← 返回
基于新型CNN集成与可解释人工智能的配电网虚假数据注入攻击检测与定位框架
False Data Injection Attack Detection and Localization Framework in Power Distribution Systems Using a Novel Ensemble of CNNs and Explainable Artificial Intelligence
| 作者 | Mohammad Reza Dehbozorgi · Mohammad Rastegar · Mohammadreza Fakhari Moghaddam Arani |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 智能化与AI应用 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 虚假数据注入攻击 配电网状态估计 可解释人工智能 集成检测与定位模型 类别不平衡 |
语言:
中文摘要
信息物理电力系统易受网络攻击,尤其是虚假数据注入攻击(FDIA)。近年来,针对配电系统状态估计(DSSE)的虚假数据注入攻击受到了研究人员的关注,此类攻击通过更改电表读数来改变状态估计(SE)。文献中常见的针对虚假数据注入攻击的防御方法是使用标记数据训练分类器作为虚假数据注入攻击检测器。然而,虚假数据注入攻击数据集的高度不平衡特性可能会限制这种方法的性能。机器学习模型的黑盒特性使其在重要应用中难以获得信任和采用。因此,我们提出了一种创新的可解释人工智能(XAI)增强的基于集成学习的检测与定位模型,该模型利用卷积神经网络(CNN)和支持向量机(SVM)。集成模型使用支持向量机合并各种时空卷积神经网络的输出。在多数类的欠采样子集上训练这些卷积神经网络,并使用它们的集成来解决类别不平衡问题。本文利用可解释人工智能来增强检测过程的可解释性并提高定位精度。定位过程使用可解释人工智能技术(梯度加权类激活映射)的输出,以辅助基于多数投票的定位集成模型。我们的模型还可以在配电馈线拓扑发生变化时检测虚假数据注入攻击。在IEEE 13节点和IEEE 123节点馈线进行的大量仿真证明,所提出的基于欠采样的检测方法可作为生成对抗网络(GAN)等流行过采样方法的替代方案,为类别不平衡问题提供了一种新颖的解决方案。本文还对所提出的时空模型的性能进行了全面分析,证明了其优于仅考虑时间维度的卷积神经网络。
English Abstract
Cyber-physical power systems are vulnerable to cyber-attacks, especially false data injection attacks (FDIAs). FDIAs against distribution system state estimation (DSSE), which alter state estimation (SE) by changing meter readings, have received researchers’ attention in recent years. A common defense against FDIAs in the literature is the use of labeled data to train classifiers as FDIA detectors. However, this approach's performance can be limited by the highly imbalanced nature of FDIA datasets. The black box characteristics of the machine learning models can make them hard to trust and adopt in important applications. Hence, we propose an innovative explainable artificial intelligence (XAI)-enhanced ensemble-based detection and localization model that leverages convolutional neural networks (CNNs) and support vector machine (SVM). The ensemble model uses SVM to merge various spatiotemporal CNNs’ outputs. Training these CNNs on under-sampled subsets of the majority class and using their ensemble addresses class imbalance. This paper leverages XAI to enhance the interpretability of the detection process and improve localization accuracy. The localization process uses the outputs of an XAI technique, gradient-weighted class activation mapping, to aid the majority-voting-based localization ensemble model. Our model can also detect FDIAs during the distribution feeder's topology changes. Extensive simulations on IEEE 13-bus and IEEE 123-bus feeders prove the proposed under-sampling-based detection approach as an alternative to prevalent over-sampling methods like generative adversarial networks (GANs), offering a novel solution to class imbalance challenges. The paper also provides a comprehensive analysis of the proposed spatiotemporal model's performance, demonstrating its superiority over temporal CNNs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的虚假数据注入攻击(FDIA)检测框架具有重要的战略意义。随着公司在分布式光伏、储能系统及综合能源解决方案领域的快速拓展,我们的产品正日益深度融入配电网的信息物理系统中,这使得网络安全防护成为保障系统可靠运行的关键要素。
该技术的核心价值在于为我们的智能逆变器和储能变流器提供了嵌入式安全防护能力。论文提出的集成CNN模型通过时空数据分析,能够实时检测针对状态估计的恶意数据篡改,这与我们逆变器的SCADA系统和储能管理系统(EMS)的数据采集架构高度契合。特别是其可解释AI(XAI)技术的应用,不仅提升了攻击定位精度,更重要的是增强了算法的可信度,这对于我们在电力系统关键应用中的产品认证和市场推广具有实际意义。
技术成熟度方面,该方法在IEEE标准测试系统上的验证表明其具备工程应用基础,但从实验室到实际配电网场景仍存在挑战。阳光电源需要关注的技术要点包括:算法在边缘计算设备上的轻量化部署、与IEC 61850等电力通信协议的适配,以及在拓扑动态变化场景下的鲁棒性验证。
从市场机遇看,该技术可强化我们在"光储充"一体化解决方案中的差异化竞争力,特别是在对网络安全要求严格的关键基础设施和海外市场。建议公司评估将此类安全检测功能集成到下一代智能控制器中的可行性,并探索与电网公司在配电网安全态势感知领域的合作空间,这将为阳光电源在能源数字化转型中构建新的技术壁垒。