基于过采样和级联机器学习的电网虚假数据注入攻击识别

董运昌; 王启明; 曹杰; 杨渊博; 余通; 薄小永

doi:10.7500/AEPS20220525005

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基于过采样和级联机器学习的电网虚假数据注入攻击识别

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 基于过采样和级联机器学习的电网虚假数据注入攻击识别
- Identification of False Data Injection Attacks in Power Grid Based on Oversampling and Cascade Machine Learning
- 电力系统自动化 2023年47卷第8期页码：179-188
- 作者机构：
  
  1.东北电力大学电气工程学院,吉林省吉林市 132012
  2.东北电力大学计算机学院,吉林省吉林市 132012
  3.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,吉林省长春市 130012
  4.吉林省电力大数据智能处理工程技术研究中心,吉林省吉林市 132012
  5.广西电网有限责任公司电力科学研究院,广西壮族自治区南宁市 530012
- 作者简介：
  
  董运昌（1994—），男，博士研究生，主要研究方向：电力信息物理系统安全防御、智能电网信息处理。E-mail：595245700@qq.com
  王启明（1996—），女，硕士研究生，主要研究方向：电力信息物理系统攻击识别。E-mail：710220631@qq.com
  曹杰（1978—），女，通信作者，博士，副教授，主要研究方向：电力系统网络安全。E-mail：caojiell78@126.com
- 基金信息：
  
  吉林省自然科学基金资助项目(20220101234JC);已申请国家发明专利（一种电力CPS广义虚假数据注入攻击识别方法，申请号：CN202011594028.4）
- DOI：10.7500/AEPS20220525005
  中图分类号：
- 收稿：2022-05-25，
  
  修回：2022-08-19，
  
  网络出版：2023-01-05，
  
  纸质出版：2023-04-25
- 稿件说明：
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董运昌,王启明,曹杰等.基于过采样和级联机器学习的电网虚假数据注入攻击识别[J].电力系统自动化,2023,47(8):179-188.

DONG Yunchang,WANG Qiming,CAO Jie,et al.Identification of False Data Injection Attacks in Power Grid Based on Oversampling and Cascade Machine Learning[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(8):179-188.
董运昌,王启明,曹杰等.基于过采样和级联机器学习的电网虚假数据注入攻击识别[J].电力系统自动化,2023,47(8):179-188. DOI： 10.7500/AEPS20220525005.

DONG Yunchang,WANG Qiming,CAO Jie,et al.Identification of False Data Injection Attacks in Power Grid Based on Oversampling and Cascade Machine Learning[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(8):179-188. DOI： 10.7500/AEPS20220525005.

摘要

虚假数据注入攻击(FDIA)因其高隐蔽性和破坏性，对电网的安全稳定运行构成严重威胁。攻击样本与正常样本的不平衡特性会影响模型的攻击检测精度，同时多类型FDIA的出现使得现有算法在识别攻击种类上具有局限性。针对上述问题，文中提出基于过采样和级联机器学习的电网多类型FDIA识别方法。首先，探究了电网耦合交互过程中的FDIA攻击路径，分析了多类型攻击行为；然后，通过聚类、过滤和线性插值过程生成攻击伪样本，设计基于

均值合成少数类过采样技术(

-means-Smote)的量测数据平衡算法；最后，结合细粒度特征扫描和多个分类器的集成学习策略，构建基于改进级联机器学习的多类型FDIA识别模型。仿真实验表明，所提识别方法可有效辨识多种FDIA类型，且辨识精度高、误报率较低、性能稳定，在小样本下性能仍然出色。

Abstract

False data injection attack (FDIA) has become a serious threat to the safe and stable operation of power grids due to its high concealment and destructiveness. The imbalance characteristics between attack samples and normal samples affect the attack detection accuracy of the model. Meanwhile

the emergence of multi-type FDIA makes existing algorithms have limitations in identifying attack types. Aiming at the above problems

this paper proposes a multi-type FDIA identification method for power grids based on oversampling and cascade machine learning. First

the FDIA attack path in the power grid coupling interaction process is explored

and multi-type attack behaviors are analyzed. Then

the attack pseudo-samples are generated through the process of clustering

filtering and linear interpolation

and the measurement data balance algorithm based on

-means-synthetic minority oversampling technique (

-means-Smote) is designed. Finally

a multi-type FDIA identification model with improved cascade machine learning is constructed by combining fine-grained feature scanning and an ensemble learning strategy of multiple classifiers. Simulation experiments show that the proposed identification method can effectively identify a variety of FDIA types

with high identification accuracy

low false alarm rate

stable and excellent performance

even for small samples.

关键词

Keywords

references

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