本發(fā)明公開了基于量子糾纏和信道自校驗的礦用高壓電網(wǎng)定值傳輸方法，屬于煤礦高壓供電網(wǎng)絡(luò)繼電保護定值設(shè)置領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2014年，文獻“量子密鑰技術(shù)提升電力系統(tǒng)二次防護安全性研究”分析論證了量子密鑰技術(shù)與電力二次防護系統(tǒng)結(jié)合的可行性；然后，提出一種量子密鑰分配系統(tǒng)與電力縱向加密認證裝置的具體結(jié)合方式，并探討了在電力系統(tǒng)組建廣域電力量子數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方案和組網(wǎng)思路，但其并未涉及如何利用量子通信的安全性在互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)繼電保護定值的安全傳輸。

在礦用高壓電網(wǎng)中，電力監(jiān)控系統(tǒng)通過分站能夠直接對高壓開關(guān)的綜保裝置完成繼電保護定值設(shè)置等功能。盡管通過電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護定值的設(shè)置，但是電力監(jiān)控系統(tǒng)一般是不具有繼電保護定值計算功能的，礦用高壓電網(wǎng)繼電保護定值的計算可以通過繼電保護定值計算與管理工程師站（簡稱工程師站）來完成。為了能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護定值的自動設(shè)置，當(dāng)前主要是通過網(wǎng)絡(luò)來在工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)之間完成定值數(shù)據(jù)的傳送。工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)可能位于一個地方，也可能相隔很遠；當(dāng)繼電保護定值數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時，所傳輸?shù)亩ㄖ禂?shù)據(jù)就存在被竊聽的可能。為了能夠有效保證繼電保護定值數(shù)據(jù)不被他人竊聽，確保礦用高壓電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全。在文獻 “基于量子隱形傳態(tài)的礦井高壓電網(wǎng)繼電保護定值設(shè)置方法”中提出了一種基于量子隱形傳態(tài)的礦井高壓電網(wǎng)繼電保護定值設(shè)置方法，該方法通過使用量子糾纏的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)定值數(shù)據(jù)的安全傳輸，但其定值設(shè)置過程較為復(fù)雜，需要消耗較多的糾纏資源；同時，在該文獻中也并未闡述如何通過多路由器在工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)之間建立量子糾纏信道；為了能夠在實現(xiàn)定值數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)幕A(chǔ)上，進一步減少糾纏資源消耗，本發(fā)明提出了基于量子糾纏和信道自校驗的礦用高壓電網(wǎng)繼電保護定值傳輸方法，通過使用量子糾纏特性，在保證數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)幕A(chǔ)上，防止第三者竊聽，確保電力數(shù)據(jù)安全。同時，通過引入信道自校驗功能，減少糾纏資源消耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)通過多個量子路由器完成數(shù)據(jù)的安全傳輸，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如附圖1所示，在工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)之間建立量子糾纏信道的具體步驟如下：

步驟1：工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)從多條路徑中按照路由規(guī)則選擇一條路徑完成量子信息傳輸，假定選擇的路徑為R1、R2、R3、R4、R5，工程師站通過經(jīng)典信道發(fā)送IP數(shù)據(jù)報文給電力監(jiān)控系統(tǒng)，請求與電力監(jiān)控系統(tǒng)建立量子糾纏信道；

步驟2：量子路由器R1產(chǎn)生對糾纏量子對和，其中，產(chǎn)生的糾纏量子對分發(fā)給工程師站和R2，產(chǎn)生的糾纏量子對狀態(tài)為；量子路由器R3產(chǎn)生對糾纏量子對和，其中，產(chǎn)生的糾纏量子對分發(fā)給R2和R4，產(chǎn)生的糾纏量子對狀態(tài)為；量子路由器R5產(chǎn)生對糾纏量子對和，其中，產(chǎn)生的糾纏量子對分發(fā)給R4和電力監(jiān)控系統(tǒng)，產(chǎn)生的糾纏量子對狀態(tài)為；其中，；

步驟3：量子、、、、和組成系統(tǒng)：

；

R2對收到的糾纏粒子和進行Bell基測量，則上式改寫為

假定選用的是，則測量后和狀態(tài)為，系統(tǒng)塌縮為：

；

R4對收到的糾纏粒子和進行Bell基測量，則上式改寫為

假定選用的是，則測量后和狀態(tài)為，粒子和實現(xiàn)糾纏，在工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)間建立了糾纏量子信道。

在工程師站完成繼電保護計算后，需要對繼電保護定值進行自動設(shè)置。首先，工程師站需要和電力監(jiān)控系統(tǒng)之間建立一條TCP連接，其中工程師站作為客戶端，電力監(jiān)控系統(tǒng)作為服務(wù)器；然后，其基于已經(jīng)建立的量子糾纏信道和信道自校驗功能完成繼電保護定值的安全傳輸，具體步驟如下：

步驟1：工程師站針對某綜保裝置進行繼電保護定值設(shè)置，假定該綜保裝置對應(yīng)的分站號和綜保裝置號分別用A和B表示，計算獲得的速斷定值、定時過流定值、過負荷定值、定時過流延時值和過負荷延時值均乘以1000，得到放大后的速斷定值D₁、定時過流定值D₂、過負荷定值D₃、定時過流延時值D₄和過負荷延時值D₅，控制字用D₆表示，D₆占用兩個字節(jié)，只有前3位有意義，前3位分別用來表示速斷投入、定時過流投入和過負荷投入；前3位中如果數(shù)值為1，則表示該項對應(yīng)的保護投入，如果數(shù)值為0，則表示該項對應(yīng)的保護不投入；以計算得到的D₁- D₆的12字節(jié)定值數(shù)據(jù)為待校驗內(nèi)容，依據(jù)CRC算法生成16比特的CRC定值校驗序列D₇；定值校驗序列D₇為2字節(jié)；

步驟2：針對D₁- D₇共計112比特的數(shù)據(jù)，電力監(jiān)控系統(tǒng)針對112比特的數(shù)據(jù)分別制備112個相應(yīng)的粒子，如果第個比特為0，則制備得到的粒子狀態(tài)為；如果第個比特為1，則制備得到的粒子狀態(tài)為；制備得到的粒子狀態(tài)用表示，，；則

；

步驟3：工程師站將制備得到的112個粒子（）和工程師站側(cè)保存的112個未曾測量過的粒子（）分別做貝爾測量，測量得到的四種可能狀態(tài)為、、和，每次測量到的不同狀態(tài)均可以用2個經(jīng)典比特信息表示，狀態(tài)用經(jīng)典比特01表示，狀態(tài)用經(jīng)典比特11表示，狀態(tài)用經(jīng)典比特00表示，狀態(tài)用經(jīng)典比特10表示，測量完成后可以得到224個比特的經(jīng)典信息；

步驟4：將得到的224比特的測量信息作為定值內(nèi)容按照表1所示的定值設(shè)置格式封裝成一個TCP報文發(fā)送給電力監(jiān)控系統(tǒng)；其中，數(shù)據(jù)長度字段為28個字節(jié)，數(shù)據(jù)長度L低字節(jié)為0x1C，數(shù)據(jù)長度L高字節(jié)為0x00；

步驟5：電力監(jiān)控系統(tǒng)對接收到報文進行解析，如果接收到的TCP報文數(shù)據(jù)部分的第3個字節(jié)等于0x01，則表明此報文為繼電保護定值設(shè)置命令；依據(jù)表1的定值設(shè)置報文格式，電力監(jiān)控系統(tǒng)從接收到的報文中解析出224比特的數(shù)據(jù)信息，以兩個比特為單位按照順序?qū)?24比特分成112對，每對中包含兩個比特；如果收到的第對比特的數(shù)值為00，則對電力監(jiān)控系統(tǒng)中保存的未被測量的第個粒子執(zhí)行相應(yīng)的幺正變換，；如果收到的第對比特的數(shù)值為01，則對電力監(jiān)控系統(tǒng)中保存的未被測量的第個粒子執(zhí)行相應(yīng)的幺正變換， ；如果收到的第對比特的數(shù)值為10，則對電力監(jiān)控系統(tǒng)中保存的未被測量的第個粒子執(zhí)行相應(yīng)的幺正變換， ；如果收到的第對比特的數(shù)值為11，則對電力監(jiān)控系統(tǒng)中保存的未被測量的第個粒子執(zhí)行相應(yīng)的幺正變換，；并對變換后的每個粒子按照基矢和進行測量，測量結(jié)果為表示相應(yīng)比特為0；測量結(jié)果為表示相應(yīng)比特為1；最終可以得到14個字節(jié)的定值設(shè)置數(shù)據(jù)，其中最后兩個字節(jié)為定值校驗序列，用Q表示；

步驟6：以獲得的前12個字節(jié)的數(shù)據(jù)做為校驗對象基于CRC算法計算出16位的定值校驗序列H，將H與Q進行比較；如果相同，電力監(jiān)控系統(tǒng)將表2所示的內(nèi)容封裝成一個TCP報文發(fā)送給工程師站，表示定值發(fā)送成功，執(zhí)行步驟7；如果不同，定值傳送出錯，電力監(jiān)控系統(tǒng)將表3所示的內(nèi)容封裝成一個TCP報文發(fā)送給工程師站，表示定值發(fā)送出錯，重復(fù)執(zhí)行步驟1；

步驟7：工程師站發(fā)送定值固化報文，由電力監(jiān)控系統(tǒng)對接收到的定值固化報文通過已有電力監(jiān)控系統(tǒng)功能對設(shè)置的定值投入使用。

附圖說明

圖1是量子通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)通過多個量子路由器完成數(shù)據(jù)的安全傳輸，在工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)之間建立量子糾纏信道的具體步驟如下：

步驟1：工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)從多條路徑中按照路由規(guī)則選擇一條路徑完成量子信息傳輸，假定選擇的路徑為R1、R2、R3、R4、R5，工程師站通過經(jīng)典信道發(fā)送IP數(shù)據(jù)報文給電力監(jiān)控系統(tǒng)，請求與電力監(jiān)控系統(tǒng)建立量子糾纏信道；

步驟2：量子路由器R1產(chǎn)生 對糾纏量子對和，其中，產(chǎn)生的糾纏量子對分發(fā)給工程師站和R2，產(chǎn)生的糾纏量子對狀態(tài)為；量子路由器R3產(chǎn)生對糾纏量子對和，其中，產(chǎn)生的糾纏量子對分發(fā)給R2和R4，產(chǎn)生的糾纏量子對狀態(tài)為；量子路由器R5產(chǎn)生對糾纏量子對和，其中，產(chǎn)生的糾纏量子對分發(fā)給R4和電力監(jiān)控系統(tǒng)，產(chǎn)生的糾纏量子對狀態(tài)為；其中，；

步驟3：量子、、、、和組成系統(tǒng)：

；

R2對收到的糾纏粒子和進行Bell基測量，則上式改寫為

假定選用的是，則測量后和狀態(tài)為，系統(tǒng)塌縮為：

；

R4對收到的糾纏粒子和進行Bell基測量，則上式改寫為

假定選用的是，則測量后和狀態(tài)為，粒子和實現(xiàn)糾纏，在工程師站和電力監(jiān)控系統(tǒng)間建立了糾纏量子信道。

在工程師站完成繼電保護計算后，需要對繼電保護定值進行自動設(shè)置。首先，工程師站需要和電力監(jiān)控系統(tǒng)之間建立一條TCP連接，其中工程師站作為客戶端，電力監(jiān)控系統(tǒng)作為服務(wù)器；然后，其基于已經(jīng)建立的量子糾纏信道和信道自校驗功能完成繼電保護定值的安全傳輸，具體步驟如下：

步驟1：工程師站以計算得到的D₁- D₆的12字節(jié)定值數(shù)據(jù)為待校驗內(nèi)容，依據(jù)CRC算法生成16比特的CRC定值校驗序列D₇；定值校驗序列D₇為2字節(jié)；

步驟2：針對D₁-D₇共計112比特的數(shù)據(jù)，電力監(jiān)控系統(tǒng)針對112比特的數(shù)據(jù)分別制備112個相應(yīng)的粒子，如果第個比特為0，則制備得到的粒子狀態(tài)為；如果第個比特為1，則制備得到的粒子狀態(tài)為；制備得到的粒子狀態(tài)用表示，，；則

；

步驟3：工程師站將制備得到的112個粒子（）和工程師站側(cè)保存的112個未曾測量過的粒子（）分別做貝爾測量，測量得到的四種可能狀態(tài)為、、和，每次測量到的不同狀態(tài)均可以用2個經(jīng)典比特信息表示，狀態(tài)用經(jīng)典比特01表示，狀態(tài)用經(jīng)典比特11表示，狀態(tài)用經(jīng)典比特00表示，狀態(tài)用經(jīng)典比特10表示，測量完成后可以得到224個比特的經(jīng)典信息；

步驟4：將得到的224比特的測量信息作為定值內(nèi)容按照表1所示的定值設(shè)置格式封裝成一個TCP報文發(fā)送給電力監(jiān)控系統(tǒng)；其中，數(shù)據(jù)長度字段為28個字節(jié)，數(shù)據(jù)長度L低字節(jié)為0x1C，數(shù)據(jù)長度L高字節(jié)為0x00；

步驟5：電力監(jiān)控系統(tǒng)對接收到報文進行解析，如果接收到的TCP報文數(shù)據(jù)部分的第3個字節(jié)等于0x01，則表明此報文為繼電保護定值設(shè)置命令；依據(jù)表1的定值設(shè)置報文格式，電力監(jiān)控系統(tǒng)從接收到的報文中解析出224比特的數(shù)據(jù)信息，以兩個比特為單位按照順序?qū)?24比特分成112對，每對中包含兩個比特；依據(jù)收到的比特數(shù)值對電力監(jiān)控系統(tǒng)中保存的未被測量的第個粒子執(zhí)行相應(yīng)的幺正變換；并對變換后的每個粒子按照基矢和進行測量，測量結(jié)果為表示相應(yīng)比特為0；測量結(jié)果為表示相應(yīng)比特為1；最終可以得到14個字節(jié)的定值設(shè)置數(shù)據(jù)，其中最后兩個字節(jié)為定值校驗序列，用Q表示；

步驟6：以獲得的前12個字節(jié)的數(shù)據(jù)做為校驗對象基于CRC算法計算出16位的定值校驗序列H，將H與Q進行比較；如果相同，電力監(jiān)控系統(tǒng)將表2所示的內(nèi)容封裝成一個TCP報文發(fā)送給工程師站，表示定值發(fā)送成功，執(zhí)行步驟7；如果不同，定值傳送出錯，電力監(jiān)控系統(tǒng)將表3所示的內(nèi)容封裝成一個TCP報文發(fā)送給工程師站，表示定值發(fā)送出錯，重復(fù)執(zhí)行步驟1；

步驟7：工程師站發(fā)送定值固化報文，由電力監(jiān)控系統(tǒng)對接收到的定值固化報文通過已有電力監(jiān)控系統(tǒng)功能對設(shè)置的定值投入使用。