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光伏功率预测的对抗攻击与防御研究
电子技术应用
周旺
贵州大学 电气工程学院
摘要: 深度神经网络已广泛应用于光伏功率预测,但却容易受到对抗攻击的威胁。为提高预测模型的对抗鲁棒性,提出了一种基于快速梯度符号法的对抗攻击算法与一种基于对抗训练的防御算法。快速梯度符号法生成具有时序关联性的对抗样本,建立攻击强度与预测误差的量化关系;对抗训练通过结合对抗样本,增强模型对输入扰动的泛化能力,以抵御对抗攻击。实验数据表明,对抗攻击能显著降低模型的预测准确率,而经过对抗训练的模型能有效提升鲁棒性。该方法验证了对抗攻防机制在光伏功率预测中的有效性,对电力系统的安全运行具有实际应用价值。
中图分类号:TM615;TP393 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256419
中文引用格式: 周旺. 光伏功率预测的对抗攻击与防御研究[J]. 电子技术应用,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

迄今为止,已有大量的研究提出了基于深度学习的预测方法,这些方法在光伏预测领域有着出色的表现[1]。然而,深度学习通常容易受到对抗攻击的威胁[2-4]。攻击者只需向输入数据添加一些微小的扰动,这些扰动人眼几乎无法察觉,但却可以导致模型产生巨大的预测误差[5]。Chen等人[6]利用快速梯度符号法(Fast Gradient Sign Method, FGSM)[7]生成对抗示例,首次展出了电力系统中深度学习模型的脆弱性。Zhang等人[8]分析了智能电网中的电能质量安全性问题,当遭受对抗攻击时,深度学习模型的分类能力大幅下降。Luo等人[9]和Chen等人[10]探讨了基于深度学习的负荷预测系统遭受攻击时的预测性能,结果显示深度学习模型面对对抗攻击时并不稳健。

为了避免受到对抗攻击时产生巨大的影响,研究者们也做了许多防御研究来增强深度学习模型的鲁棒性[11-14]。在Miller等人[12]和Silya等人[13]回顾了防御算法抵御攻击时各自的优缺点,其中对抗训练应用颇为广泛,能够有效地提升深度学习模型的性能。Tramer等人[15]强调了对对抗攻击进行强有力防御的必要性,结合对抗训练和其他缓解策略可以增强模型的稳健性。

为了加强光伏功率预测的鲁棒性,避免被攻击时造成严重影响,本文针对光伏功率预测进行了对抗攻击和防御研究。在这项工作中,我们设置了基于长短期记忆网络(Long Short Term Memory Network, LSTM)的光伏功率预测模型,提出了一种改进后的FGSM攻击算法。该算法由原来基于分类的FGSM攻击改进为回归攻击,使用均方误差损失函数,而不是分类交叉熵,使之更适合回归模型。并且设置了一种基于对抗训练的防御算法。针对该预测模型,分别在不同扰动下进行了对抗攻击和防御实验,并作出分析和比较。


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作者信息:

周旺

(贵州大学 电气工程学院,贵州 贵阳 550025)


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