基于半監(jiān)督的電網(wǎng)虛假數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武 婕，鄧 彬，黃穎祺，李 娜，周亞勝

（1.深圳供電局有限公司系統(tǒng)運(yùn)行部，廣東深圳 518000；2.興唐通信科技有限公司科技發(fā)展部，廣東深圳 518000）

電網(wǎng)在長時(shí)間的運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)大量的假數(shù)據(jù)，給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理帶來了很大的困難[1]。因此，要做到防患于未然，迅速解決問題，確保電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，就必須對電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，及時(shí)跟蹤系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行情況。由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫需要讀寫數(shù)據(jù)，而基于磁盤介質(zhì)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存在誤差大、效率低等問題，不能滿足高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)處理的要求，因此，必須對實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的假數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控[2-3]。

為了保證在負(fù)載變化、通信延時(shí)、通信鏈路丟失等情況下對虛假數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，設(shè)計(jì)了一種約束傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。但是該系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)是不能完全保證系統(tǒng)的安全，因?yàn)椴荒艹浞挚紤]所有可能產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)。基于模型試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)估計(jì)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)變量和測量值，并與最優(yōu)值、歷史數(shù)據(jù)或指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)估計(jì)的殘值或指標(biāo)函數(shù)超過某個(gè)閾值，或當(dāng)前數(shù)據(jù)的概率分布與歷史數(shù)據(jù)的分布不一致時(shí)，即為誤差數(shù)據(jù)。但系統(tǒng)無法有效地檢測到重放攻擊數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果錯(cuò)誤。為此，提出了基于半監(jiān)督的電網(wǎng)虛假數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電網(wǎng)綜合運(yùn)行過程中，傳統(tǒng)的串口傳輸方式由于數(shù)據(jù)量大、傳輸速度慢，不利于數(shù)據(jù)的高效處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控。針對這一問題，設(shè)計(jì)了基于半監(jiān)督的電網(wǎng)虛假數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，該系統(tǒng)主要由功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡、電荷放大器以及遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備等組成。將采集的數(shù)據(jù)和信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，要求監(jiān)控設(shè)備的參數(shù)和工作模式通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)[4]。

1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)

遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)采用RV-2000 視頻監(jiān)控終端采集視頻信號(hào)[5-7]，信號(hào)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控服務(wù)器，監(jiān)控中心的監(jiān)控器將流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并分解成為每秒25 幀的數(shù)字圖像，再由LCD 顯示屏顯示圖像內(nèi)容[8-10]。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

采用1604HS 系列采集卡采集數(shù)據(jù)，其具有4 個(gè)計(jì)數(shù)通道和3 個(gè)編碼測量通道，是一種具有數(shù)據(jù)采集功能的微機(jī)擴(kuò)展卡[11]。通過USB 總線將數(shù)據(jù)采集卡連接到PC 機(jī)，1604HS 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 1604HS數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)

在監(jiān)控裝置安裝好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，實(shí)時(shí)運(yùn)行的電壓或電流信號(hào)被傳感器采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成FIFO。存儲(chǔ)在FIFO 中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量之后，使用ARM 處理器處理數(shù)據(jù)[12]。

1.3 端子板

端子板是一種電子元件，其接線采用螺絲、夾子等元件，將多個(gè)端子板組合起來，根據(jù)不同功能對板件進(jìn)行排列。通信傳輸與供電有機(jī)結(jié)合，使同一通信卡連接不同類型的儀器和信號(hào)，只需更換電路板跳線，就能有效減少線路上的節(jié)點(diǎn)數(shù)[13]。外端設(shè)有插接板，便于維修，更換外端時(shí)無需拆下連接線[14]。其具有接線快速、壓實(shí)可靠、故障發(fā)生率低的特點(diǎn)。無需特殊配置接線板，直接將導(dǎo)線與接線板連接，內(nèi)部采用專用接口，通過專用電纜可快速插入PLC 或DCS[15]。

1.4 電荷放大器

由一對場效應(yīng)管和一個(gè)高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成的YE5850電荷放大器，具有輸入電流大、放大器功率大等特點(diǎn)，可以將輸出電壓的電荷量按一定比例放大。YE5850 型電荷放大器具有15 V 穩(wěn)定的工作電壓，外加限流保護(hù)電路，可直接由DC 輸入插座供電。

1.5 功率放大器

AV-500 功放不僅擁有先進(jìn)的5.1 聲道解碼系統(tǒng)，還支持WiFi-2.4 G、Bluetooth4.0 和高速USB2.0連接，有助于在網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備上播放音頻媒體。通過對低音的合理管理，可調(diào)節(jié)高低通濾波器的轉(zhuǎn)角，達(dá)到音質(zhì)和諧的目的。在支持立體聲直通主調(diào)的同時(shí)，彈性調(diào)節(jié)空間音質(zhì)。全面支持多種音頻格式，采用多種高速連接方式，將接口設(shè)置為3 進(jìn)1 出形式，實(shí)現(xiàn)快速切換。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)建模

半監(jiān)督迭代學(xué)習(xí)是兩種模式，分別是監(jiān)督模式下的學(xué)習(xí)方式和無監(jiān)督模式下的學(xué)習(xí)方式。使用半監(jiān)督迭代學(xué)習(xí)方法，既能標(biāo)記大量數(shù)據(jù)，又能對標(biāo)記數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)建模如圖4 所示。

圖4 基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)建模

針對長時(shí)間序列主信息特征，采用基于半監(jiān)督交疊的聚類分析方法提取樣本序列，并將該樣本序列用于對各種常規(guī)行為進(jìn)行初始化，當(dāng)樣本數(shù)遠(yuǎn)小于總樣本數(shù)時(shí)，采用迭代學(xué)習(xí)方法進(jìn)行訓(xùn)練，以提高半監(jiān)督學(xué)習(xí)的魯棒性[16]。

基于半監(jiān)督迭代學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程如下：

步驟一：通過相應(yīng)的半監(jiān)督學(xué)習(xí)，建立閾值模型，對不同種類的A 樣本進(jìn)行判別，計(jì)算在這一步中，每個(gè)正常行為的樣本數(shù)為n；

步驟二：對最有可能出現(xiàn)的每一類樣品進(jìn)行抽樣，如果抽樣不合格，應(yīng)立即停止這些樣品的采集工作；

步驟三：以半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法獲得的參數(shù)為樣本序列的初始值，對電網(wǎng)采集的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步訓(xùn)練；

步驟四：更新閾值模型參數(shù)；

步驟五：依據(jù)更新后的閾值，判斷序列樣本，如果該樣本中存在訓(xùn)練參數(shù)，則需按照步驟一重新訓(xùn)練；如果不存在，則立刻停止訓(xùn)練，輸出訓(xùn)練結(jié)果[17]。

2.2 基于半監(jiān)督虛假數(shù)據(jù)檢測

利用半監(jiān)督學(xué)習(xí)模型來判斷數(shù)據(jù)是否異常，然后使用半監(jiān)督入侵檢測算法檢測虛假數(shù)據(jù)。對于半監(jiān)督迭代學(xué)習(xí)模型，當(dāng)序列的有效特性得到充分描述時(shí)，模型的預(yù)測殘差將不再包含任何有效信息，而殘差是純無序的隨機(jī)波動(dòng)。檢測殘差序列包含了大量不能充分利用的信息，即序列中各項(xiàng)目間的相互關(guān)系，與純隨機(jī)噪聲序列相比，殘差序列具有更強(qiáng)的相關(guān)性。基于半監(jiān)督虛假數(shù)據(jù)檢測流程如圖5所示。

圖5 基于半監(jiān)督虛假數(shù)據(jù)檢測流程

訓(xùn)練時(shí)采用正態(tài)數(shù)據(jù)模型，每一刻對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行N次預(yù)測，并且假設(shè)每一學(xué)習(xí)步的序列滿足正態(tài)分布N元，在每一刻的序列數(shù)據(jù)中，每個(gè)維度的方差和均值都是N，得到的統(tǒng)計(jì)值作為參考值。訓(xùn)練結(jié)束后，對模型進(jìn)行異常檢測，并對測試集上的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)KLD 計(jì)算，在此基礎(chǔ)上得到當(dāng)前數(shù)據(jù)的殘差估計(jì)，假定殘差估計(jì)為N元正態(tài)分布，并對殘差估計(jì)分布與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的KLD 進(jìn)行分析，以判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否為假數(shù)據(jù)，如果當(dāng)估計(jì)殘差小于預(yù)定的報(bào)警閾值時(shí)，判斷是否為正常數(shù)據(jù)。

針對迭代學(xué)習(xí)過程后的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)，在時(shí)間軸上的預(yù)測誤差向量序列為：

訓(xùn)練集中使用的全部都是正常數(shù)據(jù)，因此，誤差向量序列統(tǒng)計(jì)結(jié)果為正常檢測依據(jù)。將實(shí)時(shí)獲取的誤差向量e與標(biāo)準(zhǔn)的KLD 統(tǒng)計(jì)，能夠得到異常檢測決策統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如下所示：

式中，DKI表示異常檢測值數(shù)量，Ghj表示異常檢測系數(shù)。當(dāng)式（2）計(jì)算結(jié)果S大于設(shè)定報(bào)警閾值時(shí)，則說明該數(shù)據(jù)為虛假數(shù)據(jù)，否則是正常數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 攻擊方式確定

設(shè)定3 種攻擊方式如下：

攻擊1：對遠(yuǎn)程終端設(shè)備進(jìn)行攻擊，改變傳感器的測量值，影響系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)。

攻擊2：針對傳感器和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸攻擊，改變初始傳感器測量數(shù)據(jù)。

攻擊3：當(dāng)受到攻擊時(shí)，使監(jiān)測形式同樣發(fā)生改變。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用基于約束傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)R1、模型監(jiān)測系統(tǒng)R2和基于半監(jiān)督監(jiān)測系統(tǒng)R3對3 種攻擊下產(chǎn)生的虛假數(shù)據(jù)量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 3種系統(tǒng)虛假數(shù)據(jù)量監(jiān)測結(jié)果對比

由圖6 可知，在攻擊1 情況下，使用基于約束傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)、模型監(jiān)測系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)量與實(shí)際虛假數(shù)據(jù)量分別相差22×104bit、10×104bit，使用基于半監(jiān)督監(jiān)測系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)量與實(shí)際虛假數(shù)據(jù)量一致。

在攻擊2 情況下，使用基于約束傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)、模型監(jiān)測系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)量與實(shí)際虛假數(shù)據(jù)量分別相差6×104bit、10×104bit，使用基于半監(jiān)督監(jiān)測系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)量與實(shí)際虛假數(shù)據(jù)量一致。

在攻擊3 情況下，使用基于約束傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)、模型監(jiān)測系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)量與實(shí)際虛假數(shù)據(jù)量分別相差2×104bit、10×104bit，使用基于半監(jiān)督監(jiān)測系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)量與實(shí)際虛假數(shù)據(jù)量相差2×104bit。

通過上述分析可知，使用基于半監(jiān)督監(jiān)測系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)量監(jiān)測結(jié)果更加精準(zhǔn)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證3種系統(tǒng)的監(jiān)測效率，以1 min 為時(shí)間間隔進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 3種系統(tǒng)監(jiān)測效率對比分析

由表1 可知，使用基于約束傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)最高監(jiān)測效率為0.81；使用模型監(jiān)測系統(tǒng)最高監(jiān)測效率為0.65；基于半監(jiān)督監(jiān)測系統(tǒng)最高監(jiān)測效率為0.96。

4 結(jié)束語

該文提出的基于半監(jiān)督的電網(wǎng)虛假數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，通過硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及軟件部分優(yōu)化，結(jié)合基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，通過迭代學(xué)習(xí)檢測虛假數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。根據(jù)電網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)控的需要，利用專業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及特殊環(huán)境下的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。基于半監(jiān)督的電網(wǎng)虛假數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)監(jiān)測效率，提高了電力企業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。