量子技术在电力领域的应用分析与展望

李文清，刘津濂，齐晓曼，田浩毅，赵学强

(国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437)

随着量子世界的诸多物理特征被不断发现，量子技术的研究步伐正不断加快，并开始在电力领域落地试点。目前量子通信已经在电力行业试点应用，对相关文献进行分析可以发现，量子技术正通过电力通信网络为阵地向电网全领域渗透[1-9]，并且呈现高校-企协-科研机构齐头并进的研究态势。量子技术可在提升电力系统安全性、经济性、稳定性等方面发挥重要作用，本文重点对量子通信、量子计算、量子测量以及量子材料在电力系统领域的应用进行分析。

1 量子技术在电力领域的布局

使用智慧芽专利检索平台进行专利数据检索，输入关键词“电力+量子”，共检索出专利5 236条，对专利数据进行清理后得到5 121条，利用英策分析工具进行专利地图分析，可得到电力领域量子技术的应用情况。利用知网数据库进行文献计量分析，输入关键词“电力+量子”共获取到文献6 189篇，开展文献计量分析后得出量子技术在电力领域的应用布局，见图1。

图1 量子技术在电力领域应用的布局[1]

由专利地图及文献计量分析结果可知：量子技术正通过电力通信网络向电网全领域渗透。量子技术在电力领域的应用呈现以下特点：总体呈现研究范围广、专业性强的特点，其中量子密钥分发、量子保密及量子传输协议等逐渐成为电力企业通信网络的重要技术支撑，可有效提升电力通信网络的安全水平及传输效率，申请专利和发表文献数量也最多；电网故障诊断、电气元件和材料等电网传统领域以及储能、风电等新兴领域成为量子技术在电力领域应用的第二梯队，专利申请数量处于增长阶段；量子技术在新能源电池、电网经济调度、无功优化等领域的应用已逐渐出现专利申请，并在未来一段时间内保持增长态势。

通过对3 000条相关专利的专利权人进行统计得到，量子技术在电力领域的研究态势，可概括为高校-企业-科研机构齐头并进，见图2。

图2 电力量子领域科研生态

(1)企业专利方面。我国量子保密通信领域产业化初具规模，以南京如般量子技术有限公司为首，业务主要聚焦在量子通信技术、商用量子密码产品开发等；国家电网公司作为电力领域龙头企业，在电力量子领域拥有较大技术优势。

(2)高校专利方面。国内各大高校的专利数量及价值已具备一定规模，已形成与科技企业齐头并进的研究态势，其中专业类高校更具优势。北京邮电大学利用通信专业优势排名中国各高校首位，申请专利61项。

(3)研究机构方面。我国专利申请排名前五的研究机构均为中科院及其下属各科研院所，呈现出极强的集团军式工作特征，具有较强的联合攻关能力，这是国外各类研究机构所不具备的。

2 量子技术在电力领域的应用前景

在电力领域应用各类量子技术，可提升电力系统的安全性、经济性、稳定性，具体应用场景如图3所示。

图3 量子技术在电力领域的应用场景

2.1 量子通信在电力系统中的应用

量子通信作为保障数据安全传输的新型技术，已具备实用化性能。量子通信技术具有超大容量、超远距离保密通信以及传输系统几乎无法破译等特点，具有理论上无条件的安全性以及极快的计算速度，使其成为电力企业日常通信活动的重要技术支撑。

应用量子通信可整体提升电力系统的通信性能，基于量子通信的电力系统业务领域如图4所示。

图4 基于量子通信的电力系统业务领域

(1)电力系统通信安全性得到有效提升。利用量子交换网络的不可克隆和不可篡改性，实现通信信息的防窃听；量子通信因具有理论上无条件的安全性以及极快的计算速度，未来将成为电力系统通信网络技术的制高点。

(2)电力数据传输的可靠性得到大幅度提高。在电力系统架空线路和变电站等高电磁干扰环境下，误码率会进一步增大，通过开展量子纠错编码业务，可有效降低电力数据高电磁干扰环境下传输的误码率。

(3)电网调度的实时性得到加强。利用量子密钥分发链路，实现主、备数据之间的合理分发与交换，完成数据的实时采集与更新。电力量子通信组网技术应用如表1所示。

表1 电力量子通信组网技术应用

(4)电力通信网传输规模得到大幅度扩展。根据服务对象的不同，电力业务可分为电网生产业务和信息管理业务。为适应不同业务需求，结合电力典型业务、典型场景及多种通信方式，电力系统中可以开展量子通信组网。基于量子密钥分发开展通信业务，有效保障了数据交互的安全性和时效性，同时可实现电力信息传输距离无限制以及通信用户数量无限制。

目前，电力系统领域已经开展了多项基于量子通信技术的工程业务。代表性工程案例包括：国网上海市电力公司开展了“三表集抄”业务，通过量子信息采集系统可以实现水、电、气数据的集中采集与上传以及业务系统通信的高等级保密，同时可极大提高数据采集效率，并节约大量人工成本；国网公司电力应急指挥中心开展了基于无线模式的量子密钥分发技术的“重大会议保电业务”，可以实现重大会议保电过程的音视频数据传输全过程的绝对安全性。

2.2 量子计算在电力系统中的应用

随着我国电力行业清洁化和智能化的发展，智能优化控制技术迅速兴起。但是，常用的智能优化算法和机器学习算法均存在不同程度的缺陷，如计算效率低、易陷入早熟或参数繁多不易确定等，对算法在训练和寻优过程中的效果影响极大。对这些因素的处理是否得当，将直接影响优化结果，并极大地影响电力系统运行的安全性、经济性及稳定性。在电力系统中应用量子计算可实现系统计算能力的突破。量子计算在电力系统中的应用如图5所示。

图5 量子计算在电力系统中的应用

(1)量子计算可提升系统最优参数的获取效率，利用量子优化算法可提高最优数据搜索速度和成功率，具有搜索目标明确、应用范围广等特点，在发电机组系统辨识和参数优化业务中效果突出。

(2)量子计算可大幅提升系统模型预测的计算精度，结合神经网络的量子计算能够精确、有效地识别电力系统运行特性或模式，可用于电力系统状态评估、负荷预测及故障诊断等方面。

(3)量子计算能够大幅降低配网规划的时空复杂度计算成本，量子计算可实现大规模计算的并行化，降低计算的空间和时间复杂度，其特有的量子纠缠特性可使目标搜索和运算时间大幅缩短，充分利用已知的信息加快收敛速度，增强算法的局部搜索与全局搜索的平衡性，可用于优化分配电网机组及网架规划。

(4)量子计算可大幅扩展电力数据处理的计算规模。利用量子计算方式对电力系统演化行为进行模拟，可提升信息处理的充分性和有效性，适应复杂场景的约束条件及变量众多的问题，解决经典计算无法处理的大规模计算量的问题。

量子衍生算法是量子力学与传统算法结合形成的新型算法，其本质上仍属于传统算法，因此可以直接在传统计算机平台上执行，目前量子衍生算法不断发展并被引入智能算法领域，并且已在众多领域有所应用。目前，在电力系统各个场景中实际应用的量子计算均属于量子衍生算法，具体的应用场景及效果如表2所示。

随着量子衍生算法的不断完善以及电力系统智能化发展需求的不断提高，未来势必有更多高效能的量子算法或量子机器学习技术逐步应用于更多的电力系统领域。另一方面，随着未来量子计算机的逐步发展成熟，量子计算也必将在电力系统中多个领域得到应用。

2.3 量子测量在电力系统中的应用

量子测量采用量子态来记录信息，是获取量子信息最重要的途径，也是量子力学的基础之一。目前，基于量子测量的反馈控制已在量子探测、雷达、信号、网络等方面有诸多试验成果得以展现；量子测量还可用于高精度探测传感器，对需要大规模高精度信号探测和状态感知等领域将起到极大的推动效果。

基于量子测量的电力系统业务领域如图6所示。

图6 基于量子测量的电力系统业务领域

目前，电力系统的控制方式与结构越来越复杂，反馈控制的环路层次不断叠加扩大，因而对控制精度和稳定性的需求不断增长，以实现对控制变量的高效精确控制。量子测量采用量子态来记录信息，是获取量子信息最重要的途径，也是量子力学的基础之一。量子测量可以实现未来系统控制、演化及评估等方面的突破，提升电力系统的采集控制效果；基于量子测量可以实现对控制变量的高效精确采集与反馈控制，大幅度提高电力系统多层次与环节的控制精度和稳定性；基于量子测量还可以实现对电力系统动态演化数据的掌握。利用量子测量可全面、实时、精确地获取系统各环节的数据，并实现测量值在不同状态之间的转化，提升数据处理分析的交叉性与互补性，有利于实现电力系统动态过程演化的全面性、形象性与实时性，实现电力系统全面状态的评估。基于量子测量可以制作高敏感度及高精度探测传感器，有利于实现电压、电流、频率、相位等多类型信号的智能识别、收集与传输，实现信息技术在电力系统中的极致应用，促使电力系统朝着智能化与透明化的方向发展。

未来，电力系统以及能源互联网将朝着透明化方向发展，而透明电网的状态评估及安全运行将极大依赖信号的实时探测、传输、收集、分析等。经相关研究，其较好实现方式是利用小型化、低功耗、自取能的小微智能传感器，实现电压、电流、频率、相位等基本数据的信息传输。由此可以预见，基于量子测量的高敏感度及高精度探测传感器将为电力系统中大规模、多类型、多特征信号的识别、收集与传播等技术过程提供有效的解决思路，从而满足这些关键特征要求。

2.4 量子材料在电力系统中的应用

目前，基于量子反常霍尔效应的新型材料正处在飞速研发进展之中，未来一旦成熟并得到应用，电力系统诸多性能将产生质的飞跃。如今集成电路芯片散热问题成为阻碍摩尔定律持续发展的瓶颈，大量电子产品如笔记本电脑、手机甚至超级计算机，都有大量电能是因为发热而浪费掉。

基于量子反常霍尔效应的拓扑绝缘材料已获得研发应用，可大幅降低电力电子器件能量损耗与发热，未来必将对电力系统的高能耗器件及设备产生重大效益，其应用领域如图7所示。

(1)利用量子材料可实现电网能源损耗的大幅度降低。可通过在电力系统中的变压器、换流器等高功率设备中应用拓扑绝缘材料，大幅度降低设备运行过程中的电磁损耗。

(2)应用量子材料可大幅改善电力系统的设备投资与运行寿命。电力系统能耗及发热的大幅度降低可减少大量冷却系统或设备的安装数量、运行功率及时间，降低电力系统的建设投资费用，并提高设备的运行寿命。

(3)应用量子材料可实现电网稳定性及电压质量的大幅度提升。大范围应用拓扑绝缘材料的电力系统，可使能源损耗大幅度降低，从而提升电网运行稳定性，同时使设备处于更优运行状态并获得更高的电压质量。

3 结语与展望

随着量子技术的不断发展以及量子技术应用的不断加深，未来量子通信、量子计算、量子测量、量子材料等在电力系统中将有广泛的应用前景，并且会对电力系统带来深刻变革。特别是在电力通信领域开展量子通信的落地应用，构建以量子通信技术为基础的网络架构，可以从本质上确保电力通信网络不被攻破，从而保证电网的安全稳定运行；在量子计算领域开展电力系统复杂技术研究，针对用电负荷密度高、电能质量要求高的区域，随着数字化程度的不断加深以及系统协调性要求的不断提高，电力系统各环节的以算能力要求将呈指数级增长，传统计算方式将不能承载现有计算量，可运用量子计算技术处理大规模计算；在电力量子测量领域不断尝试应用最新研究成果，当前电力量子测量领域的学术研究处于百花齐放的状态，关键技术研究学界还未达成共识，大部分技术还处于实验室研究阶段，未进入实验室验证阶段，可开展前沿技术的挖掘与追踪。