算法周刊·前沿扫描｜量子破解“电力孤岛”，赋能电网系统

乡村“电力孤岛”、数据传输“最后一公里”难题、潜在黑客威胁等，这都是传统电网以往可能面临的困境。

随着我国量子保密通信领域的快速发展，量子通信技术开始赋能我国涉及通信安全的多个领域。量子赋能智慧电网，是其中较为典型与成功的案例之一，不仅能破解传统电网困境，更能通过“量子加密”保障信息安全，更经济、高效地护航我国辽阔土地上的复杂电力系统。

量子通信技术如何应用到电网建设？量子技术如何化解“电力孤岛”、“最后一公里”问题？对此，国盾量子项目总监周雷和方案技术部产品经理陈尊耀一同接受了澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者的专访。

“早在量子通信‘京沪干线’建成的时候，国家电网就前瞻性地开始布局量子保密技术在电力方面的应用，”周雷对澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者说道，“国盾量子公司在北京、安徽、山东、湖北等多个地区，进行了一系列量子通信技术应用示范工程项目的建设和探索。”

国盾量子公司Logo，图片来自国盾量子

“量子加密”护航电网

随着我国在2016年发射全球首颗量子通信卫星“墨子号”，2017年开通世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”，在量子通信方面我国逐渐占据世界领先地位，并踏上量子通信技术的应用之路。自2016年，国家电网就与国盾量子展开全面合作，将量子通信技术应用落地到多个电网项目。

由于电力系统场景复杂，配网设备点多面广，加之随着能源互联网建设的推进，大量新型电力终端设备接入电网，量子通信技术赋能智慧电网的优势就显现出来——更安全、更经济、更可靠、更高效。

“量子通信技术应用到国家电网，目前主要集中在数据安全通信方面，通过量子保密通信技术进行加密，保障数据传输安全。”陈尊耀向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者介绍，“还有就是在业务上，国家电网传统使用的是内网或私网，但随着无线互联网和智能配电终端的应用，就可能会涉及外网。通过量子通信技术可以保障通道安全，那么在某些业务上就可以实现与公网对接和保障公网的传输通道安全。”

由于电网涉及到国家能源安全，所以国家电网有自己的通信网络，与外部网络是分开的。量子通信技术对电网的应用正是在整个电网的通信体系中进行量子加密。“简单来说，电力系统可分为输配电网和信息通信网。输配电网相当于电能的传输配送网络，信息通信网主要是基于输配电网，对输电设备和配电设备进行控制和管理。国盾量子正是在信息通信网中，通过量子密钥加密技术，对我国电网进行数据传输通道和数据安全存储的保护。”

破解“电力孤岛”困境

2022年1月25日，国网绍兴供电公司通过配电自动化主站平台，远程控制并启动位于绍兴南部山区的线路末端发电机，以小成本破解了山区“电力孤岛”困境，解决了该线路末端支线长期存在的单电源难题。

“近年来，当地电力部门持续对辖区山中电力长廊进行整体改造升级，通过增设智能开关等方式，大大提升了该线路供电质量，”国网绍兴供电公司车头供电所负责人劳剑锋介绍道，“但线路末端的11个台区因地势缘故，仍长期成为‘电力孤岛’。”

绍兴市南部山区，图片来自人民网

绍兴市南部山区由于地势高低不同，沿线村落呈现“小而多”的分布特征，电网供电范围广，供电线路半径大且网架结构单一。一旦线路故障，极易对附近村民生活用电造成长时间的影响。

为了保障山区供电安全，国网绍兴供电公司与国盾量子合作，通过自主设计研发远程控制模块，以安装“量子+”遥控发电机替代传统末端联络方案，在投资金额降低90%的情况下，使前述区域内配电网具备独立微网运行功能。

那量子技术是如何破解“电力孤岛”困境？又如何实现小成本呢？

“‘电力孤岛’是指它的传输资源只能通过无线方式来进行传递。那在信息传递方面就存在一些限制，并对传递的安全性提出新的需求，”周雷向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者介绍，“我们通过量子技术和这类场景结合，就可以在需要无线传递信息的场景去大面积应用量子技术。”

据悉，“量子+”遥控发电机方案可以解决线路故障时，影响范围大、时间长的难题，在保障用户侧不停电的前提下，实现对线路综合检修和改造提升。同时，“量子+”遥控发电机“出力可控”，其有源配电网能更高效地参与用电峰谷调节，实现配电网调频、调压和孤岛运行等多种应用功能。“通过技术研发和我们现有产品进行结合——以小型化、集成化、芯片化的方式，降低了成本和融合的难度。”

“另一方面是因为，如果应用传统的装置，需要铺设光纤过去。从光纤成本角度来看，如果是光纤铺设过去，光纤、人工和管理成本都是非常高的。”陈尊耀补充道，“我们通过无线方式，可以省去光纤铺设的成本，管理上可以实现无线远程操控，不需要人工现场去进行操控，节省人力成本。各方面综合起来实现了小成本管控。”

解决“最后1公里”问题

2021年11月，浙江宁波江北10千伏横山线主线实现量子加密智能开关全覆盖，标志着国内首条基于量子加密无线通信的全自动化架空线路正式投运。

在前述电力系统中，国盾量子主要提供了量子加密安全服务平台，其中包括软件系统和硬件系统的构成。“在整个项目过程当中，我们还提供了技术方案的支持。”周雷和陈尊耀表示，“这个平台可以理解成我们量子密钥分发网络的一个延伸，解决的其实是‘最后一公里’问题。”

“最后一公里”是一个比较形象的比喻。“经典网络通信其实是基于光纤网络的密钥传输，像城市与城市之间可以通过光纤网络去进行密钥安全分发。但在城市内部，比如一个中心与旁边移动终端之间的距离可能没那么远，那么通过光纤的方式成本也高，实现的可能性也不太大。我们就把它拓展到无线应用上，解决了‘最后一公里’问题，即从中心到移动终端的距离利用无线，进行数据加密传输。”

要彻底解决密钥传输的“最后1公里”问题，除了量子加密安全服务平台，也离不开量子加密智能开关。“智能开关与传统开关在功能上有很大的差别。传统开关通过人工控制，是半自动的，可能遇到故障之后会跳闸或自动跳转。而智能开关通过提前预判，相应的信息收集和人工远程控制，可以实现多级保护。”

相比于传统开关，智能开关增添了控制功能、故障诊断功能，能够提前防范和预警故障，对于一些故障可以使电力部门快速定位，准确切断故障部分，以保证主线安全运行。

此外，智能开关基于无线进行数据交互，数据传输的安全性就显得更加重要。“既要保证不被外人窃取，也要保证不被黑客攻击和伪造指令，避免电网业务中断，或是信息采集有误。因此要利用量子加密的融合，在智能开关里采用对应量子模块，把量子密钥通过平台实时下发，这样控制指令或采集的数据信息可以安全地加密上传，减少传统人工控制时间，在故障发生后可以控制风险。”

探索“量子+无人机”

面向不久的将来，量子加密技术还可拓展应用到无人机等其他无线电网通信场景。

在电网应用上，国盾量子已在无人机方面结合量子通信技术进行了调研，并认为技术具有可行性。周雷表示，“公司正在发展相关合作伙伴，比如在无人机、分布式光伏方面进行技术验证，以推进相应的应用产品。”

未来，量子加密技术将如何应用到无人机上？“其实是将量子安全密钥以及安全传输技术，加载到现有无人机平台上，在无人机数据采集和远程控制方面，确保无人机和中心点之间的数据传输安全。”

目前，国盾量子也正在联合电力相关的应用需求单位积极探索量子与无人机的技术融合。“现阶段我们也在尝试，由于无人机涉及到数据传输需求、遥控需求、数据采集后的存储需求，我们在与相关方沟通，探索相应融合方案。”陈尊耀说，“因为电网有自己的防护要求和防护方案，我们也会根据他们的要求和方案做对应设计，同时协调无人机厂商做技术对接与技术验证。”

展望未来，“我们将紧跟电网需求，将量子技术能够更多地融入电网的整个系统，提高国家电网在各方面的安全能力，保障国家基础设施安全，这也是目前量子技术所能带来的技术支撑。”

从破解“电力孤岛”到解决“最后一公里”难题，从量子加密安全服务平台到智能开关，国家电网与国盾量子的共同探索之路从未止步。以量子密钥分发为核心的量子通信技术在全国范围内的应用将更加广泛，不断赋能我国关键基础设施建设，保障着重要设施的通信安全。