《電子技術應用》
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光伏功率預測的對抗攻擊與防御研究
電子技術應用
周旺
貴州大學 電氣工程學院
摘要: 深度神經網絡已廣泛應用于光伏功率預測,但卻容易受到對抗攻擊的威脅。為提高預測模型的對抗魯棒性,提出了一種基于快速梯度符號法的對抗攻擊算法與一種基于對抗訓練的防御算法??焖偬荻确柗ㄉ删哂袝r序關聯性的對抗樣本,建立攻擊強度與預測誤差的量化關系;對抗訓練通過結合對抗樣本,增強模型對輸入擾動的泛化能力,以抵御對抗攻擊。實驗數據表明,對抗攻擊能顯著降低模型的預測準確率,而經過對抗訓練的模型能有效提升魯棒性。該方法驗證了對抗攻防機制在光伏功率預測中的有效性,對電力系統(tǒng)的安全運行具有實際應用價值。
中圖分類號:TM615;TP393 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256419
中文引用格式: 周旺. 光伏功率預測的對抗攻擊與防御研究[J]. 電子技術應用,2025,51(12):115-119.
英文引用格式: Zhou Wang. Research on adversarial attack and defense of photovoltaic power prediction[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(12):115-119.
Research on adversarial attack and defense of photovoltaic power prediction
Zhou Wang
College of Electrical Engineering, Guizhou University
Abstract: Deep neural networks have been widely used in photovoltaic power prediction, but they are vulnerable to adversarial attacks. In order to improve the robustness of the prediction model, an adversarial attack algorithm based on fast gradient sign method and a defense algorithm based on adversarial training are proposed. The fast gradient sign method generates adversarial samples with temporal correlation, and establishes the quantitative relationship between attack intensity and prediction error. Adversarial training enhances the generalization ability of the model to input disturbances by combining adversarial samples to resist adversarial attacks. Experimental data show that adversarial attacks can significantly reduce the prediction accuracy of the model, and the model trained by adversarial training can effectively improve the robustness. This method verifies the effectiveness of the countermeasure attack and defense mechanism in photovoltaic power prediction, and has practical application value for the safe operation of power system.
Key words : photovoltaic power prediction;adversarial attack;fast gradient sign method;adversarial training

引言

迄今為止,已有大量的研究提出了基于深度學習的預測方法,這些方法在光伏預測領域有著出色的表現[1]。然而,深度學習通常容易受到對抗攻擊的威脅[2-4]。攻擊者只需向輸入數據添加一些微小的擾動,這些擾動人眼幾乎無法察覺,但卻可以導致模型產生巨大的預測誤差[5]。Chen等人[6]利用快速梯度符號法(Fast Gradient Sign Method, FGSM)[7]生成對抗示例,首次展出了電力系統(tǒng)中深度學習模型的脆弱性。Zhang等人[8]分析了智能電網中的電能質量安全性問題,當遭受對抗攻擊時,深度學習模型的分類能力大幅下降。Luo等人[9]和Chen等人[10]探討了基于深度學習的負荷預測系統(tǒng)遭受攻擊時的預測性能,結果顯示深度學習模型面對對抗攻擊時并不穩(wěn)健。

為了避免受到對抗攻擊時產生巨大的影響,研究者們也做了許多防御研究來增強深度學習模型的魯棒性[11-14]。在Miller等人[12]和Silya等人[13]回顧了防御算法抵御攻擊時各自的優(yōu)缺點,其中對抗訓練應用頗為廣泛,能夠有效地提升深度學習模型的性能。Tramer等人[15]強調了對對抗攻擊進行強有力防御的必要性,結合對抗訓練和其他緩解策略可以增強模型的穩(wěn)健性。

為了加強光伏功率預測的魯棒性,避免被攻擊時造成嚴重影響,本文針對光伏功率預測進行了對抗攻擊和防御研究。在這項工作中,我們設置了基于長短期記憶網絡(Long Short Term Memory Network, LSTM)的光伏功率預測模型,提出了一種改進后的FGSM攻擊算法。該算法由原來基于分類的FGSM攻擊改進為回歸攻擊,使用均方誤差損失函數,而不是分類交叉熵,使之更適合回歸模型。并且設置了一種基于對抗訓練的防御算法。針對該預測模型,分別在不同擾動下進行了對抗攻擊和防御實驗,并作出分析和比較。


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作者信息:

周旺

(貴州大學 電氣工程學院,貴州 貴陽 550025)


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