I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m s   ( I J P E DS)   Vo l.  1 2 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2 0 2 1 ,   p p .   19 28 ~ 19 39   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j p ed s . v 1 2 . i3 . p p 19 28 - 19 39          1928       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Cla ss ificatio n and  directi o n discri mina tion o faul ts i trans m iss io n l ines  using  1D co nv o lutiona l neural ne t w o rk s       Ah m ed  T ha m er   Ra d hi 1 ,   Wa el  H us s ei Z a y er 2 ,   Adel  M a n a a   Da k hil 3   1, 2 El e c tro m e c h a n ica l   En g in e e rin g   De p a rtm e n t,   M isa n   En g in e e rin g   T e c h n ica Co ll e g e ,   S o u t h e rn   T e c h n ica Un iv e rsity Ba sra h ,   Ira q   3 De p a rtme n o f   El e c tri c a l   En g in e e rin g ,   En g in e e rin g   C o ll e g e ,   Un iv e rsit y   o f   M isa n ,   M isa n ,   Ira q       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   1 0 ,   2 0 21   R ev i s ed   Ju l   8 ,   2 0 21   A cc ep ted   J u l 1 6 ,   2 0 21       T h is  p a p e p re se n ts  a   f a st  a n d   a c c u ra te  f a u lt   d e tec ti o n ,   c las sif i c a ti o n   a n d   d irec ti o n   d isc rim in a ti o n   a lg o ri th m   o f   tran s m issio n   li n e u sin g   o n e - d im e n sio n a c o n v o lu t io n a n e u ra l   n e tw o rk s   (1 D - CNN s)  th a h a v e   in g ra in e d   a d a p ti v e   m o d e to   a v o id   th e   f e a tu re   e x trac ti o n   d if f icu lt ies   a n d   f a u lt   c las si f ica ti o n   in to   o n e   lea rn in g   a lg o rit h m .   A   p ro p o se d   a lg o rit h m   is  d irec tl y   u sa b le  w it h   ra w   d a ta  a n d   th is  d e l e tes   th e   n e e d   o f   a   d isc re te  fe a tu re   e x trac ti o n   m e th o d   re su lt in g   in   m o re   e f fe c ti v e   p ro tec ti v e   sy ste m .   T h e   p ro p o se d   a p p ro a c h   b a se d   o n   th e   th re e - p h a se   v o lt a g e s   a n d   c u rre n ts  sig n a ls  o f   o n e   e n d   a th e   re la y   lo c a ti o n   in   th e   tra n sm issio n   li n e   sy ste m   a re   ta k e n   a in p u t   to   th e   p ro p o se d   1D - CNN   a lg o rit h m .   A   1 3 2 k p o w e tran sm issio n   li n e   is  sim u late d   b y   M a tl a b   sim u li n k   to   p re p a re   th e   tr a in in g   a n d   tes ti n g   d a ta  f o th e   p ro p o se d   1 D - CNN   a lg o rit h m .   T h e   t e stin g   a c c u ra c y   o f   th e   p ro p o se d   a lg o rit h m   is   c o m p a r e d   w it h   o th e tw o   c o n v e n ti o n a m e t h o d s   w h ich   a re   n e u ra n e tw o rk   a n d   f u z z y   n e u ra n e tw o rk .   T h e   re su lt o te st  e x p lain   th a th e   n e p ro p o se d   d e tec ti o n   s y ste m   is  e ff i c ien a n d   f a st  f o c las si fy in g   a n d   d irec ti o n   d isc rimin a ti o n   o f   f a u lt   in   tran sm issio n   l in e   w it h   h ig h   a c c u ra c y   a c o m p a re d   w it h   o th e r   c o n v e n ti o n a m e th o d s u n d e v a rio u s co n d it i o n o f   f a u lt s.   K ey w o r d s :   1D - C N N   C NN    Fau lt  c la s s i f icat io n     Fau lt  d etec tio n     T r an s m is s io n   l i n e   T h is  is  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC BY - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ah m ed   T h a m er   R ad h i   Dep ar t m en t o f   E lectr o m ec h an ical  E n g in ee r i n g   E n g i n ee r i n g   T ec h n ical  C o lle g o f   Misan   So u t h er n   T ec h n ical  U n i v er s it y ,   B asra h ,   I r aq   E m ail: a h m ed . r ad h i @ s tu . ed u . i q       1.   I NT RO D UCT I O   T h o n o f   th b asic  co m p o n en ts   i n   p o w er   s y s te m s   is   T r an s m i s s io n   L in e s .   T h p o s s ib ilit y   o f   f au lt s   o cc u r s   in   tr an s m is s io n   li n e s   ar h ig h er   t h an   th a i n   o th er   p o w er   co m p o n e n ts   in   p o w e r   s y s te m   b ec au s e   tr an s m is s io n   lin e s   ar ex p o s e d   to   d if f er en co n d itio n s   o f   th en v ir o n m e n t.  I f   f au lt  h ap p en s   i n   tr a n s m i s s io n   lin e,   t h p o w er   s y s te m   i s   e x p o s ed   to   d a m a g e,   t h er ef o r e,   i is   n ee d ed   to   r eliab le  a n d   r ap id   ef f ec ti v m et h o d   to   class if y   an d   d etec th f au lts   to   i m p r o v th p o w er   s y s t e m   tr an s ien s tab ilit y ,   tr a n s m i s s io n   li n tr an s f e r   p o w er   h as   b ee n   in cr ea s ed   a n d   to   r eser v th h ea lt h y   o p er atio n   o f   p o w er   s y s te m .   Dif f er e n m et h o d s   h a v b ee n   u s ed   f o r   f a u lts   d etec t in g ,   clas s if y in g   a n d   d is cr i m in a tio n   i n   tr an s m i s s io n   li n e,   w h ic h   ar co n v e n tio n al  m et h o d s   an d   ar ti f icial  in te lli g en t   m eth o d s .   T h ar tif icial   n e u r al  n et w o r k s   ( A NN s )   b ased   d ir ec tio n   f a u lt  d is cr i m i n ato r   w a s   p r o p o s ed   b y   [ 1 ] .   T h p r o p o s ed   m et h o d   u s i n g   th e   s a m p les  o f   in s ta n ta n eo u s   v al u e s   o f   v o ltag e s   an d   cu r r en ts   o f   f a u lt s   o cc u r s   at  d i f f er en lo ca tio n s   o n   a   tr an s m i s s io n   li n to   f ee d   t h p r o p o s ed   A N N.   A NN s   w a s   u s ed   f o r   f a u lt  lo ca tio n   in   e x tr h i g h   v o lta g tr an s m is s io n   l i n e   [ 2 ] .   E l m an   r ec u r r en n e u r al  n et w o r k   h a s   b ee n   u s ed   b y   E k ici  et  a l.   [ 3 ]   to   lo ca te  th f a u lt s   i n   th tr a n s m is s io n   li n e.   A p p licatio n   o f   A NN  f o r   d etec tio n   o f   p h ase   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       C la s s i fica tio n   a n d   d ir ec tio n   d i s crimin a tio n   o f fa u lts   in   tr a n s mis s io n   lin es  … ( A h med   Th a m er R a d h i )   1929   to   g r o u n d   f a u lt,  cla s s i f ier   a n d   d ir ec tio n   esti m atio n   w as   in tr o d u ce d   f o r   tr an s m i s s io n   li n w i th   d o u b le  e n d   f e d   u s i n g   ter m i n al  d ata   [ 4 ] .   I m p le m en tatio n   a n d   d ev elo p m en o f   A NN - b ased   alg o r it h m   w a s   p r esen ted   b y   Sa n to s   an d   Se n g er   s u itab le  f o r   tr a n s m is s i o n   li n p r o tectio n   w as   d ev elo p ed   to   av o id   t h e   li m itati o n   ex is ti n g   i n   A N N   [ 5 ] .   A r tif icial  n e u r al  n et w o r k s   w er e   p r esen ted   f o r   f au lt  lo ca tio n   an d   d ir ec tio n   esti m at io n   in   d o u b le  en d   f ed   tr an s m is s io n   li n u s i n g   o n e   te r m in a d ata  o n l y   [ 6 ] .   T h m et h o d   e m p lo y s   t h e   t h r ee - p h ase   v o ltag e   an d   c u r r en t s   m ea s u r ed   at  o n l y   o n e   en d .   A   m et h o d   f o r   d etec tio n   an d   f a u lt   t y p id e n ti f icatio n   i n   tr a n s m i s s io n   li n b ased   o n   b ac k   p r o p ag atio n   n e u r al  n et wo r k s   i s   s tu d ied   a n d   i m p le m e n t ed   u s i n g   v o ltag e s   a n d   c u r r en ts   s i g n al s   o f   t h lin e   to   i m p le m e n p r o tectiv m eth o d   in   [ 7 ] .   S y ah p u tr [ 8 ]   h as  b ee n   u s f u zz y   m eth o d   to   co m p ar t h o u tp u o f   f u zz y   m o d el  w i th   t h m ea s u r e m en ts   o f   r ea p r o ce s s .   A   p r o tectiv s c h e m f o r   f au l d ir ec tio n   co m p ar is o n   i n   tr an s m is s io n   li n h as   b ee n   i n tr o d u ce d   b y   Has h e m et   a l.   [ 9 ]   b ased   o n   av er a g v al u e s   o f   s u p er i m p o s ed   co m p o n e n t s   o f   v o lta g es  a n d   cu r r en ts   at  r ela y   p o in to   d etec t th f a u lt  a n d   d is cr i m i n ate  its   d ir ec tio n .   A   m et h o d   o f   A NN  f o r   r ec o g n itio n   o f   f au lt  lo ca tio n   in   p o w er   s y s te m   tr an s m is s io n   h as  b ee n   i n tr o d u ce d   in   [ 1 0 ]   w a s   an al y ze d   w it h   d if f er e n f a u lt   i m p ed an ce s .   A   r ev ie w   s t u d y   w as  i n tr o d u ce d   b y   Yad a v   an d   Dash   [ 1 1 ]   f o r   r ev ie w i n g   ap p r o x i m atel y   t h i m p o r tan tec h n iq u e s   o f   AN b ased   p r o tectio n   o f   tr an s m is s io n   li n an d   t h i s   r ev ie w   h a s   b ee n   d ec r ea s th e   n e w   r e s ea r ch er s   d i f f ic u ltie s   f o r   ev alu ati n g   d if f er en AN N - b ased   alg o r it h m s .   B ac k   p r o p ag atio n   f ee d   f o r w ar d   n eu r al  n et w o r k   h a s   b ee n   u s ed   to   d is tin g u is h   w h eth er   i s   f au lt  p r esen o r   n o t   also   lo ca tes  f au l zo n e   i n   [ 1 2 ] .   A   p r o p o s ed   m o d el  u s in g   Ma tlab   s o f t w ar to   d etec t h f a u l o n   tr an s m is s io n   lin u s i n g   n e u r al  n et w o r k s   p r esen ted   b y   Kesh ar w a n a n d   Sin g h   [ 1 3 ] .   A   p r o tectiv r ela y   u s in g   A NN  f o r   tr an s m is s io n   li n es   h a s   b ee n   u s ed   to   r ec o g n ize   t h i m p ed an c p atter n s   to   p r o d u ce   tr ip   i f   f au lt  i s   p r ese n a n d   n o   tr ip   o th er w is e   [ 1 4 ] n e ANN  al g o r ith m   i s   p r o p o s ed   f o r   f ast  f au lt  d etec tio n   a n d   clas s if ica tio n   i n   w h ic h   v o ltag e s   a n d   cu r r en ts   a o n e   en d   ar ta k en   as  in p u f o r   th p r o p o s ed   alg o r ith m   in   [ 1 5 ] .   A   d ir ec tio n al   co m p ar is o n   m et h o d   o f   tr an s ie n en er g y   h a s   b ee n   u s ed   f o r   tr an s m i s s io n   li n es  p r o tectio n   in   [ 1 6 ] .   I t   is   b ased   o n   th tr a n s ie n p o w er   p o lar it y   v ar iatio n   an d   ca lc u latio n   o f   w i n d o w   o f   d ata  to   i m p r o v e   s e n s itiv it y .   An   e f f icie n t   p r o tectiv s ch e m u s i n g   AN w a s   in tr o d u ce d   to   i m p r o v e   th s etti n g   o f   f ir s zo n r ea c h   an d   f a u lt  d etec tio n   wi t h   t i m e   o f   h al f   c y cle   i n   [ 1 7 ] h y b r id   ANN  m o d u le  w a s   u s ed   f o r   d etec tin g ,   lo ca ti n g   a n d   class i f y in g   f a u lts   o n   tr an s m is s io n   li n es  b y   u s lar g a m o u n o f   d ata  f o r   tr ain i n g   p r o ce s s   o f   t h p r o p o s ed   m eth o d   in   [ 1 8 ] h y b r id   p r o tectio n   o f   tr a n s m i s s io n   li n s ch e m e   h a s   b ee n   i n tr o d u ce d   f o r   d etec tio n   an d   cla s s if icatio n   o f   f au lt   i n   [ 1 9 ] .   T h is   s ch e m p r o p o s es  m u lti - la y er   f ee d   f o r w ar d   n eu r al  n et w o r k   to   d iag n o s is ,   clas s if y   an d   lo ca te  f au lt s   i n   tr an s m is s io n   li n co n s is t s   f r o m   u n d er g r o u n d   ca b le  an d   o v er h ea d   lin e.   A   r ev ie w   o f   ANN  tech n iq u h a s   b ee n   u s ed   to   p r o tect  tr an s m is s io n   l in is   p r ese n ted   b y   Up ad h y a y   et  a l.   [ 2 0 ]   f o r   f au lt  d etec tio n   an d   lo ca tio n   u s in g   in telli g e n m et h o d s .   A   n e w   m eth o d   b ased   o n   s i n g le  A NN  s y s te m   f o r   f a u lt  d etec tio n   an d   class i f icatio n   u s i n g   m u ltil a y er   p er ce p tr o n   f ee d   f o r w ar d   A NN   is   p r o p o s ed   f o r   r eliab le  an d   e f f icie n d etec tio n   m o d el   i n   [ 2 1 ] r ev ie w   o f   d if f er e n m et h o d s   u s ed   f o r   d etec tio n   o f   f au lt,  lo ca tio n   a n d   clas s if icatio n   in to   p o w er   tr an s m is s io n   lin es   h a s   b ee n   in tr o d u ce d   al s o   p r esen ts   a   co m p ar is o n   b et w e en   v ar io u s   a lg o r it h m s   u s ed   f o r   f a u lt  cla s s i f icatio n   an d   d etec tio n   in   [ 2 2 ]   Du to   t h d i f f icu lties   in   f ea t u r ex tr ac tio n   o f   f au l s i g n als   in   all   t y p e s   o f   f a u lt   d etec tio n   tech n iq u es   an d   i n   o r d er   to   o v er co m e   th i s   p r o b le m   d ee p - lear n i n g   al g o r ith m s   s u c h   as   co n v o lu t io n al  n e u r al  n et w o r k   ( C NN)   is   u s ed   r ec e n tl y .   C N Ns  ar f ee d - f o r w ar d   n e u r al  n et w o r k s   w h o s d if f er en la y er s   f o r   alter n ati n g   co n v o lu tio n al  a n d   s u b   s a m p li n g .   T h f in a la y er s   ar f u ll y   c o n n ec ted   a f ter   th co n v o l u tio n al  la y er s   w h ic h   ar m u ltil a y er   p er ce p tr o n s   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   R ec en tl y ,   C NNs  h a v b ee n   co m m o n l y   u s ed   i n   d ee p - lear n in g   p r o b le m s ,   s u c h   a s   o b j ec r ec o g n itio n   a n d   f au lt   d etec tio n .   Gu o   [ 2 5 ]   p r o p o s ed   f au lt   d etec tio n   m et h o d   b ased   o n   co n tin u es  w a v elet  tr an s f o r m   an d   co n v o lu tio n al  n e u r al  n et w o r k   i n   p o w er   d is tr ib u tio n   s y s te m .   T h p r o p o s ed   m et h o d   ca n   s o l v th p r o b lem   o f   f ea t u r s elec tio n   an d   cl ass i f icatio n   o f   f au lt  s i g n als.  C o n v o lu tio n al  Ne u r al   Net w o r k   ( C NN)   b ased   alg o r it h m   i s   p r o p o s ed   f o r   d etec tin g   an d   class i f y in g   t h f a u lts   i n   tr an s m id d io n   li n es   w it h o u u s i n g   f ea t u r ex tr ac t i o n   in   [ 2 6 ] .   I n   th i s   al g o r ith m   t h o p ti m al  m o d el  o f   o u tp u i s   d eter m in w i th   h i g h   ac cu r ac y .   T h ad ap tiv C NNs   h av b ee n   u s ed   s u cc ess f u ll y   o v er   o n d im e n s io n al  1 s ig n al.   A   1 D - C NNs  ar s i m p le  to   tr ain   w it h   f e w   n u m b er s   o f   ep o ch s   o f   b ack - p r o p ag atio n   an d   ca n   p er f o r m   f aster   class i f icatio n   p r o ce s s   w it h   1 co n v o lu tio n   o f   o n l y   f e w   h u n d r ed   [ 2 4 ] .   Du r in g   t h tr ai n in g   p r o ce s s   t h C NNs  co n v o l u tio n   la y er s   ar o p ti m ized   f o r   ex tr ac tin g   t h f ea t u r es  w ith   h i g h l y   d is cr i m i n atio n   u s i n g   1 f il ter   k er n e ls   w i th   lar g e   d ata  s et.   C o n s eq u en t l y ,   1 C NNs i f   p r o p er ly   tr ai n ed   f o r   a   g iv e n   d ata  s et  ca n   o p ti m ize  f e atu r ex tr ac tio n   an d   class i f icatio n   p r o b lem s .   I n   th is   p ap er ,   n o v el  m et h o d   is   p r o p o s ed   f o r   f au lt  clas s i f ic atio n   an d   d ir ec tio n   d is cr i m i n ato r   in   tr an s m is s io n   lin b ased   o n   1 C NNs  al g o r ith m   to   s o lv t h p r o b le m s   o f   d i f f icu l ties   i n   f ea t u r ex tr ac tio n   s elec tio n   an d   class if ier .   T h p r o p o s ed   ap p r o ac h   u s ed   th s a m p les  o f   v o l tag es  a n d   cu r r en ts   s ig n al s   o b tain   f r o m   o n e n d   o f   t h e   r ela y   s ite   f o r   th e   p r o p o s ed   tr an s m i s s io n   li n m o d el  a s   a n   i n p u t   to   tr ai n   a n d   test   t h p r o p o s ed   alg o r ith m   i n   w h ich   th f ea t u r ex tr ac tio n   o f   f a u lt  c u r r en a n d   class i f icatio n   m eth o d   ar e   m er g i n to   o n m ac h i n lear n er .   T h r est  o f   p ap e r   is   o r g an ized   as  f o llo w s tr an s m is s io n   li n m o d el  i s   p r esen ted   in   s ec tio n   2 .   C o n v o lu tio n   n eu r al  n et w o r k s   o v er v ie w   an d   al g o r ith m   o f   1 C NN  ar d is cu s s ed   i n   s ec tio n   3 .   Sectio n   4   in tr o d u ce d   th p r o p o s ed   p r o tectiv s c h e m e .   T h p r o p o s ed   s tr u ct u r o f   1 C NN  i s   g i v en   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N:  2 0 8 8 - 8694   I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t,  Vo l.  1 2 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2 0 2 1   :   19 28     19 39   1930   in   s ec tio n   5 .   T h d is cu s s io n   an d   ev alu a tio n   o f   t h test s   r es u lts   is   g i v e n   in   s ec tio n   6 .   Fin al l y ,   th co n cl u s io n s   ar p r esen ted   in   s ec tio n   7 .         2.   T RANSM I SS I O L I NE   P R O P O SE M O DE L   A   1 3 2 k V   p o w er   s y s te m   co m p o s ed   o f   1 8 0 k m   o v er h ea d   li n b et w ee n   b u s   b ar s   an d   B ,   1 2 0 k m   li n e   b et w ee n   b u s   b ar s   B   an d   C   w h ich   ar co n n ec ted   b et w ee n   eq u iv a len s o u r ce s   t h r o u g h   p o w er   tr an s f o r m er s   an d   1 0 0 k m   lin b et w ee n   b u s es  B   an d   lo ad   b u s   D.   Fig u r 1   s h o w   th s i n g le  li n d iag r a m   o f   th p o w er   s y s te m   m o d el.   T h r ela y   v o lta g es  a n d   cu r r en ts   m ea s u r e m e n t s   ar lo ca ted   at  b u s   A .   T h is   p o w er   s y s t e m   i s   u s ed   to   p r ep ar th tr ain in g   an d   test i n g   d ata  f o r   th p r o p o s ed   p r o tectiv alg o r it h m .           Fig u r 1 .   T r an s m i s s io n   li n m o d el       T h f o r w ar d   f a u lt  d ir ec tio n   is   th e   cu r r en o u t w ar d   f r o m   t h e   b u s   b ar   in   w h ich   th e   r ela y   l o ca ted ,   as  s h o w n   f r o m   Fi g u r 1   t h cu r r en f lo w   f r o m   b u s   A   to   o t h er   b u s es  B ,   C ,   a n d   w h ic h   ar r ep r esen ted   b y   f a u lt s   p o in ts   F1 ,   F2 ,   an d   F3 .   W h ile,   th r ev er s f au lt  d ir ec tio n   is   th cu r r en f lo w   i n   o p p o s ite  d ir ec tio n   to   f o r w ar d   f au lt  f r o m   b u s   A   to   b u s   s u c h   a s   f au lt  p o in t   F4   i n   Fi g u r 1 .   T h p atter n s   f o r   tr ain i n g   an d   test i n g   t h e   p r o p o s ed   m et h o d   ar o b tain ed   b y   d if f er e n co n d itio n s   a n d   p ar am eter s   o f   p o w er   s y s te m .   No r m a o p er atio n   w it h   li g h t   lo ad   an d   f u ll   lo ad   o p er atio n ,   u n d er   f a u lt s   co n d itio n s   w it h   d i f f er e n f a u lt s   lo ca tio n ,   f au l ts   r e s is ta n ce ,   f au lts   i n ce p tio n   ti m a n d   d if f er en f a u lt s   t y p es  f o r   f o r w ar d   an d   r ev er s f a u lt s   d ir ec tio n .   T ab le  1   s u m m ar ies   th p ar a m eter s   v al u es o f   p o w e r   s y s te m   m o d el  a n d   d if f er en t c o n d itio n s   v al u es  f o r   g en er ati n g   p atter n s .         T ab le  1 .   P o w er   s y s te m   p ar a m eter s   an d   co n d itio n s   s etti n g   f o r   p atter n s   g e n er atin g   P a r a me t e r s   V a l u e s   G e n .   1 ,   G e n .   2   3 - p h a se ,   2 0 k V ,   5 0 H z ,   5 0 0   M V A ,   Y - g r o u n d e d   T r 1 ,   T r 2 ,   T r 3   3 - p h a se ,   D / Y ,   2 0 k V / 1 3 2 k V ,   5 0 H z ,   5 0 0   M V A   T r a n smissi o n   l i n e s   Z + = 0 . 0 1 2 7 3 + j 0 . 2 9 3 ( / k m ) ,   Z o = 0 . 0 1 2 7 3 + j 1 . 2 9 6   ( / k m)   A n g l e   o f   f a u l t   i n c e p t i o n ,   d e g .   0 ,   3 0 ,   6 0 ,   9 0   F a u l t   r e si st a n c e ,     0 . 0 1 ,   1 ,   2 ,   5 ,   1 0   F a u l t   l o c a t i o n ,   k m   1 ,   5 ,   1 0 ,   3 0 ,   5 0 ,   8 0 ,   1 0 0   F a u l t   t y p e s   L i n e   t o   g r o u n d ,   D o u b l e   l i n e ,   D o u b l e   l i n e   t o   g r o u n d ,   3 - p h a se   f a u l t       3.   CO NVO L U T I O N E URA L   NE T WO RK S O VE R VI E W     C o n v o l u tio n   Ne u r al  Net w o r k s   C NN s   ar f ee d   f o r w ar d   ANNs  ar b io lo g icall y   i n s p ir ed   an d   h a v e   co n v o lu tio n al  la y er s   [ 2 3 ] .   B etw ee n   ea ch   co n v o lu tio n   la y er   th er ar s u b   s a m p li n g   la y er s   f o r   d ec i m ati n g   th e   f ea t u r m ap s   in   th n e u r o n s   o f   p r ev io u s   la y er s .   B y   f o r w ar d   p r o p ag atio n   f o r   ce r tain   n u m b er   o f   s u b - s a m p li n g   th last   s u b - s a m p li n g   la y er   r e ac h es  to   s ca lar   1 n e u r o n s .   F o llo w i n g   C NN s   la y er s   th er a r f u ll y   co n n ec ted   la y er s   a n d   f ee d   f o r w ar d   n et wo r k s   h a v t h s a m s tr u c tu r o f   th m u lti la y er   p er ce p tr o n   ML P   w h ic h   h as  th e   o u tp u la y er   f o r   class if icatio n   d ec is io n .   T h to p o lo g y   o f   C NN,   ar n u m b er   o f   C NN  la y er s ,   s u b - s a m p li n g   f ac to r s   in   ea ch   la y er ,   an d   n u m b er   o f   n e u r o n s   in   ea ch   M L P   h id d en   la y er s   all  o f   th ese  p ar a m eter s   m u s b s et  f o r   t y p ical  C NN s   in   o r d er   to   ac h iev d ec i m atio n   to   r ea ch   1 v ec to r   at  th o u tp u la y er .   A   2 D - C N m o d el   is   s h o w n   in   F ig u r 2   w it h   in p u la y er   co n s is o f   p i x el  i m a g es  w i th   2 8 x 2 8 .   Af ter   th i n p u t   lay er   ea c h   la y er   o f     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       C la s s i fica tio n   a n d   d ir ec tio n   d i s crimin a tio n   o f fa u lts   in   tr a n s mis s io n   lin es  … ( A h med   Th a m er R a d h i )   1931   co n v o lu tio n   ar f o llo w s   w it h   la y er s   o f   s u b - s a m p lin g   in   w h ich   d ec i m ated   o f   2 m ap s   p r o p ag ated   f r o m   th e   p r ev io u s   la y er   n e u r o n s .   C NN s   ar tr ai n in g   u s in g   t h b ac k - p r o p ag atio n   ( B P )   alg o r ith m .   Ho w e v er ,   t h t w o   m aj o r   p a r am eter s   i n   C NN  ar e   th s ize  o f   k er n el  an d   u n d er - s a m p li n g   f ac to r   w h ic h   ar s etin g   to   5   an d   2   f o r   s tr u ct u r s h o w n   i n   Fi g u r 2 ,   p ass iv la y er   r ep r esen t h in p u la y er   w h ich   o n l y   r ec eiv in p u i m a g an d   g iv e s   o f   ch a n n e ls   o f   co lo r   as  t h r ee   n eu r o n s   f o r   f ea t u r m ap in g .   W ith   f o r w ar d   p r o p ag atio n   f o r   ce r tain   d o w n - s a m p li n g   la y er s   n u m b er ,   w h ic h   ar d ec i m ated   f o r   ( 1 - D)   s ca l ar   v ec to r   i n   a   last   d o w n - s a m p l in g   la y er   o f   o u tp u t.   Fo llo w i n g   la y er s   ar f u ll y - co n n ec ted   la y er s   id en t ical  to   M L P   an d   f ee d - f o r w ar d   n et w o r k s   th at  h av e   an   o u tp u t   la y er   d eter m i n i n g   cla s s i f ic atio n   o f   o u tp u v ec to r   [ 2 4 ] .   T h co n f i g u r atio n   o f   C N s h o u ld   b ar r an g ed   ac co r d in g   t o   t h d i m en s io n s   o f   i n p u t   v ec to r   i n   o r d er   th at   t h e   C NN   o u tp u la y er   r ea ch e s   to   1 x 1   f ea tu r m ap .   Fo r   ad d r ess in g   th e s d r a w b ac k s ,   ce r tain   m o d i f icatio n   i s   p er f o r m ed   o n   C NN  to p o lo g y   t o   tr ain   an   ad ap tiv C NN  b y   b ac k   p r o p ag atio n   al g o r ith m   o f   1 D - C NN  w h ich   i s   wo r k s   b y   1 v ec to r .           Fig u r 2 .   2 D - C NN  s a m p le  o v er v ie w   [ 2 4 ]       3 . 1 .   Ada ptiv 1 CNNs    T h ad ap tiv 1 D - C NN s   ar u s ed   f o r   e x tr ac tio n   o f   f ea t u r e   an d   cla s s i f icat io n   th e   1 d a ta  o f   ea c h   s ig n al  [ 2 3 ] .   T h to p o lo g y   o f   th ad ap tiv 1 C NN  w i ll   p r o v id th p o s s ib ilit y   f o r   w o r k i n g   w it h   an y   d i m en s io n   i n   in p u la y er   [ 2 4 ] .   C NN  is   t h ac tiv t y p i n   d ee p   lear n in g   a n d   is   w id el y   u s e d   in   d if f er e n f ie ld s   s u c h   a s   s p ee ch   r ec o g n it io n ,   co m p u ter   v i s io n ,   an d   f a u lt   d iag n o s is .   C NN  r ed u ce s   th e   p ar a m e ter s   o f   t h n et w o r k   as  co m p ar ed   w it h   t y p ical  n eu r al  n et w o r k   b y   lo ca co n n e ctio n   an d   s h ar in g   in   w ei g h ts   u s i n g   co n v o l u ti o n a l   la y er s   [ 2 7 ] .   I n   co m p ac 1 C NNs  t h er ar t w o   k in d s   o f   la y er s ,   t h C NN  la y er s   f o r   1 c o n v o l u tio n   a n d   s u b - s a m p li n g   la y er s   a n d   f u ll y   co n n ec ted   la y er s   w h ic h   ar th s a m la y er s   in   t h tr ad itio n al  m u ltil a y er   p er ce p tr o n   ML P   [ 2 8 ] .   T h s tr u ct u r o f   1 D - C NN  i s   m o d eled   w it h   d i f f er en p ar a m eter s   as,   h id d en   C NN   n u m b er   an d   m u ltil a y er   p er ce p tr o n   la y er / n eu r o n s ,   s ize  o f   f ilter s   ( k er n el )   in to   ea c h   C NN   la y er ,   f ac to r   o f   s u b - s a m p lin g   ( p o o lin g )   in   ea ch   la y er ,   an d   c h o o s in g   t h p o o lin g   a n d   ac tiv atio n   f u n ctio n .   T h co n s tr u c ti o n   o f   1 C NN  is   s h o w n   i n   Fi g u r 3 .   I n   th is   m o d el,   th s ize  o f   f ilter s   o f   1 i s   4   an d   th u n d er - s a m p li n g   f ac t o r   is   3   w h er t h j th   n eu r o n   o f   h id d en   C N la y er ,   l ,   f ir s tl y   ex ec u te   co n v o lu tio n s   s eq u e n ce ,   t h en   co n v o l u tio n s   s u m   is   p as s ed   b y   th ac ti v atio n   f u n ctio n ,   a n d   t h en   s u b - s a m p lin g   o p er atio n   is   p er f o r m ed B asicall y ,   th is   is   r ep r esen tin g   th e   m ai n   d if f er en o f   1 C NN  an d   2 C NN,   w h er th ar r a y s   o f   1 r ep lace   th m atr ices  in t o   2 in   b o th   f ilter   k er n el   an d   f ea t u r m ap s .   C o n s eq u en tl y ,   t h 1 D   r a w   d ata  ar e   p r o ce s s in g   i n   t h C NN   la y er s   an d   lear n   to   e x tr ac   g iv e n   f ea tu r e s   w h ic h   co u ld   b u s ed   in   p r o ce s s   o f   class i f icatio n   w h ic h   ar p er f o r m ed   in   th m u lt ila y er   p er ce p tr o n   la y er s .   C o n s eq u en t l y ,   o p er atio n s   o f   f ea t u r e x tr ac tio n   a n d   clas s i f icatio n   ar b o t h   m er g e   i n to   s i n g le  p r o ce s s   th at  m a y   b o p ti m ize  f o r   m a x i m izi n g   th c lass if icati o n   p er f o r m a n ce .   T h is   is   r ep r es en ti n g   a   1 C NN s   m ai n   ad v a n ta g es  al s o   w h ich   c an   p r o v id lo w er   co m p le x it y   o f   co m p u ta tio n   s i n ce   t h o n l y   co s tl y   p r o ce s s   is   th s eq u e n ce   o f   co n v o l u tio n s   o f   1 ar r ay s   w ic h   ar lin ea r   w ei g h ted   s u m s   o f   1 t w o   ar r a y s .   L i k th i s   li n ea r   p r o ce s s   th r o u g h   b o th   p r o p ag atio n   in   f o r w ar d   an d   b ac k w ar d   c an   b p er f o r m ed   e f f icien tl y   i n   p ar allel  [ 2 4 ] ,   [ 2 8 ] .           Fig u r 3 .   T h s tr u ctu r o f   h id d en   C NN  la y er s   i n   1 C NN     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N:  2 0 8 8 - 8694   I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t,  Vo l.  1 2 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2 0 2 1   :   19 28     19 39   1932   3 . 1 . 1 .   F o r w a rd  a nd   ba ck w a r d pro pa g a t io n in 1 CNN    T h f o r w ar d   p r o p ag atio n   in   ea ch   C NN - la y er   is   e x p r ess es a s   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] ,   [ 2 8 ] :                                                                     ( 1 )     w h er         is   i n p u t,          is   b ia s   o f   th e   j th   n eu r o n   i n   la y er   l,              is   n e u r o n   o u tp u in   l a y er   l - 1 ,                is   f ilter   k er n el  f r o m   i th   n eu r o n   o f   la y er   ( l - 1 )   to   j th   n eu r o n o f   la y er   l,  an d   co n v 1 ( …. )   is   u s ed   f o r   p er f o r m i n g   1 co n v o lu tio n   o p er atio n   w ith o u ze r o - p ad d in g .   T h d i m en s io n   o f         ,   in p u t   ar r ay   is   les s   th a n   f r o m   d i m en s io n   o f   o u tp u t   ar r ay s ,             .   T h o u tp u t,        ,   in   la y er   m a y   b e   ex p r ess ed   b y   p ass i n g   i n p u         w ith   ac ti v atio n   f u n ct io n   f (   .   ) ,   as:           =f (         ( 2 )                       ss    ( 3 )     w h er         r ep r esen t o u tp u t o f   j th   n eu r o n   in   la y er   o f   l a n d       s s   s ta n d   f o r   o p er atio n   o f   u n d er - s a m p lin g   w it h   f ac to r ,   ss.   I n   b ac k - p r o p ag atio n   al g o r ith m   p r o p ag atin g   an   er r o r   f r o m   o u tp u o f   M L P - la y er .   L et  l =1   o f   in p u t   la y er   a n d   l= L   o f   o u tp u la y er .   Ass u m Q L   is   n u m b er   o f   cl ass es   in   o u tp u t,  f o r   g i v en   i n p u t   v ec to r ,   let   t h tar g et  b [ t 1   ,         ] ,   an d   o u tp u t   v ec to r s ,   [           ...         ] .   T h m ea n - s q u ar er r o r   ( MSE ) ,   E ,   in   o u tp u la y er is   ex p r ess ed   as:     E=                                   ( 4 )     A   d elta  er r o r ,                         m u s b co m p u ted   to   ca lc u late  t h d er iv ati v o f   E   w it h   r esp ec to   ea ch   p ar am eter   i n   th n et w o r k .   Fo r   u p d atin g   all  w ei g h ts   o f   n e u r o n s   an d   b ias  o f   th at  n eu r o n   in   p r ec ed in g   la y er   th e   ch ain - r u le  o f   d er iv ati v i s   u s e d   as:                                              ( 5 )                             ( 6 )     T h er ef o r e,   th r eg u lar   b ac k   p r o p ag atio n   f r o m   f ir s t M L P   la y e r   to   last   C NN  la y er   i s   p er f o r m ed   as:                                                                                                          ( 7 )     Af ter   p er f o r m in g   th e   f ir s o p e r atio n   o f   b ac k - p r o p ag atio n   f r o m   la y er   ( l+1 )   to   p r ese n la y er   l,  th e n   t h e   b ac k   p r o p ag atio n   m a y   ca r r y   f o r   in p u t d elta  i n   C NN  la y er   l,          .   Ass u m ze r o   o r d er   u p - s a m p led   ca n   b u         =u p   (       ) ,   th en   d elta  er r o r   m a y   b e x p r ess ed   as:           =                               =                                       (       )                )           (       )     ( 8 )     w h er   =( s s ) - 1 .   B ac k   p r o p ag atio n   o f   d elta  er r o r   (                   )   is   ex p r ess ed   as:                                                                      ( 9 )     W h er is   r ev   (   .   )   u s ed   to   ar r ay   r ev er s in g   a n d   co n v 1 D ( …)   is   u s ed   to   f u ll  1 c o n v o l u tio n   p er f o r m in g   w it h   ze r o - p ad d in g .   T h d er iv ativ o f   er r o r   w it h   r esp ec t to   w ei g h t a n d   b ias  m a y   b ex p r ess ed   as:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       C la s s i fica tio n   a n d   d ir ec tio n   d i s crimin a tio n   o f fa u lts   in   tr a n s mis s io n   lin es  … ( A h med   Th a m er R a d h i )   1933                                                       ( 1 0 )                                     ( 1 1 )     T h w eig h t s   an d   b iases   ca n   b u p d atin g   w ith   lear n i n g   r ate      u s in g   t h f o llo w i n g   eq u atio n s :                                                                      ( 1 2 )                                                       ( 1 3 )     T h m o r d etails o f   t h b ac k   p r o p ag atio n   alg o r ith m   o f   1 D - C NN  ar p r esen ted   in   [ 2 3 ] .       4.   P RO P O SE P RO T E CT I V E   SCH E M E   T h tr an s m i s s io n   p o w er   s y s t e m   m o d el  s h o w n   p r ev io u s l y   in   Fi g u r 1   is   s i m u lated   b y   Ma tlab   Si m u li n k   to   g en er ate  d ata  at  d if f er en f a u lt  co n d itio n s   f o r   tr ain in g   an d   test i n g   th p r o p o s ed   p r o tectiv e   alg o r ith m   o f   1 C NN.   T h th r ee - p h ase  v o ltag e s   an d   c u r r en ts   s i g n al   in   tr a n s m i s s io n   lin a th r ela y   p o s itio n   f ir s tl y   ar r ec o r d in g   an d   th e n   s a m p li n g   w it h   2   k Hz  s a m p l i n g   f r eq u e n c y   to   r ea ch   4 0   s a m p les  p er   ea ch   c y cle   f o r   ea ch   v o ltag a n d   cu r r e n s i g n al s .   T h r ec o r d in g   d ata  ar s ca lin g   b et w ee n   - 1   an d   +1   to   b f ee d   to   p r o p o s ed   co n f i g u r atio n   o f   1 C NN  al g o r ith m   to   clas s i f y   t h f au lt  an d   d is cr i m in ate  its   d ir ec tio n .   T h o v er all  p r o p o s ed   p r o tectiv m et h o d   is   s h o w n   i n   Fig u r 4 .           Fig u r 4 .   P r o p o s ed   p r o tectiv m et h o d       5.   ST RUC T UR E   O F   P RO P O SE 1 CNN   T h s tr u ctu r m o d el  o f   t h p r o p o s ed   1 D - C NN  co n s i s ts   o f   in p u la y er   w h ich   r ec ei v es  1 d ata  s ig n al,   t h r ee   co n v o lu tio n   la y er s   C NN1 ,   C NN2 ,   an d   C C N3   w it h   s u b - s a m p li n g   p o o lin g   la y er s   P 1 ,   P2 ,   an d   P 3   th er ex i s a f ter   ea c h   co n v o lu tio n   la y er ,   r esp ec tiv el y .   A l s o   co n s is ts   o f   t w o   f u ll   co n n ec tio n   M L P   la y er s   FC 1 ,   FC 2 ,   a n d   o u tp u la y er   h as   n e u r o n s   n u m b er   is   eq u al   to   t h e   class e s   n u m b er .   T h i n p u t   p atter n   co n tain s   s i x   s ig n al s   w h ich   ar th e   th r ee - p h ase  v o lta g es   an d   c u r r en t s   an d   ea ch   s i g n al  h as  4 0   s a m p le  p er   c y cle  to   f o r m   240  s a m p le  i n   ea ch   in p u p atter n .   T h s ize  o f   f ilter   k er n el s   o f   5   is   u s ed   f o r   ea ch   C NN s   la y er   w it h   s tep   s ize  o f   1   an d   t h t h r ee   co n v o l u tio n   la y er s   co n tai n s   1 2 ,   2 4 ,   3 6   co n v o lu tio n   k er n els,   r esp ec tiv e l y .   T h r ec tif ier   l in ea r   R L ac tiv atio n   f u n c tio n   is   u s ed   in   ea ch   C NN  la y er .   Ma x i m u m   p o o lin g   is   u s ed   af ter   th o u tp u o f   ea c h   C NN   la y er   w it h   s u b - s a m p l in g   f ac to r   o f   4   in   P 1 ,   in   P 2   is   5   an d   in   P 3   it  is   s et  to   its   in p u ar r a y   s ize,   s i n ce   t h last   C NN  h as  s ize  i s   1 x 7 ,   s o   t h s u b - s a m p li n g   f ac to r   o f   P 3   is   7 .   T h is   p o s s i b le  ad ap tatio n   i n   C NN  s tr u ctu r d u to   th la s C NN  la y er   o u tp u d im en s io n   is   a u to m atica ll y   d o w n - s a m p l in g   to   1 -   s ca lar   v alu e s   r eg ar d less   o f   s u b -   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N:  2 0 8 8 - 8694   I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t,  Vo l.  1 2 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2 0 2 1   :   19 28     19 39   1934   s a m p li n g   f ac to r   w h ic h   w as  u s ed   in   o th er   C NN  la y er s .   T h tw o   f u ll  co n n ec tio n   la y er s   F C 1   an d   FC 2   h av 3 6   n eu r o n s   a n d   n u m b er   o f   n e u r o n s   in   o u tp u la y er   is   4   f o r   f au lt  clas s i f icatio n .   I n   o u tp u la y er ,   n e u r o n   n o d e   n u m b er   o n to   i n d icate   th f a u lt  i n   p h a s A   w h ic h   h a s   v alu o f   1   i f   f au l o cc u r s   i n   f o r w ar d   d ir ec tio n   o f   p r o tectiv r ela y   a n d   h as  v al u e   o f   - 1   i f   f au lt  o cc u r s   i n   r ev er s d ir ec tio n   o r   h a s   0   v alu e   f o r   n o   f a u lt   d etec ted   in   th is   p h ase.   S i m ilar l y ,   n eu r o n s   n o d n u m b er   t w o   a n d   th r ee   to   in d icate   f a u lt s   i n   p h as B   an d   p h ase  C ,   r esp ec tiv el y .   T h f o u r th   n e u r o n   n o d is   to   in d icate   t h g r o u n d   f a u lt  i f   e x is f o r   all  t y p es  o f   f a u lt s   an d   h a s   v alu o f   1   if   th er is   ce r tain   f au lt  to   g r o u n d   an d   h as  0   v al u if   g r o u n d   d o es  n o ex is t   w ith   g i v en   t y p o f   f au lt.  T h o v er all   co n f ig u r atio n   o f   p r o p o s ed   1 D - C NN   is   s h o w n   i n   Fi g u r 5 .   T h n et w o r k   i s   tr ai n in g   b y   B ac k - P r o p ag atio n   alg o r it h m   e x p lai n ed   p r ev io u s l y   i n   lear n in g   al g o r ith m   in   s ec tio n   3 . 1 . 1 .           Fig u r 5 .   C o n f ig u r atio n   o f   1 C NN       6.   RE SU L T S   A ND  D I SCU SS I O NS   T h to tal  r ec o r d in g   d ata  p atte r n   s ets  o b tain ed   f r o m   p r o p o s e d   p r o tectio n   m o d el  ar 8 8   p atter n s   an d   ea ch   p atter n   co n ta in   s i x   s i g n als  o f   4 0   s a m p le s ,   s o   th n u m b er   o f   s a m p les  f o r   ea ch   p at ter n   s et  i s   2 4 0 .   T h p atter n   s ets  ar r an d o m l y   d i v id ed   in to   6 0   s et  f o r   tr ain in g   an d   2 8   s et  f o r   test in g   w it h   e q u al  class i f icatio n   ca teg o r y .   T h s u m   o f   m ea n   s q u ar er r o r   MSE   o f   all  t r ain in g   s et s   d u r in g   th lear n in g   is   0 . 0 0 1   an d   co n v er g e n ce   a f ter   2 5 5 0   ep o ch s   w ith   lear n i n g   r ate    =0 . 1 3 .   T o   ex a m i n t h ac cu r ac y   a n d   ef f ec tiv e n ess   o f   th e   p r o p o s ed   1 D - C NN  p r o tectiv alg o r ith m   t w o   o th er   co n v e n t io n al  m et h o d s   o f   f a u lts   clas s i f icatio n   ar u s ed   f o r   co m p ar is o n s   w h ic h   ar n e u r al  n et w o r k s   NN  a n d   f u zz y   n e u r al  n et w o r k s   F NN,   t h s tr u ct u r o f   t h ese  m e t h o d s   is   s h o w n   in   T ab le  2 .   T h ac cu r ac y   o f   tes tin g   r es u lt s   is   co m p u ted   f o r   th p r o p o s ed   m et h o d   an d   f o r   t h t w o   o th er   m et h o d s .   T h test   r es u lt s   ar u s ed   to   c h ec k   th ac c u r a c y   b y   Me a s u r i n g   F1   s co r w h ich   is   th h ar m o n ic   m ea n   b et w ee n   p r ec is io n   an d   r ec all  [ 2 9 ] .   Fro m   T ab le  2   it  s ee n   t h at  t h ac c u r ac y   o f   p r o p o s e d   m et h o d   h as   h ig h   id en ti f icatio n   ac cu r ac y   f r o m   o th er   t w o   m et h o d s   a n d   w it h   t h s a m to tal  MSE   o f   0 . 0 0 1   th p r o p o s ed   m et h o d   is   co n v er g en ce   w it h   les s   th a n   n u m b er   o f   ep o ch s   o f   2 5 5 0   as  co m p ar ed   w ith   co n v er g e n ce   n u m b er   o f   ep o ch s   o f   NN  an d   FNN.   T h i s   p r o v es   th at  th e   p er f o r m a n ce s   o f   p r o p o s ed   1 C NN  al g o r ith m   is   ef f ec tiv a n d   p er f o r m   h ig h er   c lass if ica tio n   ac cu r ac y .   T h lear n i n g   o f   to tal  M SE  w it h   n u m b er   o f   ep o ch s   f o r   p r o p o s ed   1 C NN  alg o r ith m   a n d   o th er   t w o   m et h o d s   is   s h o w n   in   Fig u r 6 .   T h ef f icie n c y   a n d   test   v al i d atio n   ac cu r ac y   o f   t h p r o p o s ed   1 D - C NN  al g o r ith m   is   en s u r ed   b y   co m p ar i n g   th e   r esu lts   ac c u r ac y   o f   test   v alid atio n   w it h   tr a n s m is s io n   li n es  f a u lts   c lass if icat io n   m o d els   h a s   b ee n   p r o p o s ed   b y   F u ad et   a l.   [ 2 6 ] .   I n   th i s   r e f er en ce   h a s   b ee n   i n t r o d u ce d   f o u r   t y p es   o f   m ac h i n lear n i n g   cla s s i f ier   m o d el  w h ic h   ar in cl u d es  ar ti f icial  n eu r al  n et w o r k   b ased   d esecr ate  w a v elet  tr a n s f o r m   ( A N N - DW T ) ,   C NN - DW T ,   C NN  w it h   r a w   d atase t ,   an d   C NN  w it h   n o r m aliza tio n   d ata  f o r   cla s s i f i y n ig   o f   f au l ts   i n   tr an s m is s io n   lin es.  T ab le  3   s h o w   t h co m p ar is o n   o f   r es u lts   ac c u r ac y   i n   t est  v alid atio n   it  s ee n   t h at  th p r o p o s ed   1 D - C NN   alg o r ith m   h as   h i g er   ac c u r ac y   o f   1 0 0 a n d   h a s   t h leas p ar a m eter s .   T h co m p ar is o n   e x p lain   th at   th e   p r o p o s ed   1 D - C NN  m o d el  i s   o p er ativ an d   h as  h i g h   ac c u r ac y   to   clas s i f y   t h f au lts   a n d   d is cr i m i n ate  it s   d ir ec tio n   in   tr an s m is s io n   li n es  u n d er   all  co n d itio n s   o f   o p er atio n .       T ab le  2 C o m p ar is o n   o f   r esu l t s   ac cu r ac y   M e t h o d   D i me n si o n s   T r a i n i n g / t e st i n g   se t s   T e st i n g   a c c u r a c y   1 0 0 %   N o .   o f   e p o c h   T o t a l   M S E   P r o p o se d   1 D - C N N   F i g u r e   5   6 0 / 2 8   9 8 . 1 6   %   2 5 5 0   0 . 0 0 1   NN   30 - 50 - 42 - 4   6 0 / 2 8   8 8   %   2 6 4 1 6   0 . 0 0 1   F N N   30 - 45 - 4   6 0 / 2 8   9 2 . 3   %   1 4 6 5 1   0 . 0 0 1       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       C la s s i fica tio n   a n d   d ir ec tio n   d i s crimin a tio n   o f fa u lts   in   tr a n s mis s io n   lin es  … ( A h med   Th a m er R a d h i )   1935   T h p r o p o s ed   p r o tectiv m o d el  o f   tr a n s m is s io n   p o w er   s y s t e m   s h o w n   p r ev io u s l y   i n   Fi g u r 4   is   u s ed   f o r   test i n g   t h e   p r o p o s ed   1 D - C NN  al g o r ith m .   T est  r esu lt s   o f   p r o p o s ed   alg o r ith m   w h ich   is   i m p le m e n ted   f o r   n o r m al   o p er atio n   an d   u n d er   d if f er en t   f a u lt s   co n d itio n s ,   s u c h   a s   f a u lt  d ir ec tio n   lo ca tio n ,   f au lt  r e s is ta n ce   an d   v o ltag i n ce p tio n   an g le  o f   tr an s m i s s io n   li n e s   m o d el.   T ab l 4   ex p lain   th r es u lts   f o r   test i n g   t h n o r m al   o p er atio n   an d   li n to   g r o u n d   f au lts .   T ab le  5   p r esen t s   t h r esu lt s   o f   te s ti n g   o f   d o u b le   lin e,   an d   t h r ee - p h ase   f au lts .   T h o b tain ed   r e s u l ts   s h o w s   t h at  th e   n e w   al g o r ith m   o f   1 D - C NN   ac h ie v es   h ig h   p e r f o r m an ce   an d   h i g h   ac cu r ac y   f o r   f a u lt  cla s s i f icat i o n   an d   th e   f au l d ir ec tio n   d eter m i n a f ter   t h f a u lt  in ce p tio n   is   p er f o r m ed   co r r ec tly   w i th   s i m u la ted   f a u l d ata.   T h r esu lts   s h o w   th a th al g o r ith m   d etec ts   a n d   class i f y   th f a u lt s   co r r ec tly   f o r   all  f a u lts   ca s es.           Fig u r 6 .   Me an   s q u ar er r o r   w ith   n u m b er   o f   ep o ch s       T ab le  3 C o m p ar is o n   o f   test   v alid atio n   ac cu r ac y     M e t h o d   n a me   F i l t e r s n u mb e r     i n   C N N   N e u r o n   n u m b e r   i n     f u l l y - c o n e c t i o n   l a y e r     T o t a l   p a r a me t e r     A c c u r a c y   o f   t e st     v a l i d a t i o n   1 0 0 %     P r o p o se d   1 D - C N N   12 - 24 - 36   36   1 6 6 0   1 0 0 %   C N N - D W T   [ 2 6 ]   16   1 4 4   3 4 , 2 0 3   9 6 . 1 1 %   C N N - r a w   d a t a   [ 2 6 ]   17 - 32   32   8 7 . 7 5 2   9 9 . 9 9 %   C N N - n o r mal i z a t i o n   d a t a   [ 2 6 ]   17 - 32   32   8 7 . 7 5 2   1 0 0 %   A N N - D W T   [ 2 6 ]   -   12 - 24 - 12   8 3 9   8 0 . 7 6 4 %       T ab le  4 L in to   g r o u n d   f au lts   test   r esu lts   F a u l t   t y p e     D i r e c t i o n   F a u l t   p o si t i o n / l o c a t i o n   I n c e p t i o n   a n g l e   F a u l t   r e si st a n c e   O u t p u t   t a r g e t   A c t u a l   o u t p u t   A   A c t u a l   o u t p u t   B   A c t u a l   o u t p u t   C   A c t u a l   o u t p u t   G   N o r mal   h a l f   l o a d   -   -   -   -   0 0 0 0   0 . 0 0 9 5   0 . 0 0 4 4   0   0   N o r mal   f u l l   l o a d   -   -   -   -   0 0 0 0   0 . 0 1 0 8   0 . 0 1 1 2   0   0   A - G   F o r w a r d   B u s   A ,   1 k m   30 o   0 . 0 1     1 0 0 1   0 . 9 8 2 7   0 . 0 0 6 4   0 . 0 0 0 7   0 . 9 9 5 2   A - G   F o r w a r d   B u s   A ,   1 0 k m   0 o   0 . 0 1     1 0 0 1   1   0 . 0 0 7   0   0 . 9 8 9 8   A - G   F o r w a r d   B u s   A ,   5 0 k m   60 o   5     1 0 0 1   1   0 . 0 1 5 4   0   1   A - G   F o r w a r d   B u s   B - D ,   2 0 k m   0 o   2     1 0 0 1   0 . 9 9 8 9   0 . 0 0 0 3   0 . 0 0 2 1   1   A - G   R e v e r s e   B u s   A ,   1 k m   0 o   0 . 0 1     - 1 0 0 1   - 1   0 . 0 0 0 5   0 . 0 0 1 2   0 . 9 8 9 7   A - G   R e v e r s e   B u s   A ,   1 0 k m   30 o   0 . 0 1     - 1 0 0 1   - 1   0 . 0 0 0 8   0   0 . 9 9 9 7   A - G   R e v e r s e   B u s   A ,   3 0 k m   60 o   2     - 1 0 0 1   - 0 . 9 8 9   0 . 0 1 8 6   0   1   A - G   R e v e r s e   B u s   A ,   1 0 0 k m   90 o   5     - 1 0 0 1   - 0 . 9 9 8   0 . 0 1 1   0 . 0 0 0 1   0 . 9 9 9 8   B - G   F o r w a r d   B u s   A ,   9 0 k m   0 o   0 . 0 1     0 1 0 1   0   1   0 . 0 0 0 6   0 . 9 8 6   B - G   F o r w a r d   B u s   B - C ,   1 0 0 k m   30 o   0 . 0 1     0 1 0 1   0 . 0 4 1 8   0 . 9 9 8 6   0 . 0 0 2 1   0 . 9 8 1 5   B - G   R e v e r s e   B u s   A ,   1 k m   0 o   0 . 0 1     0 - 1 0 1   0 . 0 1 4 3   - 1   0 . 0 0 0 3   0 . 9 9 7 9   B - G   R e v e r s e   B u s   A ,   5 0 k m   90 o   1 0     0 - 1 0 1   0 . 0 0 1 9   - 0 . 9 9 9 8   0 . 0 0 3 2   0 . 9 9 9 9   C - G   F o r w a r d   B u s   A ,   1 8 0 k m   0 o   0 . 0 1     0 0 1 1   0   0 . 0 0 2   1   1   C - G   F o r w a r d   B u s   B - C ,   1 2 0 k m   30 o   2     0 0 1 1   0 . 0 0 1 6   0 . 0 0 6 6   0 . 9 9 4 5   1   C - G   R e v e r s e   B u s   A ,   5 k m   0 o   0 . 0 1     00 - 11   0   0   - 1   1   C - G   R e v e r s e   B u s   A ,   1 0 0 k m   90 o   5     00 - 11   0   0   - 0 . 9 9 8 9   1         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N:  2 0 8 8 - 8694   I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t,  Vo l.  1 2 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2 0 2 1   :   19 28     19 39   1936   T ab le  5 T est r esu lts   o f   d o u b le -   li n an d   th r ee - p h a s f a u lt s   F a u l t   t y p e     D i r e c t i o n   F a u l t   p o si t i o n / l o c a t i o n   I n c e p t i o n   a n g l e   F a u l t   r e si st a n c e   O u t p u t   t a r g e t   A c t u a l   o u t p u t   A   A c t u a l   o u t p u t   B   A c t u a l   o u t p u t   C   A c t u a l   o u t p u t   G   A - B   F o r w a r d   B u s   B - C ,   3 0 k m   0 o   0 . 0 1     1 1 0 0   0 . 9 9 7 2   0 . 9 9 8 2   0   0 . 0 1 0 4   A - B   R e v e r s e   B u s   A ,   5 k m   60 o   1 0     - 1 - 1 0 0   - 1   - 0 . 9 9 9 9   0   0   B - C   F o r w a r d   B u s   B - D ,   2 0 k m   30 o   2     0 1 1 0   0 . 0 3 1 4   1   0 . 9 9 8 4   0 . 0 0 8   B - C   R e v e r s e   B u s   A ,   3 0 k m   90 o   5     0 - 1 - 10   0   - 0 . 9 9 9 8   - 1   0 . 0 0 3 2   A - C   F o r w a r d   B u s   A ,   1 8 0 k m   0 o   0 . 0 1     1 0 1 0   1   0 . 0 0 2   0 . 9 9 7 7   0 . 0 0 0 3   A - B - G   F o r w a r d   B u s   B - C ,   1 0 0 k m   0 o   2     1 1 0 1   0 . 9 8 1 9   1   0 . 0 0 2 5   0 . 9 9 3 3   A - B - G   R e v e r s e   B u s   A ,   5 0 k m   60 o   1 0     - 1 - 1 0 1   - 0 . 9 9 7 9   - 1   0 . 0 0 0 5   0 . 9 9 8 7   B - C - G   F o r w a r d   B u s   B - D ,   4 0 k m   0 o   0 . 0 1     0 1 1 1   0 . 0 0 4   1   1   0 . 9 8 3 3   B - C - G   R e v e r s e   B u s   A ,   1 0 k m   30 o   5     0 - 1 - 11   0 . 0 0 3   - 1   - 0 . 9 9 6 8   0 . 9 8 0 5   A - C - G   F o r w a r d   B u s   A ,   9 0 k m   0 o   0 . 0 1     1 0 1 1   0 . 9 9 8 8   0   1   0 . 9 9 8 8   A - B - C   F o r w a r d   B u s   A ,   5 0 k m   0 o   1 0     1 1 1 0   1   1   0 . 9 9 9 8   0   A - B - C - G   F o r w a r d   B u s   B - C ,   1 2 0 k m   60 o   2     1 1 1 1   0 . 9 9 7 8   1   0 . 9 9 6 8   1   A - B - C - G   F o r w a r d   B u s   B - D ,   1 0 0 k m   90 o   5     1 1 1 1   0 . 9 8 9 8   0 . 9 9 8   0 . 9 9 4 8   1   A - B - C   R e v e r s e   B u s   A ,   5 k m   0 o   0 . 0 1     - 1 - 1 - 10   - 0 . 9 8 7 7   - 1   - 0 . 9 7 9 9   0 . 0 0 1 2   A - B - C - G   R e v e r s e   B u s   A ,   5 0 k m   30 o   2     - 1 - 1 - 11   - 1   - 1   - 0 . 9 6 8 6   0 . 9 9 6 9   A - B - C - G   R e v e r s e   B u s   A ,   1 0 0 k m   90 o   1 0     - 1 - 1 - 11   - 0 . 9 9 8 8   - 1   - 0 . 9 3 9 8   0 . 9 9 9 9       I n   o r d er   to   ev alu ate  th s p ee d   o f   f a u lt  d etec tio n   an d   t h ac cu r ac y   o f   f au l d ir ec tio n   d is cr i m in atio n   o f   th p r o p o s ed   1 D - C NN  m et h o d ,   d if f er en f au lts   ca s e s   ar s t u d ied   to   s h o w   th p er f o r m a n ce   o f   th p r o p o s ed   p r o tectiv m e th o d   ar p r ese n t ed   h er e.   Fi g u r 7   il l u s tr ate s   t h th r ee - p h ase   v o lta g e s   a n d   cu r r en ts   w av e f o r m s   at   r ela y   p o s itio n   u n d er   h ea lth y   o p er atio n   o f   p o w er   s y s te m .   F ig u r e   8   s h o w   t h r ee - p h ase  v o ltag es  a n d   c u r r en t s   w a v e f o r m s   a r ela y   p o s i tio n   u n d er   p h ase  l in to   g r o u n d   f a u lt  o cc u r s   at  7 0 k m   i n   f o r w ar d   d ir ec tio n   s tar ti n g   at   ti m o f   0 . 1 5   s ec   an d   clea r   a 0 . 5 7   s ec .   Fig u r 9   s h o w   th o u tp u ts   o f   p r o p o s ed   alg o r ith m   u n d er   h ea lth y   o p er atio n   o f   p o w er   s y s te m   i i s   clea r   t h at  al t h o u tp u ts   ar ze r o   an d   s h o w   t h at  t h s tab ilit y   o f   t h al g o r ith m   o u tp u ts   u n d er   n o r m a o p er ati o n   co n d itio n s   o f   p o w er   tr an s m is s io n   s y s te m .   li n to   g r o u n d   f au lt  o cc u r   o n   p h ase  b   at  1 0 k m   i n   f o r w ar d   d ir ec tio n   o f   B u s   A   at  ti m o f   0 . 0 5   s ec   w i th   f au lt  r esis ta n ce   o f   0 . 0 1     as  ex p lain   in   Fi g u r 1 0 ,   it  is   s ee   th at  th e   o u tp u B   an d   g r o u n d   o u tp u ar b o th   g i v es  v al u o f   o n e   at   th i n s ta n o f   f au l t   an d   th e   t w o   o th er   o u tp u t s   o f   h ea lth y   p h a s es  g i v es  ze r o   o u tp u b ec au s n o   f a u lt  o cc u r s   o n   t h h ea lth y   p h ase s   a   an d   c.   T h r ee - p h ase  to   g r o u n d   f au l o cc u r   at  1 1 0 k m   in   f o r war d   d ir ec tio n   o f   B u s   A   at  0 . 4 2   s ec   in ci d en ti m e   w it h   f a u lt  r e s is ta n ce   o f   2     i s   g iv e n   i n   Fig u r 1 1 .   I is   cle ar   th at  f r o m   th i s   Fig u r t h p r o p o s ed   alg o r ith m   co r r ec tly   cla s s i f ies  a n d   d is cr i m i n ate  th d ir ec tio n   o f   f a u lt.  Fig u r 1 2   s h o w   p h ase  w it h   lin to   g r o u n d   f a u lt   o cc u r   at  5 k m   in   th r e v er s d ir ec tio n   o f   B u s   A   at  0 . 1 7   s ec   ti m w i th   f a u lt  r es is ta n ce   o f   1 0   .   T h Fig u r s h o w   t h at  th o u tp u A   o f   p r o p o s ed   m e th o d   g i v es  v al u o f   - 1   s in ce   t h f au l t o cc u r   in   r ev er s e   d ir ec tio n   o f   r ela y   p o s itio n   o n   B u s   an d   g r o u n d   o u tp u g i v v a lu o f   1   to   i n d icate   t h g r o u n d   f a u lt  w h il th o t h er   o u tp u ts   m en tio n   ze r o   v al u es   d u e   to   it   is   h ea l th y   p h ase s .   L i n to   lin to   g r o u n d   o cc u r   o n   P h ase s   b   an d   a 5 0 k m   i n   r ev er s d ir ec tio n   o f   B u s   A   at  ti m o f   0 . 6 2   w i th   f a u lt  r es is ta n ce   o f   5     as  s h o w n   i n   F ig u r 1 3 .   I n   Fig u r 1 4   lin e - to - l in e   f a u lt  at  p h ases   a n d   o cc u r   at  1 0 0 k m   i n   r ev er s d ir ec tio n   o f   B u s   s tar at  t i m o f   0 . 2   s ec   a n d   clea r   at  tim o f   0 . 6 1 s ec   w it h   f au lt  r esis ta n ce   o f   0 . 0 1   .   I t   is   s ee n   f r o m   t h i s   Fig u r th at  p r o p o s ed   m o d el  co r r ec tly   d etec t s   d ir ec tio n   o f   f au l at  f a u lt  s tar tin g   ti m a n d   r esto r its   n o r m a s tate  a th ti m o f   f a u lt  c lear .   Fro m   all   t h ese  s t u d ied   f a u lt s   ca s es  i i s   clea r   th at   t h p r o p o s ed   p r o tectiv m eth o d   h as   f ast  o u tp u ts   v ar iab le  co n v er g e n ce   to   th ex p ec ted   v alu es  o f   f a u lt s   co n d itio n s   an d   th d etec tio n   an d   d ir ec tio n   d is cr i m i n ato r   o f   f au lt   it  is   n o af f ec ted   b y   t y p e,   l o ca tio n ,   in ce p tio n   ti m an d   f au lt  r esi s tan ce t.  T h is   is   c le ar l y   co n f ir m in g   t h e   ef f ec tiv e n e s s   an d   ac c u r ac y   o f   th p r o p o s ed   alg o r ith m .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr S y s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       C la s s i fica tio n   a n d   d ir ec tio n   d i s crimin a tio n   o f fa u lts   in   tr a n s mis s io n   lin es  … ( A h med   Th a m er R a d h i )   1937       Fig u r 7 .   T h r ee - p h ase  v o lta g e s   an d   cu r r en t s   at  r ela y   s ite  u n d er   h ea lt h y   o p er atio n           Fig u r 8 .   T h r ee - p h ase  v o lta g e s   an d   cu r r en t s   at  r ela y   s ite  u n d er   p h ase  li n to   g r o u n d   f a u lt a t 7 0 k m   in   f o r w ar d   d ir ec tio n       Fig u r 9 .   Ou tp u t s   o f   p r o p o s ed   alg o r ith m   u n d er   h ea lt h y   o p er atio n           Fig u r 1 0 .   P h ase   b   lin to   g r o u n d   f au l t a t 1 0 k m   i n   f o r w ar d   d ir ec tio n           Fig u r 1 1 .   T h r ee - p h ase  to   g r o u n d   f au l t a t 1 1 0 k m   i n   f o r w ar d   d ir ec tio n       Fig u r 1 2 .   P h ase  lin to   g r o u n d   f a u lt a t 5 k m   i n   r ev er s d ir ec tio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.