CN114861774A - 一种电网中虚假数据识别方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电网中虚假数据识别方法及系统，其中方法包括：获取待识别样本；预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列；将待识别样本序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅰ，并计算重构数据Ⅰ与待识别样本序列的重构误差Ⅰ；判断重构误差Ⅰ与预设的动态阈值序列的大小，若重构误差Ⅰ大于等于动态阈值序列中对应的阈值，则输出虚假数据告警信号；所述预设的动态阈值序列包括全天各采样时刻对应的阈值。本发明能够实时识别检测电力系统中的虚假数据。

Description

一种电网中虚假数据识别方法及系统
技术领域
本发明涉及一种电网中虚假数据识别方法及系统，属于电力系统技术领域。
背景技术
电网是包含多种发电源、传输线路以及配电变电站的复杂系统，现代电网使用智能仪表来实现对电网运行状态的远程监视与实时控制，并通过通信网络进行数据状态信息的传输与更新。然而信息通信技术依赖于容易遭受攻击入侵的共享基础设施，虚假数据攻击是一种被设计用来突破智能仪表中异常数据监测功能的攻击手段，虚假数据攻击会影响智能仪表对电网运行情况的判断，从而误导系统运行与控制。
为了高效可靠地检测出虚假数据攻击，从而保护电网的运行安全，本申请提出一种电网中虚假数据识别方法及系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种电网中虚假数据识别方法及系统，能够实时识别检测电力系统中的虚假数据。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一方面，本发明提供一种电网中虚假数据识别方法，其特征在于，包括：
获取待识别样本；
预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列；
将待识别样本序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅰ，并计算重构数据Ⅰ与待识别样本序列的重构误差Ⅰ；
判断重构误差Ⅰ与预设的动态阈值序列的大小，若重构误差Ⅰ大于等于动态阈值序列中对应的阈值，则输出虚假数据告警信号；
所述预设的动态阈值序列包括全天各采样时刻对应的阈值。
进一步地，所述获取待识别样本包括多组待识别时间序列，各组待识别时间序列包括多个采样时刻的待识别数据。
进一步地，所述预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列包括：
顺次设置多个滑动窗口Ⅰ，相邻滑动窗口Ⅰ相互重叠一半，各滑动窗口Ⅰ覆盖待识别样本中的b个待识别数据；
计算各滑动窗口Ⅰ的幅度特征和时序变化特征，并根据各滑动窗口Ⅰ的幅度特征和时序变化特征计算统计参数；
基于各幅度特征和时序变化特征以及统计参数，获得待识别样本序列。
进一步地，所述自动编码器模型训练的方法包括：
获取测量样本；
预处理获取的测量样本，获得测量样本序列；
循环迭代以下步骤，当相邻两次循环迭代的重构误差Ⅱ相同时，迭代循环过程终止，自动编码器模型训练完成：
将测量样本序列输入自动编码器模型获得重构数据Ⅱ，并计算重构数据Ⅱ与测量样本序列的重构误差Ⅱ；
基于反向传播算法，根据重构误差Ⅱ调整自动编码器模型参数。
进一步地，所述测量样本包括多组测量时间序列，各组测量时间序列包括多个采样时刻的检测数据，各检测数据均为未受影响的干净数据。
进一步地，所述动态阈值序列的预设方法包括：
连续获取检测设备N天各采样时刻的检测数据，各检测数据均为未受影响的干净数据；
预处理获取的检测数据，获得检测数据序列；
将检测数据序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅲ，并计算重构数据Ⅲ与检测数据序列的重构误差Ⅲ；
逐一将各采样时刻每日对应的重构误差Ⅲ绘制成累积概率分布曲线；
基于PR曲线和预设的虚假警示率，逐一根据各采样时刻的累积概率分布曲线获得对应的阈值，并按照采样时刻顺序将各阈值集成动态阈值序列。
另一方面，本发明提供一种电网中虚假数据检测系统，包括：
采样模块，用于获取待识别样本；
预处理模块，用于预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列；
模型输入模块，用于将待识别样本序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅰ，并计算重构数据Ⅰ与待识别样本序列的重构误差Ⅰ；
判断模块，用于判断重构误差Ⅰ与预设的动态阈值序列的大小，若重构误差Ⅰ大于等于动态阈值序列中对应的阈值，则输出虚假数据告警信号。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明通过预设包括全天各采样时刻对应的阈值的动态阈值序列，能够针对不同采样时刻的待识别数据提供不同的阈值，不仅能够实时识别检测电力系统中的虚假数据，还能够提高识别的准确率。
附图说明
图1所示为本发明电网中虚假数据识别方法的一种实施例流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种电网中虚假数据识别方法，包括以下步骤：
S1获取待识别样本。
应用中，检测设备用于检测电网各支路上的电压参数。本实施例基于检测设备获取待识别样本，待识别样本包括多组待识别时间序列，各组待识别时间序列包括多个连续采样时刻的待识别数据。
本实施例应用时，根据实际情况设置各采样时刻的间隔时间，根据实际需求设置各组待识别时间序列中连续采样时刻的数量，以及根据电网支路的数量设置待识别样本中待识别时间序列的组数。
S2预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列。
应用中，丰富待识别样本的特征，获得特征丰富的待识别样本序列，以加快自动编码器的训练速度，提高自动编码器的训练效果。
S3将待识别样本序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅰ，并计算重构数据Ⅰ与待识别样本序列的重构误差Ⅰ。
应用中，电网中包括m条支路，待识别样本中包括N个待识别数据，则本实施例将待识别样本序列输入训练好的自动编码器模型，获得N个重构数据Ⅰ，并根据重构数据Ⅰ与待识别样本序列，获得N/m个重构误差Ⅰ，如下式：
Figure BDA0003604019870000031
其中，
Figure BDA0003604019870000032
为重构误差Ⅰ，m为电网中支路总数，zi为电网中当前采样时刻i支路的待识别数据，
Figure BDA0003604019870000041
为电网中当前采样时刻i支路的重构数据Ⅰ。
S4判断重构误差Ⅰ与预设的动态阈值序列的大小，若重构误差Ⅰ大于等于动态阈值序列中对应的阈值，则输出虚假数据告警信号。
应用中，预设的动态阈值序列包括全天各采样时刻对应的阈值。逐一判断各重构误差Ⅰ与动态阈值序列中对应采样时刻的阈值的大小，若重构误差Ⅰ小于动态阈值序列中对应采样时刻的阈值，则重构误差Ⅰ对应的待识别数据属于未受影响的干净数据；若重构误差Ⅰ大于等于动态阈值序列中对应采样时刻的阈值，则重构误差Ⅰ对应的待识别数据属于虚假数据，并输出虚假数据告警信号。
本发明通过预设包括全天各采样时刻对应的阈值的动态阈值序列，能够针对不同采样时刻的待识别数据提供不同的阈值，不仅能够实时识别检测电力系统中的虚假数据，还能够提高识别的准确率。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例详细介绍了预处理待识别样本的方法。
预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列包括以下步骤：
S21顺次设置多个滑动窗口Ⅰ，相邻滑动窗口Ⅰ相互重叠一半，各滑动窗口Ⅰ覆盖待识别样本中的b个待识别数据。
S22计算各滑动窗口Ⅰ的幅度特征和时序变化特征，并根据各滑动窗口Ⅰ的幅度特征和时序变化特征计算统计参数。
应用中，S221通过下式计算各滑动窗口Ⅰ中各待识别数据之间的欧氏距离(EuclidDistance)，以捕捉各滑动窗口Ⅰ中各待识别数据的幅度特征：
Figure BDA0003604019870000042
Figure BDA0003604019870000043
其中，
Figure BDA0003604019870000044
为滑动窗口Ⅰ
Figure BDA0003604019870000045
的幅度特征，
Figure BDA0003604019870000046
为涵盖电网m支路中采样时刻起点为ti的b个连续待识别数据的滑动窗口Ⅰ，Z为待识别数据。
S222基于幅度特征的差异性，通过下式计算相邻滑动窗口Ⅰ的时序变化特征：
Figure BDA0003604019870000051
其中，
Figure BDA0003604019870000052
为滑动窗口Ⅰ
Figure BDA0003604019870000053
的时序变化特征，
Figure BDA0003604019870000054
为滑动窗口Ⅰ
Figure BDA0003604019870000055
的幅度特征。
S223基于各滑动窗口Ⅰ的幅度特征和时序变化特征，通过下式获得待识别样本序列：
T＝<G1，G2，…，GC′>
其中，T为待识别样本序列，Gi为d*k维矩阵，d为2，k为5。
S224顺次设置多个滑动窗口Ⅱ，相邻滑动窗口Ⅱ相互重叠一半，各滑动窗口Ⅱ覆盖待识别样本序列中的f个向量。
S225基于各滑动窗口Ⅱ中各向量包括幅度特征和时序变化特征，计算各向量的统计参数，统计参数包括8组统计数据，分别为：平均值、最小值、最大值、25％四分位数、50％四分位数、75％四分位数、标准差和峰-峰值。
S23基于各幅度特征和时序变化特征以及统计参数，通过下式更新待识别样本序列：
T＝<E1，E2，…，EC″>
其中，Ei为e*d*k维矩阵，e为8。
实施例3
在实施例1或2的基础上，本实施例详细介绍了训练自动编码器模型的方法。
自动编码器模型的训练方法，包括以下步骤：
S31获取测量样本。
应用中，测量样本包括多组测量时间序列，各组测量时间序列包括多个采样时刻的检测数据，各检测数据均为未受影响的干净数据。
S32预处理获取的测量样本，获得测量样本序列。
S33循环迭代以下步骤，当相邻两次循环迭代的重构误差Ⅱ相同时，迭代循环过程终止，自动编码器模型训练完成：
将测量样本序列输入自动编码器模型获得重构数据Ⅱ，并计算重构数据Ⅱ与测量样本序列的重构误差Ⅱ；
基于反向传播算法，根据重构误差Ⅱ调整自动编码器模型参数。
应用中，自动编码器模型具有注意力机制层，能够在小范围的特征空间内有效地捕捉测量样本序列的代表性特征，能够提高自动编码器模型对测量样本序列的数据特征的学习深度。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例详细介绍了预设动态阈值序列的方法。
动态阈值序列的预设方法，包括以下步骤：
S41连续获取检测设备N天各采样时刻的检测数据，各检测数据均为未受影响的干净数据。
应用中，从检测设备已知健康的历史数据中，获取最近连续365天电网各支路各采样时刻的检测数据。
S42预处理获取的检测数据，获得检测数据序列。
S43将检测数据序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅲ，并计算重构数据Ⅲ与检测数据序列的重构误差Ⅲ。
S44逐一将各采样时刻每日对应的重构误差Ⅲ绘制成累积概率分布曲线。
应用中，采样时刻的时间间隔为t0,本实施例获得(24*60)/t0条累积概率分布曲线。
S45基于PR曲线((Precision-recall curve))和预设的虚假警示率，逐一根据各采样时刻的累积概率分布曲线获得对应的阈值，并按照采样时刻顺序将各阈值集成动态阈值序列。
应用中，各条累积概率分布曲线的横坐标为重构误差Ⅲ，纵坐标为该采样时刻各重构误差Ⅲ的累积概率，如下式：
Figure BDA0003604019870000061
其中，F(μ)为累积概率分布曲线函数，μ为重构误差Ⅲ，α和β分别为累积概率分布曲线函数的参数。
基于PR曲线，逐一拟合累积概率分布曲线，以确定累积概率分布曲线的参数；
基于预设的虚假警示率，根据拟合的累积概率分布曲线，通过下式确定全天各采样时刻的阈值，以预先设置动态阈值序列：
Figure BDA0003604019870000062
其中，FAR为虚假警示率，
Figure BDA0003604019870000071
为阈值。
实施例5
本实施例提供一种电网中虚假数据检测系统，包括：
采样模块，用于获取待识别样本；
预处理模块，用于预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列；
模型输入模块，用于将待识别样本序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅰ，并计算重构数据Ⅰ与待识别样本序列的重构误差Ⅰ；
判断模块，用于判断重构误差Ⅰ与预设的动态阈值序列的大小，若重构误差Ⅰ大于等于动态阈值序列中对应的阈值，则输出虚假数据告警信号。
上述各模块的具体功能实现参照实施例1-4方法中的相关内容。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种电网中虚假数据识别方法，其特征在于，包括：
获取待识别样本；
预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列；
将待识别样本序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅰ，并计算重构数据Ⅰ与待识别样本序列的重构误差Ⅰ；
判断重构误差Ⅰ与预设的动态阈值序列的大小，若重构误差Ⅰ大于等于动态阈值序列中对应的阈值，则输出虚假数据告警信号；
所述预设的动态阈值序列包括全天各采样时刻对应的阈值。
2.根据权利要求1所述的电网中虚假数据识别方法，其特征在于，所述获取待识别样本包括多组待识别时间序列，各组待识别时间序列包括多个采样时刻的待识别数据。
3.根据权利要求2所述的电网中虚假数据识别方法，其特征在于，所述预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列包括：
顺次设置多个滑动窗口Ⅰ，相邻滑动窗口Ⅰ相互重叠一半，各滑动窗口Ⅰ覆盖待识别样本中的b个待识别数据；
计算各滑动窗口Ⅰ的幅度特征和时序变化特征，并根据各滑动窗口Ⅰ的幅度特征和时序变化特征计算统计参数；
基于各幅度特征和时序变化特征以及统计参数，获得待识别样本序列。
4.根据权利要求1所述的电网中虚假数据识别方法，其特征在于，所述自动编码器模型训练的方法包括：
获取测量样本；
预处理获取的测量样本，获得测量样本序列；
循环迭代以下步骤，当相邻两次循环迭代的重构误差Ⅱ相同时，迭代循环过程终止，自动编码器模型训练完成：
将测量样本序列输入自动编码器模型获得重构数据Ⅱ，并计算重构数据Ⅱ与测量样本序列的重构误差Ⅱ；
基于反向传播算法，根据重构误差Ⅱ调整自动编码器模型参数。
5.根据权利要求4所述的电网中虚假数据识别方法，其特征在于，所述测量样本包括多组测量时间序列，各组测量时间序列包括多个采样时刻的检测数据，各检测数据均为未受影响的干净数据。
6.根据权利要求1所述的电网中虚假数据识别方法，其特征在于，所述动态阈值序列的预设方法包括：
连续获取检测设备N天各采样时刻的检测数据，各检测数据均为未受影响的干净数据；
预处理获取的检测数据，获得检测数据序列；
将检测数据序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅲ，并计算重构数据Ⅲ与检测数据序列的重构误差Ⅲ；
逐一将各采样时刻每日对应的重构误差Ⅲ绘制成累积概率分布曲线；
基于PR曲线和预设的虚假警示率，逐一根据各采样时刻的累积概率分布曲线获得对应的阈值，并按照采样时刻顺序将各阈值集成动态阈值序列。
7.一种电网中虚假数据检测系统，其特征在于，包括：
采样模块，用于获取待识别样本；
预处理模块，用于预处理获取的待识别样本，获得待识别样本序列；
模型输入模块，用于将待识别样本序列输入训练好的自动编码器模型获得重构数据Ⅰ，并计算重构数据Ⅰ与待识别样本序列的重构误差Ⅰ；
判断模块，用于判断重构误差Ⅰ与预设的动态阈值序列的大小，若重构误差Ⅰ大于等于动态阈值序列中对应的阈值，则输出虚假数据告警信号。
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