(gòu)及自適應(yīng)方面存在明顯局限性[1]。因此,安全可靠的通信保密技術(shù)越來越受到重視。

        量子通信技術(shù)在原理上被證明是一種安全可靠的加密通信手段。與傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡(luò)對比,量子密鑰技術(shù)在通信網(wǎng)中具有明顯的優(yōu)勢,已在“京滬干線”示范項目上成功運行。本文通過對量子通信技術(shù)的簡要介紹,論述量子密鑰在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性,提出針對220 kV輸電線路的量子密鑰的通信結(jié)構(gòu)。

        1 量子通信介紹

        1.1 量子通信的基本假設(shè)

        量子力學(xué)是研究微觀粒子系統(tǒng)運動變化規(guī)律的理論。它的全部內(nèi)容可從少數(shù)幾個基本原理出發(fā),用邏輯推理的方法推演,這些原理大致歸納為五個基本假設(shè)[2]。

        (1)在微觀體系中,物質(zhì)的狀態(tài)可以用Hilbert空間的一個態(tài)矢量來描述。

        (2)在微觀量子系統(tǒng)中每個力學(xué)量對應(yīng)Hilbert空間中的一個線性厄米算符,力學(xué)量的取值是相應(yīng)算符的本征值。

        (3)微觀系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間演化的動力學(xué)方程為

        (1)

        (5)在微觀量子系統(tǒng)中對于量子的態(tài)矢量,任意兩個粒子進行交換,則它們的態(tài)矢量是對稱或反對稱的。

        1.2 量子態(tài)疊加原理

        疊加原理基本內(nèi)容:如果|ψ1(t)>,|ψ2(t)>,|ψ3(t)>,…,|ψn(t)>是量子系統(tǒng)可能的態(tài),那么它們的任意線性疊加態(tài)為

        (2)

        1.3 量子通信的優(yōu)勢

        與傳統(tǒng)通信方式相比,量子通信具有時效性高、抗干擾能力強、隱蔽性好、信噪比低等優(yōu)勢[3]。在電力行業(yè),量子通信作為保障行業(yè)信息安全的有效裝備,已在國家電力信息系統(tǒng)建設(shè)的“十二五”規(guī)劃中被列入[4]。

        1.4 量子通信的方式

        構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元是量子,具有不可分割性[5]。通常意義上說的量子通信,就是量子態(tài)物質(zhì)通過位移將信息傳送出去,主要有量子隱形傳送和量子密鑰分配兩種方式,如圖1所示。

        圖1 量子通信的分類

        1.5 量子通信的特征

        當(dāng)前較廣泛采用的量子通信技術(shù)主要是基于量子密鑰分配方案(Quantum Key Distribution,簡稱QKD),此方案通過量子態(tài)形成經(jīng)典信道的密鑰,通過密鑰對需傳送的信息進行加密處理[6]。量子密鑰僅在發(fā)送和接受信息之前進行加密處理,數(shù)據(jù)和信息通過密鑰進行處理后產(chǎn)生密文,再通過經(jīng)典信道傳輸。因此,量子密鑰技術(shù)只在信息保密方面具有優(yōu)越性,在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)并無本質(zhì)不同。

        2 量子密鑰分配方案

        2.1 系統(tǒng)基本組成

        依據(jù)不同的信號源,可將QKD方案分為:基于單量子的QKD方案;基于量子糾纏對的QKD方案;基于單量子和量子糾纏對的混合QKD方案。

        三類不同量子密鑰分配比較如表1所示。

        表1 三類不同量子密鑰分配比較

        典型的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)由量子密鑰的生成與控制系統(tǒng)、交換機、通信信道和量子密鑰終端等組成[7]。

        通信信道中既有量子信道,也有經(jīng)典信道,如圖2所示。其中,密鑰生成控制系統(tǒng)通過對QKD終端設(shè)備的控制,完成量子密鑰的分發(fā)過程;量子密鑰的生成和接收的過程是由QKD終端來實現(xiàn)的。

        圖2 QKD系統(tǒng)基本組成

        2.2 實現(xiàn)方式

        QKD網(wǎng)絡(luò)具有傳統(tǒng)光切換網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)典可信中繼節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)、量子中繼的網(wǎng)絡(luò)三種實現(xiàn)方式,如表2所示。

        表2 三類QKD網(wǎng)絡(luò)形式的比較

        傳統(tǒng)光切換技術(shù)應(yīng)用較早也較為廣泛,如美國的DARPA量子通信網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)典可信中繼節(jié)點的典型網(wǎng)絡(luò)有瑞士SECONQC QKD網(wǎng)絡(luò)和日本Tokyo QKD網(wǎng)絡(luò)等。目前量子中繼的網(wǎng)絡(luò)還處于研究階段。

        基于量子中繼的網(wǎng)絡(luò)由于以下難點而影響后續(xù)的深入研究:存儲器還不能有效地在量子密鑰中應(yīng)用;量子糾纏是指僅在全部純化均成功情況下,量子密鑰才算作一次成功通信,然而成功率會隨著時間持續(xù)地衰減[8]。

        2.3 基于BB84協(xié)議的量子密碼通信

        BB84是一種單量子的量子密鑰分配方案,也是公認的最成熟并且應(yīng)用最廣泛的量子密鑰分配協(xié)議。

        基于BB84協(xié)議的量子密碼通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

        圖3 基于BB84協(xié)議的量子密碼通信系統(tǒng)

        該方案通過量子信道傳送密鑰,通過量子的相位、極化方向或者頻率等物理量攜帶量子密鑰信息。由量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理可知,量子在狀態(tài)穩(wěn)定的情況下,外界也無法測得量子動量;在極限確定時間的情況下,量子的能量不斷改變,無法獲取準(zhǔn)確的量子信息,從而使得量子在信道中傳輸?shù)男畔⒉豢赡鼙桓`聽、截獲或復(fù)制。因此,該方案具備絕對的安全性、可靠性。

        3 基于QKD的典型應(yīng)用

        3.1 通信數(shù)據(jù)傳輸保護

        以國網(wǎng)上海檢修公司為例,公司所管轄范圍為220 kV及以上的變電站和輸電線路,所涉及運行中的通信數(shù)據(jù)有保護和測控兩類,如圖4所示。

        圖4 某220 kV線路傳統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖

        電力企業(yè)管理信息,如郵件系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)等對企業(yè)的安全有重大影響。這些信息的外泄對系統(tǒng)的安全有著重大隱患,因而通過量子密鑰技術(shù)的應(yīng)用可以有效保障電力企業(yè)管理信息的安全傳輸。

        電力系統(tǒng)中保護、測控、調(diào)度等信息對電網(wǎng)的安全生產(chǎn)有著重大影響。這些信息若被竊取或篡改,則可能導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)安全隱患,嚴重的會造成局部甚至整體的癱瘓。通過量子密鑰技術(shù)與傳統(tǒng)電力通信的結(jié)合,可以實現(xiàn)對電力信息的數(shù)據(jù)加密,提高傳輸?shù)陌踩?,為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供更多一層保障。

        在保護方面,線路縱聯(lián)差動保護需線路兩側(cè)及時、有效的通信,在一次發(fā)送動作信號時對側(cè)可靠跳閘。若通道發(fā)生故障或者遭到破壞,則會在故障時無法及時切除故障點,造成事故范圍擴大。在測控方面,站內(nèi)遙測和遙信量則會通過站內(nèi)光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)光通道傳送至中心站和市調(diào)度中心,若信道遭到破壞,數(shù)據(jù)被竊取或篡改,則會嚴重危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,運行人員無法獲取準(zhǔn)確的實時運行工況。

        通過量子加密技術(shù)實現(xiàn)的輸電線路通信結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        圖5 某220 kV線路應(yīng)用量子加密技術(shù)通信結(jié)構(gòu)圖

        3.2 備份數(shù)據(jù)鏈路

        隨著電網(wǎng)信息化程度的日益提高,電網(wǎng)企業(yè)面臨的安全隱患也越來越多,也就更迫切地需要在電力系統(tǒng)中應(yīng)用更安全的通信技術(shù),量子通信技術(shù)有效解決了這一問題,保證了電力系統(tǒng)在通信過程中的安全性。近年來,全國各地陸續(xù)建立全新的調(diào)度調(diào)控系統(tǒng),也建立了防止數(shù)據(jù)丟失的易災(zāi)中心。

        3.3 加密通信網(wǎng)

        電力系統(tǒng)時刻都在進行著信息傳輸,同時也時刻都有遭遇黑客攻擊的風(fēng)險,造成重要機密外泄,影響社會的穩(wěn)定。

        傳統(tǒng)的防火墻技術(shù)已經(jīng)無法滿足通信安全的需要,只有通過量子通信技術(shù)建立的機密通信網(wǎng),才能對網(wǎng)絡(luò)中任意兩個用戶間的通信建立密鑰分發(fā),保證電力系統(tǒng)生產(chǎn)、營銷、辦公等信息的安全傳送。

        3.4 應(yīng)急通信通道

        在發(fā)生各類災(zāi)害造成電力通信網(wǎng)癱瘓的狀況下,若無法及時搶修,則會嚴重影響災(zāi)害救援行動的進度。

        量子隱形傳態(tài)技術(shù)的迅速發(fā)展,為一項新的量子衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立提供了可能,這能夠給予電力系統(tǒng)通信的穩(wěn)定和可靠提供更多一層的保障。

        4 結(jié)語

        安全可靠的電力通信對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著關(guān)鍵作用,是未來智能電網(wǎng)的基石。本文從電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性特點出發(fā),給出了QKD系統(tǒng)模型與原理圖,并針對輸電系統(tǒng)的通信內(nèi)容,提出了相應(yīng)的應(yīng)用方案。

        基于光纖通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)量子密鑰分配技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò),已具有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)條件,但距離大規(guī)模實用化還有許多需要改進和完善之處,比如相關(guān)通信接口的制定、量子密鑰獲取方式的選擇等,但是量子通信技術(shù)在電力通信網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的前景值得期待。

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