With the growing concern about the security and privacy of smart grid systems, cyberattacks on critical power grid components, such as state estimation, have proven to be one of the top-priority cyber-related issues and have received significant attention in recent years. However, cyberattack detection in smart grids now faces new challenges, including privacy preservation and decentralized power zones with strategic data owners. To address these technical bottlenecks, this paper proposes a novel Federated Learning-based privacy-preserving and communication-efficient attack detection framework, known as FedDiSC, that enables Discrimination between power System disturbances and Cyberattacks. Specifically, we first propose a Federated Learning approach to enable Supervisory Control and Data Acquisition subsystems of decentralized power grid zones to collaboratively train an attack detection model without sharing sensitive power related data. Secondly, we put forward a representation learning-based Deep Auto-Encoder network to accurately detect power system and cybersecurity anomalies. Lastly, to adapt our proposed framework to the timeliness of real-world cyberattack detection in SGs, we leverage the use of a gradient privacy-preserving quantization scheme known as DP-SIGNSGD to improve its communication efficiency. Extensive simulations of the proposed framework on publicly available Industrial Control Systems datasets demonstrate that the proposed framework can achieve superior detection accuracy while preserving the privacy of sensitive power grid related information. Furthermore, we find that the gradient quantization scheme utilized improves communication efficiency by 40% when compared to a traditional federated learning approach without gradient quantization which suggests suitability in a real-world scenario.


翻译:随着对智能电网安全和数据隐私的关注增加,针对关键电网组件(例如状态估计)的网络攻击已成为网络安全中的首要问题之一,并在近年来受到了广泛关注。然而,现在智能电网中的网络攻击检测面临着新的挑战,包括隐私保护和具有战略数据拥有者的分散电力区域。为了解决这些技术瓶颈,本文提出了一种新的联邦学习技术,基于[DP-SIGNSGD]的Federated Learning的研究——FedDiSC,其是一种隐私保护快速检测电力系统故障和网络攻击的框架。我们首先提出了联邦学习方法,在不共享关键电源相关数据的情况下,实现分散电力网络区域的SCADA子系统之间进行合作训练攻击检测模型。其次,我们提出了一种基于表示学习的深度自编码网络,以准确检测电力系统和网络安全异常。最后,为了适应实时性要求,我们利用DP-SIGNSGD量化梯度隐私保护方案,以提高通信效率。在公开的工业控制系统数据集上对所提出的框架进行广泛模拟,结果表明,该框架可以在保护敏感的电力相关信息的同时实现卓越的检测精度。此外,我们发现所利用的梯度量化方案与传统联邦学习方法相比,其通信效率提高了40%左右。这表明其可应用于实际场景中。

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智能电网(英语:Smart grid、smart electric grid、或intelligent grid),是一种现代化的输电网络。利用信息及通信技术,以数字或模拟信号侦测与收集供应端的电力供应状况,与使用端的电力使用状况。再用这些信息来调整电力的生产与输配,或调整家电及企业用户的耗电量,以此达到节约能源,降低损耗,增强电网可靠性的目的。
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