TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5969 ~ 5975   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.608 5          5969     Re cei v ed Ap ril 9, 2014; Re vised Ma y 24 , 2014; Accep t ed Jun e  10, 2014   Fuzzy Neural Network for Classificatio n Fault in  Protection System      Azriy e nni* 1 , Mohd  Wa zir  Musta f a 2 , Naila Zareen 1 F a cult y  of Ele c trical Eng i ne e r ing, Un iversiti  T e knologi Ma la ysi a ,   Skuda i, 813 10,  Johor Bahr u, Mala ysi a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : azri yen n i@ g m ail.com       A b st r a ct   Novel i n tel lig e n t techniq ue is  a comb in ation  of  fu zz y  a nd  neur al netw o rk  techniq ues th at can be   used  to c l assif y  faults  in  el e c tric pow er sy stem  protecti o n . T here  h a ve  tw o pro b le ms  in  the  prot ectio n   system, w h ic h  are:  un desir e d  trip pin g   and  fail  to  oper ate. Loss  of  po w e r supp ly to  rel a ys a n d  ci rcuit   break ers or failure in pr otective dev ices  m a y cause  failur e s in pr otection system . Cons truction of neural  netw o rks to explor e fact to identify f ault co mpon ent is from  control ce nter . T he obj ective  of this paper is  to   develop  novel concept for  classification f a ilur e s pr ot ection system  ar e using Fu z z y  Neural Network   techni qu e. Method olo g y co nsi s ts of Neur al N e tw ork  and F u zz y .  T he  Ne ur al n e tw ork is al so consc i e n tio u s   for esti matin g   degr ee  of  me mb ershi p  i n  sy stem c o mpo n e n ts from corre spon din g  ar ea  in cl assific a tio n  o f   disor ders. T h e  input var i a b le s of neur al n e tw ork form ed  o f  binary n u m b e rs. Valu e of 1 ind i cates  if faul t   occurs an d va lue of  0 in dica t e s no-f ault  oc curs.  F u zz y r e lat i o n s w ill rep r esent  by f u zzy.  T hese F u zzy  relati ons can b e  repres ented  by fu zz y  di agra m  cons isti ng of  three sets of n ode that w ould  be consi der ed  to   repres ent co mpon ents, rel a y s  and  circ ui t bre a k e r s. Fu z z y  d i ag ram   i s  bui l t  as c ausa l  o perati on  of rel a ys   and c i rcuit br e a kers o n  ev en t of the fault i n  protec ti on s ystem. T he c a usality  is repr e s ented  in  arro w s F i nally,  the  con c ept of  F u zz y   Neur al  Netw ork can  b e  pr o p o s ed as altern ative  to   solv e iss ue of  fai l ures   t hat   occur in the pr otection system .     Ke y w ords : cla ssificatio n  fault ,  failures, fu zz y ,  me mbers h i p  degr ee, ne ural  netw o rks    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion    Hybrid  intelli gent te chni q ue i s   com p o s ed  of  fu zzy and  ne ural  netwo rk te ch nique, i n   whi c h fuzzy tech niqu es a r e use d  as fa ult identif icati on and n eura l  network te chniqu es a r use d   as a cla s sification fault. There have two  probl em in the prote c tion  system, whi c h are: unde si red   tripping a nd fail to operate .  Missin g  po wer  sup p ly to relay or failu res in  prote c t i ve device s  can   cau s e  t he f a ilure s.  W hen  sy st em  di sruption  occu rs, the  syst em o f  pr o t ec tio n  fa ilur e s   ca gene rate d a m age to eq u i pment re sult ing in several importa nt element s out  of the syst em.  Disoperation of protection syst em can reduce lev e l of sy stem  reliability. In some  cases,  unde sired t r i pping  can  occur for fault  outsid e   p r ote c tion  zo ne. If prote c tive d e vice  doe n o operate pro p e rly whe n  fau l t occu rs, the n  back-up prot ection devi c e s  will isol ate faults in are a  of  transmissio system. After fault o c curs to p o we st ream  in th system  will  chang e d ue t o   topology  cha nge. It will l e ad to ove r lo ading  and   tri pping  due  to  overlo ad. Protection  sy stem  comp one nts su ch  a s  Cu rrent  Tra n sfo r mer (CT ) , Vo ltage Tran sfo r mer (VT ) , Relay, and  Circuit   Breaker  will fail unknown. For this m o del, the ci rcuit  breaker can not obvious fault current i s   tripped   d ue  t o   a   failure  in   the mechan ism. In the case of circuit  brea ker fail ure, und esi r e d   tripping  can  occur,  and  re lays o n  a d ja cent bu s fa ult may o c cur  outsid e  of  pri m ary p r ote c ti on  zon e .   In this  re se a r ch,  explain e d  that m e ssage s fr om control ce nter  as so ciate d  with  fault  prote c tion  de vice di sop e ra tion. In many  ca se s, it  is  difficult to ma ke  co nclu sio n about  what  h ad  happ ened. E s pe cially, wh en p r ote c tion  schem e d o e s  n o t wo rk  well and  comm unication fail ure s   may o ccu r. T o  ide n tify fault prote c tion   device, it  i s   very impo rta n t to be  ha n d led i n  real ti me.  Whe n  a fault occurs on p o w er  system  compon ent s, then statu s  of adjace n t co mpone nts will  be  affected whe n  the prote c tion syste m  op erated.   Many intellige n t techniq ues applicatio n for f ault has b een propo se d  in literature [1-3], [5- 6], [9-10]. So uz et.al  (20 0 4 ) pre s e n ted  a combi natio n method use s  Neu r al Networks and Fu zzy   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 0 46                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  596 9 –  5975   5970 Logi c th roug h  ala r m p r o c e ssi ng  and  ide n tification  of f ault [1]. In th e same  time,  Yu  et.al  (2 0 04)  prop osed fuzzy identificati on usi ng fuzzy  neural net work [2]. And also, Flau zino  et.al  (20 12)  recomme nde d Hybri d  Intelligent a r chitecture fo r th e fault identi fication in p o w er  distri buti on  system [3]. It detect s  fault  in the tran smissi on lin and  cla ssifi ca tion schem based o n  si n g le   measurement  using  sinu soi dal wavefo rm  [4]. Kemal  et.al  (2009 ) al so expre s sed i m pleme n tatio n   of the  Neu r o-Fu zzy infe rence  system  in el ect r ical  tran smi ssi o n  line  protection to a d d r ess  different i s su es i n   power  system  [5].  Then, A z iz  et.al  (20 11) p r opo sed  ap pli c ation  the  hi gh   impeda nce d e tection  of fa ult and   classification i n  di stributio systems [6]. In  the p r o b lem  o f   cla ssifi cation  fault in po we r sy stems u s i ng intellig ent  techni que  h a s b e en  re po rted by  seve ral   resea r chers [ 1 , 2, 5, 9, 1 0 ]. There  are  also, fa ult identificatio n  i n  po we r sy stem di stributi o system  usi n g  hybrid  intelli gent h a ve be en d e cla r e d   by re sea r che r s [3,  6]. Ho wever, to the  b e st   our  kn owle d ge, they hav e not b een  discu ssi ng a b ou fault cla ssifi cation  i n  failure prote c tion  system.  The   aim of thi s   st udy was to  propo se th e n o v el co ncept f o r fa ult cl assif i cation  a s   wel l  as  hybrid intellig ent techni que  and to devel op ne w stru ct ure in Fu zzy Neu r al Netwo r k.       2. Res earc h   Method   For a  clearer illustration of failures protection  system in Figure  1 is  simpl e  electri c al   pow er  sy st e m .  Two  sy st e m G1  and  G 2  s our ce  e n e r gized  co nne cted i n   seri es and  ea ch  on e i s   limited by the circuit bre a ke r. G1 is  a prot e c tion  system  com pone nt for b a ckup p r ote c tion   system  comp onent G2. Th e system  of p r otectio n  G2  acts a s  a b a ckup  system f o r the p r ote c tio n   of G1.  There are two kind s of failure s in  the protection  syste m , namely:  a)  Failed to ope rate  b) Un-t rippi ng         Figure 1. Model of Powe r System      Protectio n  sy stem is d e si gned to i s ol ate  system  compon ents i n  power  syst ems for  every time a fault occurs. It should b e  d one very  qui ckly to lowe r ri sk of d a mag e  to the syste m   prote c tion d e v ices. Spe e d ,  selectivity and coo r din a t ion are  so me of the most ho ped  for  cha r a c teri stic in protectio n  system. The n , prot e c tion device  mu st operate  and coo r din a ted  i n   protection  scheme to ensure that  only  component of fault will be   disconnected. The protecti on  device shoul d also have b a ckup p r ote c tion. If protec tive device is resp on sible fo r isolatin g fau l comp one nt that is not workin g pro perly,  then other protection device s should  wo rk.   Cla ssifi cation  fault defined indepe nde ntly of faul detectio n  [4]. This traini n g  pro c ed ure  is  sep a rate d according to di stance p r ote c tion sc hem es i n  a variety of system  condit i ons.   Clas s i fic a tion error is  as  follows :   a)  Cla ss 1 for Si ngle Lin e  to Grou nd (SL G )   b)  Cla ss 2 for T r iple Line to G r oun d (TL G In this meth odolo g y, Fuzzy Sets are  capa ble of  handlin g problem s and  certai nly  qualitative inf o rmatio n p r o v ided by hu man exp e rts  based o n  the i r kno w ledg e  and  experi e n ce  that given  so lution in  som e  p r oble m . B e sid e  tha t,  Neural  Netwo r ks a r difficu lt to re prese n some  of quali t ative data, generaliz ation  ability and fa ult toleran c e.  Fuzzy Sets repre s e n t so me  stru ctural rela tionshi p bet ween  several d i fferent pa tterns of fault i n   system  com p onent s. He re  is  a Fuzzy de scribe  stru cture to establi s h p a tterns  of system comp one nt fault. While  the tempora r output of Fuzzy Relatio n s t o  be achieve d  are:   a)  0 for not fault con d ition s b)  1 for fault con d itions  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fuzzy  Neural Network  for Cl as s i fic a tion Fault in Prot ection Syste m  (Azriye n ni)  5971 For e a ch fuzzy diag ram  con s i s ts of i nput varia b le s rel a ys a n d  circuit brea kers  can   operate in fa ult con d ition  involving co mpone nts in   the are a  mo nitored. T h input varia b le  in  binary num be rs; be eq ual to 1 if a signal  has bee n re ceived o r  equ al to 0 if signal has not be en   received.           Figure 2. Fuzzy Diag ram f o r Tran smissi on Line       Fault cl assifi cation i s  ta ken fro m  vari ous  fault ci rcumstan ce s,  carri ed o u t for variou types of fault, such a s  sin g le line to ground an triple line to ground. As value of stru ctu r Neu r al Network in put voltage and  current is to get  fault classification. Fi gure  3 is stru cture  of  neural net wo rk  as  cla s sifiers fault. Th e structu r di agra m  of Ne ural  Networks cl assifie s  fault   based o n  inf o rmatio n fro m  incoming   messag es or i g inating f r om  re stri cted a r ea  system.  Using   sev e r a Neu r al N e t w o r k s   doe s t h i s ;  ea ch  cla s sif i cati on fault i s   re spo n si ble for determining  the  area of fault in comp one nt system.            Figure 3. Model of Neu r al  Networks                     ( 1 )     The Sigmoid;     Sgn (x ) =  1    0      1 1    0      2        ( 2 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 0 46                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  596 9 –  5975   5972 The output;                 ( 3 )     For line a r fun c tion;         1, ,      0,                ( 4 )       3. Resul t s   In this sectio n is  sho w al gorithm  of fault  identificati on that the r five module comp ose   system: d a ta  acq u isitio n, tran sient id entificati on, occurre n ce  o r   condition n o rmal co nditi on,  sign al pro c e s sing, de ci sio n  fault, and fault cla ssi fi ca tion as sho w n in Figure 4 .  The prop osed  system  op erates  usi n g  o n ly data  obta i ned f r om  su bstation acquisition,  w h ic h is d e r i ve d fro m   three ph ase  voltages an d curre n ts. Voltage and  current a r e  the input of neural net w o r algorith m , an d it will be  done  after cl ass fault. Pri o r to cl assifi cation  of fau l ts that will  be   perfo rmed  by  neu ral n e twork,  also kno w n to  determ i ne ne ce ssa r y degree of  membe r ship  of  f u zzy   set s .  F u z z y  sy st ems  are  ac cu ra cy  v a lues   in Fu zzy   Logi c  a n d  memb er shi p  v a lue i ndi c a t e by value in  ra nge of  0 a nd  1. A value of  0 ab solu te  fal s ity and  de cl ared  are d e cl ared  value  of 1   for the  ab sol u te a c cura cy . Fuzzy Sets often mi stakenly affecte d  to indi cate  some  form at of   probability.          Figure 4. Sch e matic Di ag ram of Faul t Identification a nd Cla s sificat i on       3.1. Member ship Func tions   There a r e m a ny po ssibl e fo rmats of me m bersh ip  fun c tion, fuzzy op e r ation l a rg ely  dra w whi c h set of curve s , in thi s  pap er u s in g a triangul ar function. Th e methodol o g ies to e s tab lish  membe r ship  function s are  broadly cl assified in t he followin g  cate gorie s : Subje c tive Evaluation,  elicitation, probability, physical me a s u r ement, learni ng and a dapt ation.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fuzzy  Neural Network  for Cl as s i fic a tion Fault in Prot ection Syste m  (Azriye n ni)  5973     Figure 5. Membershi p  Tria ngula r  Fun c ti on       Min and  max  operators h a v e been  com m only ado pt e d  in dete r min i ng the me m bership  function s that  to reflect Fu zzy inte rsecti on  and  unio n  set s . Adap tation can  be  accompli sh e d   through  whi c h utilize of  pa rameter famil y  of operators F u zzy Se t s , whi c h might  be very useful to  obtain the me mbershi p  fun c tion s in seve ral of issue s Ham a ch er' s   model in [1] a n d [9], found  to   be mo st app ropriate i n  the  probl em to d e termin e faul t in electri c  p o we r sy stem.  In this mode l,  the intersecti on and u n ion  of two fuzzy  sets A and B are define d  as  follows:                                                           (5)                                                                    (6)    The  distan ce   error is calculated from the  num ber  of e r rors th at a r simila r to th circle  o f   sea r ch errors. Simulated powe r  system  usin ETAP  softwa r e to provide data e rro rs, the fuzzy   rule s will be d e sig ned a nd i m pleme n ted  usin g MATLA B  software.    3.2. Neural Net w o r k  Clas sifier   Traini ng n e u r al net work i s  built to d e te rmine  differe nt fault gradi ng involving   variou comp one nts  of system. Fo r ea ch ne ural  netwo rk  co nsi s ts of inp u t variabl es  con s i s ting of volta g and  curre n t a r e obtai ned f r om data  re co rds erro rs  th at have o c cu rre d at the  substatio n . Each  training p r o d u ce s fault grading (cla ss 1 or cla s 2).  In Figure 6  sho w s the st ructu r e of hy brid  intelligent techniqu es a r e u s ed to dete r m i ne cla s si ficat i on fault in po wer  system p r otectio n         Figure 6. Str u c t ur e of Fuzzy  N eur al N e t w ork   C l ass i fier      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 0 46                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  596 9 –  5975   5974 Adaptation of  weight ve cto r  of percept ro n;     1                                        (7)    Whe r e;       1           1 1           2                             (8)    Traini ng  data  used to  trai n ne ural  n e twork cl assifie r  for  cla ssification F a ult t a ke n o n   different fault con d ition s . The first, singl e fault c onditi ons fault to ground. While the se con d , triple  fault con d itio ns fault to g r o und. Figu re 7  sho w gradi ng fault with i n put elem ent, whi c h is volt age   and current in  fault conditio n s in sy stem.           Figure 7. Cla ssifi cation Fa ult      4. Discus s ion    In this pa pe r a co mbine d  stru cture wa s ge neralized  Fuzzy Sets  and  Neu r al  Network  techni que s to classificatio n  of faults in system of  prot ection. The  cl assificatio n  has bee n  don e  in   this pap er is  cla ssifi cation  fault linear Neural  Network by usin g a  formula. Th e Fuzzy Neu r al   Network i s  a b le to  gene ra lize  com m uni cation  fa ilure s that  occu on the  condit i on o r  o p eration   failure relays  and ci rcuit breakers on tra n smi ssi on lin e. Fuzzy Sets are u s ed to i d entify the fault,  while th e Ne ural  Network is u s ed to  cl assify f ault. This  con d itio n ca n ma ke  a different  circuit  topology i n   Neural  Netwo r k training.  Ho wever,   topolo g y ch ang es n e ce ssary  to t r ain th Neu r al  Network and  monitor com pone nts of system that  one are a  re co nfiguratio n o c curs. Propo s e d   hybrid i n telligent technique is al so very possible incorporation  of  some qualitat ive aspects of  probl em  bein g  solved. T h i s  i s  o n e  of th e maj o adva n tage of Fu zzy Ne ural Network.  It sho u ld  be me ntione d that mainte nan ce fo r the  pro p o s ed  m odel i s  u s e d   as a n  in dep e n dent  cla ssifi ers  for ea ch  of th e differe nt co mpone nts  of  monito ri ng  sy stem. Th e p r opo s ed  mod e l  ca n e a sily b e   use d  to resol v e the powe r  system p r ote c tion sectio n.      5. Conclu sion    This pap er prese n ted hybri d   intellige n tech ni qu for cla ssifi cation  of  faulty  com pone nts  in power  syst em. System comp one nts i n  po wer  sy st em protectio n  are a s  a  set  of training  used  by Ne ural  Network. T h e   Neu r al  Net w ork  wa s tr ai ned to  p r od u c an  e s timate of  deg r e e  of  membe r ship of  syste m  co mpone nt s.  T he stru cture of  propo sed  hy brid  intellig ent techniq u e  i s   descri bed  be tween F u zzy  Sets and  Neural  Net w or k. Fuzzy Set s  are u s ed  as id entificati on  system s failu re tran sie n t protectio n  a s  n eural  n e two r k fault gradin g  algorithm. P o we r protecti on   system sim u lated u s in ETAP softwa r e to  provid e  data fault, t he Fu zzy rul e s d e si gne and  impleme n ted  usin g MATLA B . Value of 1 indicate if fault occu rs a nd value of 0  indicate s n o - Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fuzzy  Neural Network  for Cl a ssifi cation  Fault in Protection Syste m  (Azriye nni)  5975 fault occurs.  This te chni qu e ha s be en t e sted  usi ng  a  real  system  Riau. Th e te st results  sho w ed   that diagn osi s  ha bee n a c hieve d  u s in g Fu zzy  Ne u r al Net w o r wi th output of  Neu r al  Net w ork.   Finally, the  concept Fu zzy  Ne ural  Network  can  be  p r opo se d a s   a l ternative to   solve i s sue  of  failure s that occur in p r ote c tion system.       Referen ces   [1]  Souza, JCS et  al. Alarm proc e ssing i n  el ectri c al po w e r s y st ems throug h a  neur o fuzz y   ap proac h.  IEEE   Transactio n  in  Pow e r Deliv ery . 2004; 19( 2): 537-5 43.   [2]  Yu, W  & Li, X. F u zz y  id entific ation us in g fuz z y   n eura l  net w o rks  w i t h  stab l e  lear nin g  al go rithms.  IEEE  T r ansactio n  on  F u zz y Syst em . 2004; 12( 3): 411-4 19.   [3]  F l auzi no R A n , et al. H y bri d  i n telli ge nt archit ecture  for fault identifi catio n  i n  po w e distri bu tion s y stem.   IEEE . 2012; 1- 6.  [4]  Yusuf AA, et a l . A novel fa ult  feature e x trac tion sch eme fo r po w e r tra n s m ission  lin e fa ult dia g n o sis.  IEEE Africon.    201 1; 13-1 5 [5]  Kamel  T S  et a l . Adva nce d  d i stance  protecti on sc heme  for  lo ng tr ansmis s ion  li nes  in  el ectric p o w e r   s y stems usi ng  multipl e  class i fi ed ANF I S Netw o r ks.  IEEE . 2009. 1-5.   [6]  Aziz AMS et  al. Appl icatio n  of ANF I S in  high  imp e d a n ce faults det ection a nd cla ssificatio n  i n   d i stri bu ti o n  ne tw orks.  IEEE . 2011.   [7]  Li F K  et al.  Real-ti m e clas sificatio n  of sports  mov e me nt using a d a p t ive clusteri ng.  International  confere n ce o n  compl e x. Intelli gent an d soft w a re inte nsive s y stem. 20 12.   [8]  Ismail MM, Hasan MAM.  Distance re lay pr otection for sh ort and l ong tra n s m iss i on  lin e . Procee din g s o f   intern ation a l co nferenc e on m ode lli ng id entifi c ation & contr o l (ICMIC). 2013 [9]  Azri yen n i, Mus t afa W M . Performanc e N eur o-F u zz y for P o w e r  S y stem  F ault L o cati on .  International   Journ a l of Eng i neer ing a nd T e chno logy . 2 013 ; 3(4): 497-50 1 .   [10]  Azri yen n i, Mus t afa W M , Sukma YD, Dam e  EM. A pplic ati on of Back pro pag atio n Ne ur al Net w o r k for  F ault Locati o n  in T r ansmission L i ne  150  kV . Internationa l Journ a of Electrical a nd Electro n i c   Engi neer in g (IJEEE).  2013; 2( 4): 21-30.   [11]  Pang  C, et.al.  F a st Distanc e R e lay  Sche me  fo r De te cting S y mmetrical Fault During  Po w e r S w ing.  IEEE  T r ansaction on Po w e r D e liver y .  2 010; 2 5 (4). 220 5-2 2 1 2 [12]  Upe ndar  J, et  al.  Com p reh e n sive  Ad aptive  Dista nce  Re l a yin g  Sc heme  for Par a l l el  T r ansmissi o n   Lines.  IEEE Tr ansaction on Power Deliv ery.  201 1; 26(2): 10 39-1 051.   [13]  Lee H,  et  al. Novel Protecti on  Sch e me  w i th  the Sup e rco nducti ng P o w e r Cabl es a nd  F ault Curr ent   Limiters T h rou gh RT DS T e st in Iche on S u b s tation.  IEEE Transaction on Applied S u per c onductivity 201 2; 22(3).   [14]  Jian g K, Sing h C. Ne w  mo dels a nd co n c epts fo r po w e r s y stem re li abil i t y   eval uati on inc l u d in g   protectio n  s y st em failur e s.  IEEE Transactions on power sy stem . 20 11; 26 (4): 1845- 18 55 [15] Z hang JF , Smith JS,  W u  QH. Morphol og ical  undec imated  w a vel e t decom positi on for fau l t location o n   po w e r transmis s ion li nes.  IEEE Transactions  on circuits and system s . 200 6 ;  53(6): 139 5-1 402.   [16]  Lee H, Ju ng C,  Chon g SS, et al . Nove l prote c tion schem w i t h  the su perc ond uctin g  po w e r cabl es an d   fault curr ent l i miters thro ug h RT DS test in Ic heo n s ubstatio n IEEE   T r ansacti on s on  ap pli e d   superc ond uctiv i ty.  2012; 22( 3) : 1-5.  [17]  F onseca W A D S , et al. Simultaneo us fault section estim a ti on an d pr otect i ve devic e fail u r e detectio n   usin g perc enta ge va lues  of th e protectiv e  d e v ices al arms.  IEEE Transaction on power system s . 2 013;   28(1): 17 0-1 8 0 .                       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.