CN111817792A - 一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统，包括：至少两个量子通信终端以及将量子通信终端进行连接的光纤线路；其中，每个量子通信终端均与输电线路上的安全检测设备和继电保护装置连接，用于将安全检测设备采集的输电线路信息转化为量子信号并通过光纤线路传输至其他量子通信终端；还用于将从其他量子通信终端获取的量子信号转化为继电保护装置可以识别的电信号并发送至继电保护装置。该系统本发明所提出的系统针对电力通信保护信号传输的安全性有限这一现状，将量子远程传态技术应用到电力环境中，能够极大提高电力系统的安全性。

Description

一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统。

背景技术

电力通信网络是保证电力业务安全、稳定、可靠运行的通信网络，它属于电力系统的通信专网，需要满足电力业务对实时性、可靠性和安全性的要求。电力业务的可靠性是影响电力系统安全、稳定运行的重要因素，同时也是评价电网性能重要方面。随着电力系统的高速发展，电力通信网络结构显得更加复杂，因此亟需提高现有电力通信网络的性能。

继电保护是电力系统的重要组成部分，为保障电力系统的安全稳定运行起到了关键性的作用。继电保护信号是电网系统发生重大故障时产生和传输的重要信号，由于电力系统的特殊性，电气故障的发生是不可避免的，因此需要继电保护信号实时保护电网安全、稳定运行，继电保护属于电力生产业务。

采用新技术改善电力通信系统的性能是发展的趋势，量子通信技术是新型的通信技术，因此也被用到电力系统中。在电力系统中使用的量子技术，大多是基于量子密钥分配(quantum key distribution，QKD)技术，该技术是量子通信技术与经典通信技术共同构建而成。在申请号为CN201410049850.0，名称为“一种基于量子密钥分配技术的电力安全通信网络”的专利中，将量子通信网络与经典通信网络结合，虽然提高了电力通信网络数据传输的安全，但是由于电力通信组网复杂、电磁辐射强、自然环境因素干扰大等因素，难以满足电力通信系统的可靠性要求，难以满足传输继电保护信号的要求。

为了保护继电保护信号不被窃听，保证电网数据安全，在公开号为CN105633921A，名称为“基于量子通信的35kV供电系统继电保护定值设置方法”的专利中，运用量子纠缠的特性传输继电保护信号，在有限传输距离中使用，不仅可以保证数据的正常传输，还可以防止攻击者窃听，但对于空间跨度大的电力通信网络，随着距离的增加，通信误码率也会增加，因此超出一定范围将无法保证传输数据的安全，特别是不能满足传输继电保护信号的要求。

因此，现有的基于量子技术的电力通信网络的缺陷是通信距离受限、易受电磁辐射影响，不能满足复杂的电力通信组网要求，不能满足传输继电保护信号的要求，不能满足电力生产业务的要求，为了克服上述技术缺陷，需要提出新的通信系统。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统。该系统需要在高压线路的两端分别配置量子通信终端，实现从高压电网中的安全检测设备接收信号并且发送信号给高压电网中的继电保护设备。每个量子通信终端至少包括两套相互独立的量子通信设备，由信号转换器、量子存储器及纠缠源组成。在工作过程中，信号转换器将安全检测设备发来的电信号转化为量子信号，并将量子信号转化为继电保护装置可以识别的电信号；纠缠源不断产生纠缠光子对，其中一个光子存储在附近的量子存储器中，另外一个光子发送给相邻的量子通信终端，由相邻的量子通信终端收到光子后将它存储在量子存储器中；随后量子通信设备对光子对进行联合测量，得到量子态中包含的信息。在该系统中多个量子通信终端由光纤线路连接，光纤线路采用全介质自承式光缆，光缆外有铁的屏蔽层，从而保证通信过程中收到的干扰较小。本方案为基于量子远程传态的电力系统保护信号传输提供了可行的解决方案，同时为提高电力通信的安全性提供了技术积累。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统，其改进之处在于，包括：至少两个量子通信终端以及将量子通信终端进行连接的光纤线路；

其中，每个量子通信终端均与输电线路上的安全检测设备和继电保护装置连接，用于将安全检测设备采集的输电线路信息转化为量子信号并通过所述光纤线路传输至其他量子通信终端；还用于将从其他量子通信终端获取的量子信号转化为继电保护装置可以识别的电信号并发送至所述继电保护装置。

本发明提供的第一优选技术方案，其改进之处在于，所述量子通信终端包括至少两套互为备份的量子通信设备；

每套所述量子通信设备的一端与所述光纤线路连接，另一端分别与安全检测设备和继电保护装置连接。

本发明提供的第二优选技术方案，其改进之处在于，所述量子通信设备，包括依次连接的信号转换器、量子存储器以及纠缠源；

所述纠缠源，用于生成纠缠光子对；

所述量子存储器，用于存储纠缠光子对中的一个光子；

所述信号转换器，分别与所述光纤线路以及安全检测设备和继电保护装置连接，用于将安全检测设备采集的输电线路信息通过调制纠缠光子对中的光子的形式转换为量子信号，并通过光纤线路将缠光子对中的光子发送至相连的量子通信终端，以及用于基于相连量子通信终端发送的纠缠光子对中的光子，将量子信号转化为继电保护装置可以识别的电信号并发送至所述继电保护装置。

本发明提供的第三优选技术方案，其改进之处在于，所述纠缠源，包括：偏硼酸钡晶体。

本发明提供的第四优选技术方案，其改进之处在于，所述纠缠源还包括屏蔽网，所述偏硼酸钡晶体放置于所述屏蔽网中。

本发明提供的第五优选技术方案，其改进之处在于，所述对所述负荷数据和发电数据进行插值处理，包括：

采用线性插值法，根据所述负荷数据或所述发电数据中相邻两点的值和时间间隔计算出秒级间隔点的数值，作为所述负荷数据或所述发电数据相应时间点的值。

本发明提供的第六优选技术方案，其改进之处在于，所述电控双折射晶体包括：磷酸二氢钾晶体。

本发明提供的第七优选技术方案，其改进之处在于，所述单光子探测器包括雪崩光电二极管探测器。

本发明提供的第八优选技术方案，其改进之处在于，所述光纤线路包括全介质自承式光缆。

本发明提供的第九优选技术方案，其改进之处在于，所述光纤线路包裹在铁屏蔽层中。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明所提出的系统针对电力通信保护信号传输的安全性有限这一现状，将量子远程传态技术应用到电力环境中，能够极大提高电力系统的安全性。

除此之外，本方案充分考虑了电力通信中的业务类型及环境特点，充分利用现有的电力通信设备，并且提出了铁屏蔽层的光纤技术，不仅节约了成本，降低了电磁干扰对继电保护信号的影响，提高了量子远程传态的通信距离，能满足传输保护信号以及电力生产业务的要求。因此，本发明不仅能够提高电力通信安全性，还具有很强的适配性，为量子远程传态技术在电力通信系统的应用提供了可行的解决方案。

附图说明

图1为本发明提供的一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统示意图；

图2为本发明提供的一个与电力保护业务适配的量子远程传态系统实施例的示意图；

图3为本发明涉及的量子通信设备与高压电网通信示意图；

图4为本发明提供的量子通信设备示意图；

其中，1为量子通信终端，2为量子通信设备，3为量子存储器，4为BBO小型纠缠源，5为安全检测设备，6为继电保护装置，7为光纤线路，8为信号转换器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供的一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统示意图如图1所示，包括：

至少两个量子通信终端以及将量子通信终端进行连接的光纤线路；

其中，每个量子通信终端均与输电线路上的安全检测设备和继电保护装置连接，用于将安全检测设备采集的输电线路信息转化为量子信号并通过光纤线路传输至其他量子通信终端；还用于将从其他量子通信终端获取的量子信号转化为继电保护装置可以识别的电信号并发送至继电保护装置。

具体的，本发明提供的一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统，该系统需要在高压线路的两端分别配置量子通信终端，实现从高压电网中的安全检测设备接收信号并且发送信号给高压电网中的继电保护设备。每个量子通信终端至少包括两套相互独立互为备份的量子通信设备，由信号转换器、量子存储器及纠缠源组成。在工作过程中，信号转换器将安全检测设备发来的电信号转化为量子信号，并将量子信号转化为继电保护装置可以识别的电信号；纠缠源不断产生纠缠光子对，其中一个光子存储在附近的量子存储器中，另外一个光子发送给相邻的量子通信终端，由相邻的量子通信终端收到光子后将它存储在量子存储器中；随后量子通信设备对光子对进行联合测量，得到量子态中包含的信息。在该系统中多个量子通信终端由光纤线路连接，光纤线路采用全介质自承式光缆，光缆外有铁的屏蔽层，从而保证通信过程中收到的干扰较小。本方案为基于量子远程传态的电力系统保护信号传输提供了可行的解决方案，同时为提高电力通信的安全性提供了技术积累。

图2中表示了量子远程传态系统与安全检测设备、继电保护装置相连，构建的一种环形结构方案。

其中，安全检测设备采用的是线路在线检测装置，利用太阳能和电池供电，用于检测高压线路上的行波信号变化情况。

继电保护装置采用的是继电保护测试仪，该主机采用高速高性能数字信号处理器，运算速度快，传输频带宽，对基波可产生每周波360点的高密度拟合正弦波。当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展。

多个量子通信终端由光纤线路连接，以4个量子通信终端为例，其中光纤采用的是电力通信系统专用的全介质自承式光缆，用于传输经典信息，可充分利用现有资源，节约投资。

量子通信终端在高压线路的两端，量子通信终端从安全检测设备接收信号，量子通信终端还发送信号给继电保护装置。每个量子通信终端至少包括两套相互独立的量子通信设备，如图3所示。在传输继电保护信号时，无论哪一个量子通信设备发生故障或者通信线路发生故障，保护信号都能完整的传给与量子通信终端相连的继电保护装置，该量子远程传态系统具有极高的可靠性。

如图4所示，量子通信设备包含依次连接的信号转换器、量子存储器以及纠缠源。

其中量子存储器将光子存储在原子蒸气中，用于存储纠缠光子对中的一个光子，具体为存储光子的偏振态。

在量子通信设备中纠缠源的制备是较为关键的技术要点，在本发明中纠缠源是通过偏硼酸钡BBO晶体的自发参量下转换过程制备出双光子的偏振纠缠态，即纠缠源为BBO小型纠缠源。生成的纠缠光子对通过远距分发，一个光子存储留在同一量子通信终端的量子存储器中，另外一个光子发送给相邻的量子通信终端，相邻的量子通信终端收到光子后将它存储在量子存储器中，从而实现对量子态信息的传递。与传统通信不同的是，以纠缠光子对作为信息的载体，以纠缠光子对为量子信道，实现信息的编码、传输和解调过程。

实施例中的BBO晶体是一种非线性光学晶体，具有良好的性能，极宽的透光范围，较大的相匹配角，较高的抗光损伤阈值、宽带的温度匹配以及优良的光学均匀性，采用400mW的351.1nm波长氩离子激光器的光束穿过BBO晶体，利用自发参量下转换技术产生极化纠缠光子对。

实施例中BBO晶体放在屏蔽网中，可以抑制高压输电线路对BBO晶体的影响，提高制备出的光子质量，在初期的实验中BBO晶体由于受高压线路附近的电磁场影响，使得产生的光子质量较差，经过大量反复的实验和艰苦劳动，本申请采用铁丝网作为屏蔽网能够明显提高产生的光子质量，由于光子质量好，降低了通信的误码率，提高了信息传递速度，并且镀锌的铁丝网价格便宜，便于安装和使用，降低了成本，产生了好的技术效果。

信号转换器，分别与光纤线路以及安全检测设备和继电保护装置连接，将安全检测设备发来的电信号通过调制纠缠光子对中的光子的形式转化为量子信号，并将接收的光子所携带的量子信号转化为继电保护装置可以识别的电信号，由电控双折射晶体、单光子探测器、恒比定时器和采集电路组成。

其中，电控双折射晶体分别连接纠缠源、光纤线路和安全检测设备，用于基于全检测设备采集的输电线路信息，在纵向施加电场，通过调节电压大小快速精密地控制输出光的偏振方向，使用两个直流电压作用在晶体上，一个电压为直流偏置电压，另外一个是高压脉冲，当脉冲为低电平时对光子不起作用，当高电平时对光子起着半波片或者1/4波片的作用，从而把经典的二进制数表示的输电线路信息调制到光子上。本实施例中，电控双折射晶体采用磷酸二氢钾(KD*P)晶体。

单光子探测器，可采用的雪崩光电二极管APD探测器，是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够探测到光子，可以对单个光子进行探测和计数，用于检测携带量子信息的单光子，并转换为电信号输出，与光纤线路连接。

恒比定时器，将单光子探测器输入的电信号分为两路，一路进行延时，一路进行衰减，将两路信号通过高速比较器得到经典二进制数。

采集电路，采集恒比定时器输出的触发信号，将数据发送到计算机中，利用上位机软件进行分析，得到继电保护装置可以识别的电信号，最终将继电保护装置可以识别的电信号发送至继电保护装置。

除此之外，为了避免电力系统的电磁干扰，本发明中采用铁屏蔽层的方案，经过大量的实验证明了该方案能够消除高压线路附近电磁场对光子状态的影响，提高了传输距离。传统的光缆放在高压线附近的强电磁环境中会产生双折射效应，使得光子的状态发生改变，部分传统光缆外有屏蔽层，屏蔽层能有效地屏蔽电场而不能有效屏蔽磁场，特别是高压线路上电流不同时，磁场也在变化，双折射效应的大小也在变化，对光子的状态的影响也是在变化中，为了消除上述影响，本申请公开了采用铁屏蔽层的方案，经过大量的实验和艰苦的劳动，消除了高压线路附近电磁场对光子状态的影响，提高了传输距离。

在本实施例中，采用1812nm波长公差在百分之一以内的光子，或频率是6.339470×10¹⁴Hz公差在万分之一以内的光子传递信息。本实施例所选的光子能够传输更远的距离，在光缆中受外界的电磁环境影响较小，降低了通信的误码率，提高了信息传输速度和通信的质量，并且光子的传输距离更远，这是经过反复实验和艰苦的劳动得到的，能产生较好的技术效果，能够满足电力生产业务的要求。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种与电力保护业务适配的量子远程传态系统，其特征在于，包括：至少两个量子通信终端以及将量子通信终端进行连接的光纤线路；

其中，每个量子通信终端均与输电线路上的安全检测设备和继电保护装置连接，用于将安全检测设备采集的输电线路信息转化为量子信号并通过所述光纤线路传输至其他量子通信终端；还用于将从其他量子通信终端获取的量子信号转化为继电保护装置可以识别的电信号并发送至所述继电保护装置。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述量子通信终端包括至少两套互为备份的量子通信设备；

每套所述量子通信设备的一端与所述光纤线路连接，另一端分别与安全检测设备和继电保护装置连接。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述量子通信设备，包括依次连接的信号转换器、量子存储器以及纠缠源；

所述纠缠源，用于生成纠缠光子对；

所述量子存储器，用于存储纠缠光子对中的一个光子；

所述信号转换器，分别与所述光纤线路以及安全检测设备和继电保护装置连接，用于将安全检测设备采集的输电线路信息通过调制纠缠光子对中的光子的形式转换为量子信号，并通过光纤线路将缠光子对中的光子发送至相连的量子通信终端，以及用于基于相连量子通信终端发送的纠缠光子对中的光子，将量子信号转化为继电保护装置可以识别的电信号并发送至所述继电保护装置。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述纠缠源，包括：偏硼酸钡晶体。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述纠缠源还包括屏蔽网，所述偏硼酸钡晶体放置于所述屏蔽网中。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述信号转换器包括电控双折射晶体、单光子探测器、恒比定时器和采集电路；

所述电控双折射晶体分别连接所述纠缠源、光纤线路和安全检测设备，用于基于全检测设备采集的输电线路信息，使用一个直流偏置电压和一个高压脉冲作用在所述电控双折射晶体上把经典的输电线路信息调制到纠缠光子对中的光子上；

所述单光子探测器连接所述光纤线路，用于检测携带量子信息的光子，所述单光子探测器将检测光子后输出的电平信号通过预设延迟后输入所述恒比定时器，由所述采集电路采集所述恒比定时器中的信号，将携带量子信息的光子转换为继电保护装置可以识别的电信号。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电控双折射晶体包括：磷酸二氢钾晶体。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述单光子探测器包括雪崩光电二极管探测器。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤线路包括全介质自承式光缆。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤线路包裹在铁屏蔽层中。

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