配电设备状态监测技术及应用

国网安徽合肥供电公司汇报人阮祥勇2026年6月 01量子技术发展现状 目录 03量子技术在配网的应用 1.1国家政策 习近平总书记指示： “要提高量子科技理论研究成果向实用化、工程化转化的速度和效率，促进产学研深度融合协同创新”。 2016年 2024年 2025年 国务院《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，量子科技被列入重点关注的战略性前瞻性产业。 国务院《2024年政府工作报告》：制定未来产业发展规划，开辟量子技术等新赛道，创建一批未来产业先导区。 《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十五个五年规划的建议》里，量子科技首次被置于未来产业布局首位。 出现在政府工作报告中全面发展包括量子通信量子计算、量子精密测量在内的量子科学。 1.2各地政策 陕西 《陕西省计量发展规划（2021—2035年）》实施国家“量子度量衡”计划，开展基于微观粒子量子效应的精密测量技术研究 湖北 安徽 《安徽省实施计量发展规划（2021一2035年）工作方案》到2035年，以量子测量为核心的计量技术在全国领先 《湖北省关于印发加快“世界光谷”建设行动计划的通知》建设国际一流的量子精密测量和量子导航应用技术系统 上海 成都市 《上海打造未来产业创新高地发展壮大未来产业集群行动方案》围绕量子计算、量子通信、量子测量，积极培育量子科技产业 《成都市“十四五”数字经济发展规划》重点发展量子通信应用方案、量子计算软件系统、量子信息材料等湖南 浙江 《浙江省高质量推进数字经济发展2022年工作要点》加快布局一批包括量子信息在内的未来产业先导区 《湖南省人民政府关于推进计量事业高质量发，展的实施意见》推动量子计量标准建设，提升区域核心竞争力广州市 江西 《江西省人民政府关于加快推进新时代计量工作高质量发展的实施意见》加强计量基础研究，积极参与“量子度量衡”计划 《广州市战路性新兴产业发展十四五”规划》瞄准量子科技等一批面向未来的前沿产业集中突破 1.3电力量子技术里程碑事件 2017年4月 2018年11月 2020年10月 2019年10月 首届中国国际进口博览会 电子量子加密机 调度自动化量子示范网络 亚运主场馆数据紧密互联 南瑞集团发布首台电力量子加密机，为电力通信提供最安全防护。 国网上海电力将量子通信技术应用于首届中国国际进口博览会保电工作，打造“智慧保电”新模式。 国网安徽电力建成覆盖多种光缆、多级电压，多类QKD设备、支持可信中继的首个应用验证最全面的调度自动化量子示范网络。 国网浙江电力通过引入量子通信技术，实现杭州供电公司应急指挥中心与亚运主场馆等重要城区电力系统数据紧密互联。 2024年3月 2023年4月 2021年10月 2022年6月 量子加密无线通信 电力量子感知实验室 量子应用示范变电站 世界首台量子电流互感器 国网安徽电力建成国内唯一行业首个电力量子感知实验室，被认定为安徽省联合共建学科重点实验室。 国内首条基于量子加密无线通信的全自动化架空线路在浙江宁波投运，实现量子加密与电力设备的深度融合。 由国网安徽电力牵头研制的世界首台量子电流互感器在合肥110干伏潜水路变挂网运行。 国网安徽电力世界首座量子应用示范变电站“候店变”投运。 示范站选址为合肥220干伏候店变，地处合肥高新区“量子中心”腹地，实现了量子电流互感器、量子点传感器、量子雷达、5G+量子等18类共计85台套电力量子技术应用成果的落地应用，首次全面覆盖量子信息技术三大方向，是面向世界展示国家电网未来产业创新发展的窗口。 2量子技术概述Part 2.1核心概念 量子是物理世界中最小、不可再分割的基本能量单元，是电子、光子等微观粒子的行为载体。它并非具体粒子，而是描述微观粒子运动状态的基本单位，打破了经典物理的连续规律。 三大原理驱动技术发展 量子叠加 量子不可克隆 量子纠缠 原理：微观粒子可同时处于多个状态的叠加态，突破了经典比特非0即1的限制。 原理：在量子力学中，无法精确复制一个未知的量子状态，这是量子世界的基本物理法则。 原理相互纠缠的粒子无论相距多远，其量子状态都会瞬间关联方改变即刻影响另一方。应用：实现绝对安全的量子密钥分发：将测量精度提升至海森堡极限，赋能超高精度的传感技术。 应用：从物理原理上杜绝了信息被窃听和复制的可能，任何窃听行为都会干扰量子态并被立即发现，保障通信的无条件安全。 应用：利用叠加态实现量子比特的并行计算，获得指数级算力提升有效解决密码破解、药物研发等经典计算机无法处理的复杂问题。 2.2技术路线 基于量子三大原理演化出量子的三大应用方向，分别为量子测量、量子计算和量子通信。基于这三大方向，在电力行业有相关的技术应用。 量子测量 2.3量子测量应用技术1：量子隧穿效应 量子隧穿磁阻（TMR）传感器通常由两个由非磁性分隔层隔开的铁磁层组成。当施加磁场时，两个铁磁层中磁矩的相对排列会影响电子隧穿概率，从而导致电阻发生可测量的变化，利用电阻随磁场变化的规律，可以实现磁场强度、方向的测量。 左侧：自由层与钉扎层磁化方向相互平行，器件电阻变小，电流增大。 量子隧穿效应： 粒子穿过势垒并出现在经典力学禁阻区域 右侧：自由层与钉扎层磁化方向相反，器件电阻变大，电流减小。 TMR电流测量 通过对TMR磁测量芯片探测的信号进行放大增加反馈线圈驱动输出，使反馈线圈磁场增大直至中和待测磁场，此时反馈线圈电流与待测电流成一个比例关系。 2.3量子测量应用技术2：量子点技术 量子点（quantumdot）是一种直径在1-20纳米（约10-100个原子）的半导体纳米晶体，也被称为“人造原子"。 量子点技术 量子点技术是将半导体材料制成纳米级的“量子点电子被限制在微小空间内呈现出显著的量子特性，其能级结构随尺寸变化而改变，表现出独特的光学和电学性质， 量子点测火灾技术 量子点材料的表面效应会使表面原子增多，引发表面能、结合能及电子结构变化，让原本化学情性的金属量子点微粒活性极高 磁场测量 外界磁场会导致金刚石NV色心的电子自旋能级发生塞曼劈裂，劈裂能级差△f与外磁场B的大小成正比。基于光探测磁共振（ODMR）技术可以实现对电子自旋能级差△的测量，从而实现对磁场的高精度测量。系 电流测量 根据安培环路定律，磁感应强度沿闭合路径的线积分等于被该路径包围的电流的代数和乘以真空磁导率。 2.3量子测量应用技术4：单光子探测技术 单光子探测技术是是光电探测领域的“极限挑战”旨在实现对极微弱光信号的捕捉和计数。系统找 传统探测器：模拟量的“测量员 传统探测器（如PIN光电立极管）测量的是光的强度，即单位时间内到达的光子数量总和，输出的是一个与光强成正比的模拟信号。它如同一个“水桶”，收集一段时间内的“雨水”，然后测量水的深度。 单光子探测器：数字量的“计数员” 单光子探测器工作在数字模式下，其核心功能是“计数”。每当一个光子被吸收并触发一个可探测的电信号时，它就记录一个“事件”。它如同一个“雨滴感应器”记录每一滴“雨滴”落下的精确时刻 2.4量子通信应用技术1：量子密钥分发 量子密钥分发（QKD），为通信双方通过传送量子态的方法实现信息论安全的密钥生成和分发的方法和过程，也称量子密钥分配。利用QKD分配的量子密钥可以实现理论无条件安全的保密通信，具备抗量子计算能力，可实现理论上的绝对安全保密通信。 BB84协议 BB84作为实现上述方法和过程的协议基于量子力学的基本原理保证通信双方之间能够生成一串完全相同且攻击者无法获取信息的随机数以作为共享密钥的方法和过程。 测量场缩理论 不确定原理 不可克隆原理 2.4量子通信应用技术2：量子随机数生成 量子随机数生成（QRNG）基于量子力学内在的随机性，是汽今为止在理论上被严格证明能够产生完全不可预知的随机序列的发生器。随机序列无法预测，多用于密码学等场景。统打 QRNG相对于传统的随机数发生器具有三个特征优势：真随机、可证明、高速率。 真随机：基于量子力学内在的随机性产生真随机数。 可证明：具有完善的物理数学模型，安全性可证明。 高速率：主流的QRNG产生速率可达Gbit/s量级。 任何基于经典过程（即经典力学的过程）所产生的随机数，本质上都不是真随机的，只是确定性事件的概率组合。一摘自“国家密码管理局”官网文献 量子随机数发生器架构第 量子真随机数 量子随机数基于量子力学内在的随机性，是迄今为止在理论上被严格证明能够产生完全不可预知的随机数。摘自“国家密码管理局”官网文献 2.5量子计算应用技术：超导量子计算 超导量子计算机利用超导材料在极低温下的宏观量子效应制造量子比特，核心元件是约瑟夫森结，能实现量子态的叠加与纠缠。为维持脆弱的量子态，其必须在接近绝对零度的超低温环境中运行 约瑟夫森结 超导体-绝缘体-超导体的SIS隧穿结构，超导电流隧穿传输时遵循专属电压电流相位特性。其电流与相位呈正弦耦合变化，具备典型非线性响应特征可等效为动态非线性电感，是超导量子电路中调控电磁参数的核心基础单元。 ransmon超导量子比特 基于超导结搭配电容构建超导振荡电路，打破天然能级限制，成功构筑稳定的人造量子能级结构。该电路的固有振荡频率即为量子比特的额定工作频率，为量子态激发、演化与精准调控提供了核心频率基准，是超导量子运算的基础。 量子技术在配网的应用 3.1系统架构 量子技术应用整体架构分为三层，第一层量子感知层，如量子测量方向的量子隧穿技术。第二层智能分析层，对上传的数据进行智能分析。第三层业务应用层，如量子隧穿技术应用的场景有电流测量和行波故障定位。电系统 技术应用4：单光子探测技术应用场景1：防灾减灾 技术应用1量子隧穿效应 应用场景1：电流测量应用场景2：行波故障定位 技术应用5：量子随机数应用场景1：信息加密传输应用场景2：信息加密存储 技术应用2：金刚石NV色心 应用场景1：电流校准 应用案例6：示范项目应用案例1：量子站房应用案例2：车网互动 技术应用3：量子点技术 应用场景1：电缆火灾监测 应用场景2：局部放电监测 3.2量子隧穿技术应用场景1：电流测量 核心应用场景 配网架空线：实时监测负载，为线路增容、负载转移提供数据支撑配电站房：精确掌握进线/出线电流状态，实现精细化管理与故障预电系统技术 核心原理 基于量子隧穿效应的元件具有钉扎层（固定）、势垒层自由层（随磁场变）的三层堆叠结构。外磁场改变自由层方向，当与钉扎层一致时，电子发生量子隧穿，使元件电阻变化，从而精准反推电流值 核心优势 1.抗干扰强：10kV高压及复杂电磁环境下，测量误差≤1%，数据稳定。 2.高稳定性：双电源+智能储能，保障全天候连续工作。3.极致安全：非侵入式卡扣设计，支持带电安装，无触电风险。 3.2量子隧穿技术应用场景2：行波故障定位 ■核心应用场景 配网架空线：行波故障定位、故障类型研判分析 核心原理 基于量子隧穿效应的磁传感芯片实现对高频电流的高精度采集与实时响应。芯片采用推换式惠斯通全桥结构设计，包含4个非屏蔽高灵敏度隧道磁电阻元件。当外加磁场沿平行于传感器敏感方向变化时，惠斯通全桥提供差分电压输出。届 核心优势 1.行波波头保真度高，无感性磁芯损耗，纳秒级响应，完美符合阶跃沿，同采 2.大电流饱和与剩磁特性好，无磁滞现象，过量程后瞬间恢复线性3.无高频振荡风险，无感性材料，不会与寄生电容产生LC谐振。 3.3金刚石NV色心应用场景：电流校准 【核心应用场景 电流测量、校准 核心原理 基于金刚石NV色心（氮空位中心）量子传感技术与安培环路定理，将多个NV色心探头环形布置于导线周围，利用高精度、大量程、宽温域NV色心磁传感器对磁场进行测量，实现非接触式电流测量。 ■核心优势 1.无磁饱和2.非侵入式测量第九届）新型 3.4