CN102723947B - 基于量子物理应用于电力系统的变速真随机源逻辑电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于量子物理应用于电力系统的变速真随机源逻辑电路，包括依次连接的单光子源、单光子探测器和随机源输出单元。本发明提供的基于量子物理应用于电力系统的变速真随机源逻辑电路，能抵御电力复杂电磁环境的影响，实现真随机源工作状态的动态自动调整，满足了电力生产控制类和管理类业务的需求，为智能电网的建设和运行维护提供技术保障。
Description
技术领域
本发明属于智能电网领域，具体涉及一种基于量子物理应用于电力系统的变速真随机源逻辑电路。
背景技术
随机源在数值计算、Monte Carlo模拟、随机抽样、预测、检测、密码学、通信安全和信息安全等方面发挥着重要作用，在电网的分析、仿真、建模、预测预报、监测与检测、运维和控制、加密及防灾减灾等很多领域有着重要的应用。
利用数学方法通过计算机算法产生的随机源，其随机序列输出能够预测，所以称为伪随机数发生器(Pseudo-Random Number Generator，PRNG)。选取真实世界随机性，利用物理方法产生的随机源，其随机序列输出不可预测(即随机不确定性，具有不可预知性)、不能重复产生(即非周期性)，所以称为真随机数发生器(True Random Number Generator，TRNG)。
很多应用领域对真随机源提出了越来越多的需求，真随机源成为国内外的研究热点。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明提供了一种基于量子物理应用于电力系统的变速真随机源逻辑电路，以光子为光量子，来产生真随机源，并通过逻辑电路消除多光子和噪声，用跨时钟域缓存技术，以电信号的形式输出可变速率的真随机源。满足电力生产控制类和管理类业务的需求，为智能电网的建设和运行维护提供技术保障。
为实现上述目的，本发明提供一种基于量子物理应用于电力系统的变速真随机源逻辑电路，其改进之处在于，所述电路包括依次连接的单光子源、单光子探测器和随机源输出单元；输出的真随机信号最大码速率为f，可控制输出的真随机信号码速率范围是0到f。
本发明提供的优选技术方案中，所述单光子源包括：脉冲激光器(1)、45°起偏器(2)、90/10光分束器(3)、光延时线(5)、光功率计及处理逻辑模块(4)、可调光衰减器(6)和同步信号源(16)；所述脉冲激光器(1)输出脉冲激光，经过所述45°起偏器(2)，将脉冲激光偏振化为线偏振光子源传输至所述90/10光分束器(3)，所述90/10光分束器(3)将线偏振光子源分为2束，将其中的90％给所述光功率计及处理逻辑模块(4)，10％给所述光延时线(5)；所述光功率计及处理逻辑模块(4)，将光信号转变为电信号，作为粗调控制信号，控制所述可调光衰减器(6)；微调控制逻辑模块(26)发出控制信号，控制所述可调光衰减器(6)；可调光衰减器对所述光延时线(5)发出的光信号进行衰减并输出单光子的光脉冲；所述同步信号源(16)输出同步信号源时钟给所述脉冲激光器(1)和所述单光子探测器。
本发明提供的第二优选技术方案中，所述光延时线(5)的延时时间为所述光功率计及处理逻辑模块(4)将光信号转变为电信号的延时时间、其逻辑处理的延时时间和可调光衰减器(6)调整相应延时时间等三者之和。
本发明提供的第三优选技术方案中，所述单光子探测器包括：水平/垂直偏振光分束器(7)、光电倍增管(8，9)、放大器(10，11)、鉴别器(12，13)、计数器(14，15)、微调控制逻辑模块(26)、计数差异比较器(17)和差异统计分析比较器(24)；所述水平/垂直偏振光分束器(7)，将单光子光脉冲随机地分成垂直偏振和水平偏振两路；所述光电倍增管(8)和所述光电倍增管(9)的工作电压分别受所述差异统计分析比较器(24)的控制，并分别将水平偏振的光脉冲和垂直偏振的单光子光脉冲转变为电信号；所述放大器(10)和所述放大器(11)分别将水平偏振单光子和垂直偏振单光子的电信号放大；所述鉴别器(12)对所述放大器(10)发出的放大后的水平偏振单光子电信号进行鉴别；所述鉴别器(13)对所述放大器(11)发出的放大后的垂直偏振单光子电信号进行鉴别；所述计数器(14)和所述计数器(15)，在所述同步信号源(16)输出时钟的控制下，分别进行水平偏振单光子和垂直偏振单光子的电信号计数，并向所述随机源输出单元输出信号，还通过所述微调控制逻辑模块(26)发出控制信号，控制所述可调光衰减器(6)。
本发明提供的第四优选技术方案中，所述计数差异比较器(17)，控制所述45°起偏器(2)的偏振方向，并保证水平/垂直偏振光分束器(7)与45°起偏器(2)成45°，使光子等概率通过水平/垂直偏振光分束器的两正交通路，保证光子从两路正交地出射均衡(50∶50)。
本发明提供的第五优选技术方案中，所述微调控制逻辑模块(26)，接收到所述计数器(14)和所述计数器(15)同时发出的连续“1”时，增大可调光衰减器(6)的光衰减值；当接收到所述计数器(14)和所述计数器(15)同时发出的连续“0”时，减小可调光衰减器(6)的光衰减值。
本发明提供的第六优选技术方案中，所述随机源输出单元包括：异或门(18)、与门(19、21)、先进先出双端口存储器(20、22)和时钟提取模块(23)；所述异或门(18)，对计数器(14)和计数器(15)的输出信号取异或；所述与门(19)，对所述计数器(14)和所述异或门(18)的输出信号进行与运算，并将运算结果传输到所述先进先出双端口存储器(20)；所述与门(21)，对所述计数器(15)和所述异或门(18)的输出信号进行与运算，并将运算结果传输到所述先进先出双端口存储器(22)；所述先进先出双端口存储器(20)向所述异步先进先出双端口循环存储器(25)传输数据。
本发明提供的第七优选技术方案中，所述差异统计分析比较器(24)，统计分析所述先进先出双端口存储器(20、22)的读数据差异，微调光电倍增管工作电压，控制光电倍增管量子效率差异最小，保证所述先进先出双端口存储器(20)输出的0与1的个数为1∶1。
本发明提供的第八优选技术方案中，时钟提取模块(23)，根据同步信号源(16)和异或门(18)的输出信号提取时钟。
本发明提供的第九优选技术方案中，所述先进先出双端口存储器(20、22)采用型号为IDT7007或者CY7C08D53的芯片；所述异步先进先出双端口循环存储器(25)采用型号为XC4VFX60或者CY7C421-20JXI。
本发明提供的第十优选技术方案中，光电倍增管(8，9)被单光子雪崩二极管、超导单光子探测器、量子点单光子探测器或可见光子计数器任一替代。
与现有技术比，本发明提供的一种基于量子物理应用于电力系统的变速真随机源逻辑电路，通过异步先进先出双端口循环存储器及其输出控制逻辑，解决跨时钟域且抑制亚稳态、提高输出码速率的问题，产生码速率可控制变化的真随机信号，可以实现0到f可变速率的真随机源；通过控制逻辑，调整45°起偏器，使水平/垂直偏振光分束器与起偏器成45°，解决光量子等概率通过水平/垂直偏振光分束器的两正交通路问题，保证光子从两路正交地出射均衡(50∶50)；而且，通过前馈和反馈控制逻辑，调整可调光衰减器，保证单光子输出；通过控制逻辑，微调光电倍增管工作电压，解决水平偏振光与垂直偏振光的光电倍增管量子效率差异问题，保证0与1的个数为1∶1，实现真随机性；还有，通过两路正交信号的逻辑处理，消除多光子重叠、消除光电倍增管暗电流(即本底噪声)影响、消除两路均无光子的问题，实现输出信号的真随机性；再者，通过1个前馈控制和3个反馈控制及其他控制逻辑，抵御电力复杂电磁环境的影响，实现真随机源工作状态的动态自动调整，保障智能电网的应用需求。
附图说明
图1为变速真随机源逻辑电路的实施例结构图。
图2为微调45°起偏器偏振方向控制流程图。
图3为微调光电倍增管工作电压控制流程图。
图4为可调光衰减器的控制逻辑流程图。
具体实施方式
从智能电网的发电、输电、变电、配电、用电、调度、信息和通信等8个环节角度，本发明可以解决的具体应用技术问题举例如下：
智能电网的发电环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在常规发电技术领域火电、水电和核电的经济运行的预测和仿真、新能源发电及接入技术领域的预测预报技术、储能技术领域的运行、监控、检修和维护技术、分布式供电技术领域的运行与控制、试验与检测等方面，可以改善计算精确度与速度相互制约的问题，相对于伪随机数序列，真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的输电环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在大电网安全分析与规划技术领域的大电网建模与仿真、分析与智能决策技术、输电网安全控制与保护技术领域的电网安全稳定分析和试验技术、电网运行管理技术领域的检测与监控/故障诊断与状态评估/可靠性与风险评估技术/状态检修策略/设备寿命周期成本管理与安全运行技术等方面，可以改善计算精确度与速度相互制约的问题，相对于伪随机数序列，真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的变电环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在变电站自动化测量与控制技术中的随机性的建模、仿真、分析预测、风险评估与决策等方面，可以改善计算精确度与速度相互制约的问题，相对于伪随机数序列，真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的配电环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在配电网技术领域随机性的建模、仿真、分析预测、风险评估与决策技术等方面，可以改善计算精确度与速度相互制约的问题，相对于伪随机数序列，真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的用电环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在用电服务技术领域的用电互动信息的安全与隐私保护等方面，可以增强用电互动信息的机密性及改善其完整性。
智能电网的调度环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在调度自动化测量与控制技术中的随机性的建模、仿真、分析预测、风险评估与决策等方面，可以改善计算精确度与速度相互制约的问题，相对于伪随机数序列，真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的电力信息环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在电力信息的随机性建模与仿真等方面，可以改善计算精确度与速度相互制约的问题，相对于伪随机数序列，真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在电力专用纵向加密认证装置、电力安全拨号网关、利用公网专用安全通信网关、利用公网专用安全通信装置中的专用密码与认证技术和电力调度数字证书系统等方面，可以增强其机密性改善其完整性。
智能电网的电力通信环节应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在SDH/OTN等设备随机测试序列等方面，相对于伪随机数序列，真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
智能电网的其他应用
利用本发明的可变速率的真随机源产生的真随机数序列，应用在以下三个方面，电网防灾减灾技术领域的防雷、防污、防冰、防地震、防风技术中的建模与仿真、预测预警、风险评估与决策，电网节能技术领域的节能控制、.电能质量等的随机性建模、仿真与分析，电力市场技术领域的随机性的建模、仿真、分析预测、风险评估与决策技术，可以改善计算精确度与速度相互制约的问题，相对于伪随机数序列，真随机数序列可以改进计算精确度和提高速度。
本发明的技术方案举例如下：
本发明根据电力生产控制类和管理类业务需求，在输出控制逻辑控制下，可以产生宽范围可控制调整的真随机源。输出的真随机信号最大码速率为f，可控制输出的真随机信号码速率范围是0到f。
例如1，对64(kbps)以太网接口的继电保护或故障信息管理系统(继电保护远方修改定值、远方投退等控制功能)信号进行一次一密加密时，实际选取的异步先进先出双端口循环存储器的存储空间为8*1024(bits)；若异步先进先出双端口循环存储器输出的真随机信号最大码速率约为200(kbps)，则可控制输出的真随机信号码速率范围是0到200(kbps)。
将异步先进先出双端口循环存储器读指针和写指针的二进制码，采用Gray码编码技术产生读空标志位信号和写满标志位信号。若出现读空标志位信号则作异常报警。若写入90％满时，丢弃全部已写数据，写指针复零，继续正常工作。
如图1所示，基于量子物理应用于电力系统的变速真随机源逻辑电路，作为真随机源。
脉冲激光器输出脉冲激光器，经过45°起偏器，将脉冲激光偏振化为线偏振光子源，经过光分束器(90/10)，将为线偏振光子源分为2束，90％给光功率计及处理逻辑4，10％给光延时线5。光功率计及处理逻辑模块4，将光信号转变为电信号，作为粗调控制信号，去控制可调光衰减器。根据光功率计的值计算可调光衰减器的输入光功率，再依据脉冲激光器的工作波长和脉冲频率，计算衰减量，去控制可调光衰减器(粗调)，例如脉冲激光器的脉冲频率为100kHz、可调光衰减器的输入光脉冲功率为20nW时，脉冲激光器的工作波长为780nm、850nm，1310nm、1550nm，对应的光衰减值取68.9dB、69.3dB、71.2dB、71.9dB。
光延时线5，其延时时间为所述光功率计及处理逻辑模块(4)将光信号转变为电信号的延时时间、其逻辑处理的延时时间和可调光衰减器(6)调整相应延时时间等三者之和。
可调光衰减器6，衰减后输出单光子的光脉冲，受光功率计及处理逻辑模块4控制(粗调)，同时受微调控制逻辑模块26的控制(细调)。
水平/垂直偏振光分束器7，将光脉冲随机地分成垂直偏振和水平偏振两路。
光电倍增管8，将水平偏振的光脉冲转变为电信号，其工作电压受差异统计分析比较器24控制。
光电倍增管9，将垂直偏振的光脉冲转变为电信号，其工作电压受差异统计分析比较器24控制。
放大器10，进行水平偏振光的电信号放大。
放大器11，进行垂直偏振光的电信号放大。
鉴别器12，进行水平偏振光的电信号鉴别。
鉴别器13，进行垂直偏振光的电信号鉴别。
计数器14，在同步信号源16输出时钟的控制下，进行水平偏振光的电信号计数。
计数器15，在同步信号源16输出时钟的控制下，进行垂直偏振光的电信号计数。
同步信号源16，其输出同步信号源时钟给脉冲激光器1、计数器14、计数器15和时钟提取模块23。
计数差异比较器17，控制微调45°起偏器2的偏振方向，保证水平/垂直偏振光分束器7输出的两路垂直偏振光功率相同。
异或门18，对计数器14和计数器15的输出信号取异或。
与门19，对计数器14和异或门18的输出信号取逻辑与。
先进先出双端口存储器20，其写时钟信号来源于异或门18的输出，写数据来源于与门19的输出；时钟提取模块23输出作为读时钟信号，读数据作为输出给异步先进先出双端口循环存储器25。
与门21，对计数器15和异或门18的输出信号取逻辑与。
先进先出双端口存储器22，其写时钟信号来源于异或门18的输出，写数据来源于与门21的输出；时钟提取模块23输出作为读时钟信号，读数据作为输出给异步先进先出双端口循环存储器25。
时钟提取模块23，根据同步信号源16和异或门18输出信号提取时钟。
差异统计分析比较器24，统计分析先进先出双端口存储器20与先进先出双端口存储器22的读数据差异。
异步先进先出双端口循环存储器25，在读时钟信号控制下，通过读数据端口作为输出。
微调控制逻辑模块26，当计数器14和计数器15同时出现多个连续“1”时，控制可调光衰减器(细调)，增大光衰减值；当计数器14和计数器15同时出现多个连续“0”时，控制可调光衰减器(细调)，减小光衰减值。
微调45°起偏器偏振方向控制逻辑。
根据图2中计数差异比较器17计数差异比较器，微调45°起偏器偏振方向，使水平/垂直偏振光分束器与起偏器成45°，保证光子从两路正交的出射的概率为1∶1，且功率相同。
微调45°起偏器偏振方向控制逻辑。
判断图3中1.24统计分析0与1的个数差异，微调光电倍增管工作电压，控制光电倍增管量子效率差异，保证0与1的个数为1∶1。
微调控制逻辑如下：
当图4中计数器14和计数器15同时出现多个连续“1”时，控制可调光衰减器(细调)，增大光衰减值；
当图4中计数器14和计数器15同时出现多个连续“0”时，控制可调光衰减器(细调)，减小光衰减值。
需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于量子物理应用于电力系统的变速真随机源逻辑电路，其特征在于，所述电路包括依次连接的单光子源、单光子探测器和随机源输出单元；输出的真随机信号最大码速率为f，可控制输出的真随机信号码速率范围是0到f；
所述单光子源包括：脉冲激光器(1)、45°起偏器(2)、90/10光分束器(3)、光延时线(5)、光功率计及处理逻辑模块(4)、可调光衰减器(6)和同步信号源(16)；所述脉冲激光器(1)输出脉冲激光，经过所述45°起偏器(2)，将脉冲激光偏振化为线偏振光子源传输至所述90/10光分束器(3)，所述90/10光分束器(3)将线偏振光子源分为2束，将其中的90％给所述光功率计及处理逻辑模块(4)，10％给所述光延时线(5)；所述光功率计及处理逻辑模块(4)，将光信号转变为电信号，作为粗调控制信号，控制所述可调光衰减器(6)；微调控制逻辑模块(26)发出控制信号，控制所述可调光衰减器(6)；可调光衰减器对所述光延时线(5)发出的光信号进行衰减并输出单光子的光脉冲；所述同步信号源(16)输出同步信号源时钟给所述脉冲激光器(1)和所述单光子探测器；
所述光延时线(5)的延时时间为所述光功率计及处理逻辑模块(4)将光信号转变为电信号的延时时间、其逻辑处理的延时时间和可调光衰减器(6)进行调整操作所需的延时时间等三者之和；
所述单光子探测器包括：水平/垂直偏振光分束器(7)、第一光电倍增管(8)，第二光电倍增管(9)、第一放大器(10)，第二放大器(11)、第一鉴别器(12)，第二鉴别器(13)、第一计数器(14)，第二计数器(15)、微调控制逻辑模块(26)、计数差异比较器(17)和差异统计分析比较器(24)；所述水平/垂直偏振光分束器(7)，将单光子光脉冲随机地分成垂直偏振和水平偏振两路；所述第一光电倍增管(8)和所述第二光电倍增管(9)的工作电压分别受所述差异统计分析比较器(24)的控制，并分别将水平偏振的光脉冲和垂直偏振的单光子光脉冲转变为电信号；所述第一放大器(10)和所述第二放大器(11)分别将水平偏振单光子和垂直偏振单光子的电信号放大；所述第一鉴别器(12)对所述第一放大器(10)发出的放大后的水平偏振单光子电信号进行鉴别；所述第二鉴别器(13)对所述第二放大器(11)发出的放大后的垂直偏振单光子电信号进行鉴别；所述第一计数器(14)和所述第二计数器(15)，在所述同步信号源(16)输出时钟的控制下，分别进行水平偏振单光子和垂直偏振单光子的电信号计数，并向所述随机源输出单元输出信号，还通过所述微调控制逻辑模块(26)发出控制信号，控制所述可调光衰减器(6)；
所述计数差异比较器(17)，控制所述45°起偏器(2)的偏振方向，并保证水平/垂直偏振光分束器(7)与45°起偏器(2)成45°，使光子等概率通过水平/垂直偏振光分束器的两正交通路，保证光子从两路正交地出射均衡(50:50)；
所述微调控制逻辑模块(26)，接收到所述第一计数器(14)和所述第二计数器(15)同时发出的连续“1”时，增大可调光衰减器(6)的光衰减值；当接收到所述第一计数器(14)和所述第二计数器(15)同时发出的连续“0”时，减小可调光衰减器(6)的光衰减值。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述随机源输出单元包括：异或门(18)、第一与门(19)、第二与门(21)、第一先进先出双端口存储器(20)、第二先进先出双端口存储器(22)和时钟提取模块(23)；所述异或门(18)，对第一计数器(14)和第二计数器(15)的输出信号取异或；所述第一与门(19)，对所述第一计数器(14)和所述异或门(18)的输出信号进行与运算，并将运算结果传输到所述第一先进先出双端口存储器(20)；所述第二与门(21)，对所述第二计数器(15)和所述异或门(18)的输出信号进行与运算，并将运算结果传输到所述第二先进先出双端口存储器(22)；所述先进先出双端口存储器(20)向异步先进先出双端口循环存储器(25)传输数据。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述差异统计分析比较器(24)，统计分析所述第一先进先出双端口存储器(20)和第二先进先出双端口存储器(22)的读数据差异，微调光电倍增管工作电压，控制光电倍增管量子效率差异最小，保证所述第一先进先出双端口存储器(20)输出的0与1的个数为1：1。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，时钟提取模块(23)，根据同步信号源(16)和异或门(18)的输出信号提取时钟。
5.根据权利要求2或者3所述的电路，所述第一先进先出双端口存储器(20)和第二先进先出双端口存储器(22)采用型号为IDT7007或者CY7C08D53的芯片；所述异步先进先出双端口循环存储器(25)采用型号为XC4VFX60或者CY7C421‐20JXI。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，第一光电倍增管(8)和第二光电倍增管(9)被单光子雪崩二极管、超导单光子探测器、量子点单光子探测器或可见光子计数器任一替代。
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