专题丨面向新型电力系统的量子保密通信技术及应用

面向新型电力系统的量子保密通信技术及应用

冯宝¹  赵子岩²  卞宇翔¹  吕超¹  王开创¹

（1.南京南瑞信息通信科技有限公司，南京 210016；

2.国家电网有限公司信息通信分公司，北京 100761）

摘要：随着新型电力系统建设，源网荷储广泛互动，多种业务数据频繁交互、多种通信方式融合组网，电力系统将面临更多的网络攻击，业务数据传输面临更大的安全风险。基于量子力学原理的量子保密通信技术，结合香农“一次一密”理论可实现信息论上的无条件安全性，为提升电力系统通信安全提供可行方案。分析了面向新型电力系统“采—传—存—用”各环节的通信安全提升需求，系统总结了量子密钥分发、量子随机数以及抗量子密码的技术原理、应用现状和国内外技术进展，提出后续技术研究及应用建议，旨在提升电网业务数据交互端到端安全性，助力电力系统构建具备抗量子计算的信息通信基础设施。

关键词：新型电力系统；量子密钥分发；量子随机数；抗量子密码

0  引言

电网安全关乎国家安全。随着新型电力系统建设，源网荷储广泛互动，大电网广域控制日趋频繁，电网末端海量分布式新能源终端大量并网，电网控制、数据采集、经营管理等多种业务数据频繁交互，光纤、无线、卫星等多种通信方式融合组网，电力系统安全防护边界更加模糊，电力通信系统将面临更多的网络攻击，电力业务数据交互将面临身份冒充、信道窃听、数据泄露和篡改等安全风险。

当前，针对量子计算威胁，科学家主要从物理和数学两个层面对现有安全防护体系进行加固。前者采用基于量子力学特性的量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）技术和量子随机数生成（Quantum Random Number Generation，QRNG）技术，从物理学层面保证密钥分发的安全性和随机数的随机性，具有长期安全性。后者通过构建量子计算机仍难以处理的数学难题，从数学层面保证抗量子密码（Post Quantum Cryptography，PQC）算法的安全性，虽理论上一定会被破解，但破解周期非常长，在宏观大时间尺度上可认为数据窃听已失去价值。

自2012年起，电力行业开始探索量子保密通信技术，从QKD对电力环境的适应性、QKD组网对电力业务的适配性、QKD和QRNG与电力系统现有密码体系的兼容性、电力量子保密通信网络运维管理的精益化4个维度开展了技术研究，并针对地埋和架空等不同光缆类型、偏振和相位等不同编码方式、点对点和点对多点等不同QKD组网方式、各类电力业务开展了应用验证^[1]。然而，随着新型电力系统建设，电网涉控类业务逐步呈现出由局域控制向区域控制乃至广域全网协同控制扩展，由主网控制向配网控制乃至电网末梢负荷控制延伸的新趋势，势必会对量子保密通信技术在新型电力系统的应用提出新需求。

1  业务需求分析

针对新型电力系统“采—传—存—用”各环节安全提升需求，从终端身份认证、通信通道加密、业务数据加密3个层面开展电力量子保密通信业务需求分析。

1.1  终端身份认证需求

随着新型电力系统建设，电网末端海量新能源、虚拟电厂、电动汽车充电桩、用户侧储能等多元主体并入电网，对通信网络的覆盖全面性和接入灵活性提出了更高要求，目前广泛采用无线通信方式接入。然而，电网末端的通信终端一般部署于更加开放的外部环境，容易受到本地攻击和身份冒用，对通信终端本体安全和远程身份认证提出了更高要求。因此，迫切需要采用随机性更强的量子随机数、实时分发的量子密钥，提升电网末端海量无线通信终端的安全性。

1.2  通信通道加密需求

为适应新型电力系统源网荷储广泛互动需求，电力通信系统逐步向光纤、无线、卫星等多种通信方式融合组网的空天地一体化架构演进。面向广域大电网控制和省域调度自动化需求，当前普遍采用同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、光传送网（Optical Transport Network，OTN）等光传输网络传输；面向电网末端海量业务终端并网需求，当前普遍采用无线通信接入，两者均未在通信通道层面启用加密，存在被物理窃听的风险。因此，需要将实时分发的量子密钥融入物理层，采用数据净荷加密，提升底层通信安全性；或将量子密钥融入网络层，采用互联网安全协议（Internet Protocol Security，IPSec）/安全套接层（Secure Socket Layer，SSL）虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）技术，构建量子加密隧道实现网际互连协议（Internet Protocol，IP）地址隐藏和通信通道加密。

1.3  业务数据加密需求

电网业务数据主要包括用于电网生产控制环节的生产控制类业务，以及用于电网管理数字化环节的管理信息类业务。前者通过采集电网运行数据，并下发控制指令，对电网进行调度控制，若被窃听、篡改可能会造成规模停电等严重事故。后者主要辅助电力公司开展经营和管理数字化，包含了大量的敏感数据，若被窃取，会导致电网一次网架拓扑、居民和工商业用电数据泄露，影响国家安全。因此，需要采用量子保密通信技术实现电网调控指令和敏感数据的加密存储、密态运算和安全传输。

针对上述需求，本文将对QKD、QRNG和PQC技术在新型电力系统下的应用进行深入分析。

2  QKD技术

根据量子态传输介质的不同，QKD分为光纤QKD和自由空间QKD两大类。

2.1  光纤QKD

2.1.1  技术原理

电力光纤QKD包括量子密钥分发和业务数据加解密两个阶段，具体如图1所示。

图1   电力光纤QKD应用示意图

量子密钥分发阶段：通过在电力业务终端侧和业务主站侧分别新增部署1对QKD设备，采用专用光缆纤芯、专用密钥分发协议（如BB84^[2]等），实现量子密钥的实时生成与分发。

业务数据加解密阶段：业务信道仍采用原有通信链路和加密算法，从QKD网络获取量子密钥，构建电力量子加密隧道，实现电力业务数据的加密传输。

2.1.2  应用现状

当前，安徽、江苏、上海等多个省市的电力系统已经建设了光纤QKD网络，开展了业务应用验证，具体如表1所示。在单跨成码距离方面，聚焦适用于长距电力架空光缆环境的光量子补衰增程技术研究，根据本文统计，成码距离从30~40 km（衰减8 dB），到80~100 km（衰减20 dB），再到120~150 km（衰减30 dB）。在量子态编码方面，聚焦适用于各类电力光缆环境的量子态抗干扰技术研究，从适用于地埋光缆的偏振态编码QKD，到可抵御一定风振抖动的快速偏振反馈编码QKD^[3]，再到适用于电力架空光缆环境的高速相位编码QKD。在量子密钥成码率方面，根据本文统计，地埋光缆和架空光缆均大于2 kbit/s。在QKD组网方面，聚焦于电力汇聚型业务多节点量子密钥分发与同步技术研究，从点到点到基于光开关的点到多点组网，再到基于可信中继的多点到多点组网。在核心装置研发方面，聚焦于量子密钥与现网电力加密认证装置、电力通信装置的融合技术研究，研制了电力量子纵向加密认证网关和通用型IPSec VPN网关^[4]，并支持量子密钥和经典密钥的无缝切换。在电力业务应用验证方面，聚焦主网调控、重要会议保障、内外网交互等典型场景开展了试点验证。一是面向主网调控场景，利用光纤QKD实现了点对点、点对多点和基于可信中继的复杂组网，实现了调度自动化“三遥”业务模拟验证和现网长期运行；二是面向重要会议保电场景，利用量子“京沪干线”进行百万米级可信中继，实现了大数据量保电指挥视频会议业务验证；三是面向内外网交互业务场景，通过自建末端光缆，实现了综合能源智慧管控、三表集抄等业务应用验证。

表1   光纤QKD电力行业典型应用

2.1.3  国内外技术进展

国内外相关团队在光纤QKD方向，聚焦更远的密钥分发距离、更安全的密钥分发协议，具体如表2所示。

表2   光纤QKD标志性研究成果

2.1.4  后续研究及应用建议

针对广域大电网协调控制业务场景，特别是特高压远距离架空光缆安全通信需求，电力光纤QKD技术将向高抗扰、高成码率、超远距离等方向演进。一是研究适用于电力恶劣环境的新型QKD协议，如可将TF-QKD等远距离QKD协议引入电力系统，分析其电力环境适应性，并进行适用性改造。二是研究更高灵敏度的单光子探测器，进一步延伸传输距离。

针对省域主网调控、主备调数据同步等业务场景，电力光纤QKD技术将向低成本、高集成度、高安全等方向演进。一是研究高集成度QKD技术，将QKD设备小型化为板卡，与SDH、OTN等光传输设备、电力专用纵向加密认证装置等通信和安全设备进行深度融合，研制“量-通融合”和“量-安融合”系列一体化装置，提升物理层和网络层通信安全。二是研究量子-经典共纤波分技术，将量子信道、协商信道和业务信道合一，节省纤芯资源。三是研究更安全的电力QKD协议，如可将MDI-QKD等设备无关QKD协议引入电力系统，分析其电力环境适应性，并进行适用性改造。

针对电力业务复杂网络拓扑场景，电力光纤QKD技术将向异构灵活组网方向演进。一是研究基于量子纠缠的中继技术，灵活构建长距离QKD网络。二是量子密钥分发和管理解耦，研究面向多厂家、多技术体制的量子密钥统一管理和调度技术。

2.2  自由空间QKD

2.2.1  技术原理

自由空间QKD包括基于卫星QKD和搭载QKD载荷的无人机两类。其中，卫星QKD技术已在电力系统试点应用。电力卫星QKD应用方案包括量子密钥分发、量子密钥可信中继和业务数据加解密3个阶段，具体如图2所示。

图2   电力自由空间QKD应用示意图

星地量子密钥分发阶段，通过在电力业务终端和业务主站的通信双方分别新增部署1套卫星QKD地面站设备，利用量子卫星经大气信道进行单光子量子态的传输，叠加激光通信或无线通信信道完成量子密钥协商过程，从而实现星地实时的密钥提取。

量子密钥可信中继阶段，地面站A和量子卫星之间分发量子密钥K1，地面站B和量子卫星之间分发量子密钥K2，将地面站A的量子密钥K1与K2进行异或（K1⊕K2）加密传输到地面站B，地面站B用自己的量子密钥K2对传输的量子密钥进行异或（K1⊕K2⊕K2=K1），可得到与地面站A相同的密钥K1。

业务数据加解密阶段，电力量子加解密设备基于从卫星QKD地面站获取的量子密钥建立量子加密隧道，实现电力业务数据的加密传输。

2.2.2  应用现状

当前，北京、新疆、福州等省市的电力系统已经基于量子卫星地面站和量子卫星构建卫星QKD网络，开展了广域电力业务应用验证，具体如表3所示。在量子卫星方面，聚焦小型化量子卫星和星上QKD载荷切片隔离技术研究，基于“墨子号”卫星在北方雾霾地区和南方潮湿地区开展了业务应用验证，在外界环境满足成码要求时，单轨实际平均成码量均大于60 kbit^[11]。在卫星地面站方面，聚焦小型化、便携式、可移动技术研究，先后采用了大型固定式地面站和便携式地面站，大幅提升了卫星QKD地面站的可移动性。在核心装置研发方面，研制了同时支持电力专用加密认证算法和通用IPSec/SSL算法的星地互联电力量子加密认证装置。在业务应用验证方面，聚焦广域电力业务，涵盖不同带宽、实时性和可靠性需求开展业务应用验证。一是利用量子“京沪干线”和“墨子号”量子卫星，基于固定式地面站，在北京—新疆之间开展了广域FTP大文件传输业务应用；二是利用“墨子号”卫星，基于小型化便携式地面站，在福州—北京之间开展了广域应急指挥、财务管控、办公自动化等业务验证。

表3   自由空间QKD电力行业典型应用

2.2.3  国内外技术进展

国内外相关团队在自由空间QKD方向，聚焦星地卫星QKD和空地无人机QKD开展研究，具体如表4所示。

表4   自由空间QKD标志性研究成果

2.2.4  后续研究及应用建议

针对广域调控业务场景，电力自由空间QKD技术将向适应量子卫星星座组网、小型化量子卫星地面站等方向演进。一是研究适用于电力海岛等恶劣环境的星地一体量子密钥应用策略，解决星地量子密钥成码不足难题。二是研究小型化、可移动量子卫星QKD和电力加密认证融合技术，将电力系统系列加密认证装置小型化为板卡嵌入卫星QKD装置，实现“量—安”融合，降低部署难度。三是研究卫星QKD量子密钥与通信装置融合技术，实现“量—通”融合，提升通信安全。

针对空天地一体化通信组网架构，电力自由空间QKD技术将向与光纤QKD、无线量子密钥调度技术融合方案演进。一是研究广域卫星/无人机QKD、省域光纤QKD、末端无线量子密钥调度融合的空天地一体化电力QKD架构。二是研究空天地一体化电力量子密钥统一管控技术，构建电力量子密码云，对外提供软硬件接口。

3  量子随机数生成技术

量子随机数在电力系统的应用主要包括基于量子随机数发生器本地产生量子随机数密钥和面向无线通信的QKD和QRNG量子密钥调度两大类。

3.1  量子随机数生成

3.1.1  技术原理

量子随机数是利用量子力学的不确定性原理，通过对量子系统的叠加态进行测量生成真随机数序列的技术，具有内禀随机性。根据量子随机熵源，可将QRNG分为离散变量和连续变量两类^[15]。其中，离散变量QRNG主要采用单光子方案，包括基于单光子的时间分辨率、空间分辨率和光子数分辨率等方法。连续变量QRNG主要通过测量量子物理过程的各类噪声实现，包括真空涨落噪声、相位涨落噪声、放大自发辐射噪声等，由于其生成速率较离散变量更高，是目前主流的技术路线。

3.1.2  应用现状

当前，QRNG在电力系统一般结合无线量子密钥调度技术应用，详见3.2.2章节。

3.1.3  国内外技术进展

国内外相关团队在QRNG技术方向，聚焦更高生成速率、更安全可靠等方向开展研究，具体如表5所示。

表5   QRNG技术研究方向

3.1.4  后续研究及应用建议

针对电网末端海量业务终端安全接入需求，亟需研制低功耗、低成本、轻量化电力量子随机数芯片，在配网加密芯片和智能电表加密芯片中集成量子随机数，提高身份认证、数据加密的安全性。

3.2  无线量子密钥调度

由于基于无线信道传输量子态的技术尚未工程化，目前一般采用离线充注的初始量子随机数密钥“一次一密”加密QKD量子会话密钥传输的方案。本文将该方案简称为无线量子密钥调度。

3.2.1  技术原理

借助量子优盾（USBkey，Ukey）或微型存储（Trans-flash，TF）卡将初始量子随机数密钥预置到量子客户终端设备（Customer Premise Equipment，CPE）中，基于预置的量子随机数密钥进行身份认证和QKD量子会话密钥的“一次一密”在线分发。

电力无线量子密钥调度包括初始量子随机数密钥充注、QKD量子会话密钥分发和业务数据加解密3个阶段，具体如图3所示。

图3   电力无线量子密钥调度示意图

初始量子随机数密钥充注阶段，利用量子密钥充注机将量子随机数发生器产生的量子随机数预置充注到量子Ukey/TF卡，作为初始量子随机数密钥手动分发到量子CPE中。

QKD量子会话密钥分发阶段，量子CPE和量子加密认证网关分别与量子密服平台进行QKD量子会话密钥同步和更新。

业务数据加解密阶段，量子CPE和量子加密认证网关基于从量子密服平台实时获取的QKD量子会话密钥建立量子加密隧道，实现电力业务数据的加密传输。

3.2.2  应用现状

当前，电力系统已开展基于无线量子密钥调度的业务应用验证。在量子会话密钥更新方面，聚焦“一次一密”和在线更新技术研究，在业务系统侧构建量子密钥池，采用离线充注的初始量子随机数密钥“一次一密”在线分发QKD量子会话密钥方式更新。在核心装置研发方面，研制了4G/5G量子CPE、4G量子馈线终端单元（Feeder Terminal Unit，FTU）板卡和量子纵向加密认证网关、标准IPSec量子VPN，适配各类电力业务场景。在业务应用验证方面，聚焦配网调控和移动类业务终端开展应用验证。一是面向配电自动化“三遥”、虚拟电厂、分布式新能源群调群控、配网FTU一二次融合开关等配网涉控类业务，据笔者统计，浙江已部署配网量子FTU一二次融合开关超3万套；二是面向移动通信终端、移动办公便携式平板电脑、机器人巡检、无人机巡检等移动作业类业务，充分验证了电力系统应用无线量子密钥调度技术的可行性。

3.2.3  国内外技术进展

国内外相关团队在无线量子密钥调度应用方向，由运营商主导，聚焦量子随机数密钥在移动通信中的应用开展研究，具体如表6所示。

表6   无线量子密钥调度方向标志性研究成果

3.2.4  后续研究及应用建议

针对变电站本地局域无线通信安全提升需求，亟需研究采用量子随机数的数字证书生成技术和基于“一次一密”实时分发量子密钥的可信WLAN通信安全增强技术，提升可信WLAN系统的身份认证、通信传输的安全性。

针对配用电场景无线通信安全提升需求，亟需研究采用随机性更强、实时更新的量子密钥进行通信终端二次鉴权、通信通道轻量级加密认证、业务主站敏感数据加密运算等技术，提升业务端到端安全性。

4  抗量子密码技术

4.1  技术原理

PQC是针对当前已提出的量子计算算法，研究量子计算机也无法在多项式时间内解决的数学难题，替代现有的公钥密码算法，抵御量子计算攻击。PQC主要包含基于格、基于编码理论、基于哈希函数、基于多变量的密码构造方案，可实现密钥封装和交换、加密、签名等多种应用。

4.2  应用现状

当前，电力系统PQC技术尚处于技术研究和试点验证阶段。2025年2月，电力行业抗量子攻击的电力专用纵向加密认证装置在辽宁投入使用。2025年5月，中电信量子集团发布融合QKD和PQC的分布式密码体系，据公开报道，其实现了百万米级跨域量子密话业务应用验证，初步具备商用条件。

4.3  国内外技术进展

国内方面，2019年，中国密码学会组织了“全国密码算法设计竞赛”，Aigis-sig、Aigis-enc、LAC-PKE 3个算法获得一等奖。其中，Aigis-sig为数字签名算法，其余两种为密钥封装算法。2025年2月，商用密码标准研究院面向全球征集新一代商用密码算法，标志着我国商用密码算法向抗量子密码演进。国外方面，2024年8月，NIST发布PQC标准，引入了ML-KEM、ML-DSA、SLH-DSA标准化算法。其中，ML-KEM是密钥封装算法，其余两种为数字签名算法。国内外已发布的典型PQC算法如表7所示。

表7   国内外已发布的典型PQC算法

4.4  后续研究及应用建议

针对QKD对传输介质的限制，将PQC、QRNG和QKD技术进行融合组网与融合应用将是未来电力系统抗量子计算演进的重要方向。一是融合组网，在具有光纤资源的骨干网侧，采用QKD技术，实时分发量子密钥保证通信安全；在不具备光纤资源的电网末端接入网侧，采用PQC和QRNG技术，研制面向物联场景的轻量化PQC算法，提升身份认证和数据交互的安全性。二是融合应用，如在QKD初始身份认证环节融入PQC技术，解决QKD在首次身份认证时的量子密钥或量子随机数在线分发难题。

针对电网现有密码体系向抗量子计算演进，研究基于PQC的抗量子数字证书、数据传输加密技术，提出将PQC算法融入现有IPSec/SSL VPN协议方案，研制面向各类电力业务场景的PQC加密认证网关，实现当前公私钥体系向抗量子密码平滑演进。

5  结束语

本文充分分析了面向新型电力系统“采—传—存—用”各环节的信息通信安全提升需求，详细介绍了光纤和卫星QKD、QRNG和无线量子密钥调度、PQC等抗量子计算技术的原理、应用现状和技术发展情况，并结合新型电力系统典型应用场景、各种通信方式、各类电力业务的量子密钥应用需求，提出了下一步技术研究和应用建议。

在日益紧张的国际形势下，电力系统正面临愈发严重的网络攻击。如何融合QKD、QRNG、PQC等抗量子密码技术，构建面向新型电力系统的量子安全防护体系，已逐步成为业界关注的热点。光纤QKD在电力不同业务场景应用仍需攻关高抗扰、高成码率、超远距离和低成本、高集成度、高安全等技术；自由空间QKD仍需解决星地/空地量子密钥稳定分发，以及“量—安”“量—通”融合问题；QRNG仍需攻克低功耗、低成本、轻量化等量子随机数生成技术，研制电力定制化芯片；PQC和QKD、QRNG在电力系统的融合应用仍需进一步研究，同时国家密码局认定的标准化的PQC算法尚未发布将进一步影响PQC应用。上述问题的解决，需要产学研用各环节联合攻关、共同推进。

Quantum secure communication technology and application for new power system

FENG Bao¹, ZHAO Ziyan², BIAN Yuxiang¹, LYU Chao¹, WANG Kaichuang¹

（1. NARI Information and Communication Technology Co., Ltd., Nanjing 210016, China；

2. State Grid Information & Telecommunication Co., Ltd., Beijing 100761, China）

Abstract: With the construction of the new power system, there are extensive interaction between source, grid, load, and storage, frequent interaction of various business data, and the integration of multiple communication methods into a network. The power system will face more network attacks, and the transmission of business data will face greater security risks. The quantum secure communication technology based on quantum mechanics principles, combined with Shannon’s one-time-pad theory, can achieve unconditional security in information theory, providing a feasible solution for improving communication security in power systems. This paper first analyzes the communication security improvement requirements for each link of “acquisition-transmission-storage-use” in the new power system. Then, it summarizes the technical principles, application situation, and domestic and foreign technological progress of quantum key distribution, quantum random numbers, and post quantum cryptography. Finally, it proposes follow-up technical research and application suggestions, aiming to improve the end-to-end security of power grid business data interaction, and help the power system to build information and communication infrastructure with anti-quantum computing capabilities.

Keywords: new power system; quantum key distribution; quantum random number; post quantum cryptography

本文刊于《信息通信技术与政策》2025年 第7期

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