I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.  1 5 ,   No .   3 Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   1 0 0 9 ~ 1 022   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v 1 5 . i 3 . pp 1 0 0 9 - 1 0 2 2           1009     J o ur na l ho m ep a g e h ttp : // ija p e. ia esco r e. co m/   Intellig ent  f a ult  d ia g no sis  and pro tect io n in   DG - co n nected   sy stems us ing  resi stiv e superco ndu c ting fault  curr ent  limiter  a nd ANN - ba sed d etec tion       L ek s hm i R .   Cha nd ra n 1 ,   I la n g o   K a rupp a s a m y 2 ,   M a njula   G .   Na ir 1   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   A mr i t a   V i sh w a   V i d y a p e e t h a m ,   A mr i t a p u r i ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   A mr i t a   S c h o o l   o f   E n g i n e e r i n g ,   A mr i t a   V i s h w a   V i d y a p e e t h a m C o i mb a t o r e ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   1 6 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ma y   1 2 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u n   9 ,   2 0 2 6       En su ri n g   re li a b le  fa u lt   d iag n o sis  a n d   ra p id   re c o v e ry   in   d istr ib u ted   g e n e ra to r   (DG ) - c o n n e c ted   d istri b u t io n   sy st e m is  c rit ica l,   a th e   in teg ra ti o n   o DG   so u rc e sig n ifi c a n t ly   e lev a tes   fa u lt   c u rre n lev e ls.  Th is  st u d y   p r o p o se a n   in teg ra ted   a p p r o a c h   t h a c o m b in e a   re sistiv e   su p e rc o n d u c ti n g   fa u lt   c u rre n t   li m it e r   (RS F CL)  with   a n   a rti f icia n e u ra n e two r k   (AN N) - b a se d   in telli g e n t   fa u lt   d ia g n o sis  fra m e wo rk .   Th e   o b jec ti v e   is  to   li m it   e x c e ss iv e   fa u l c u rre n ts   wh il e   imp ro v in g   d e tec ti o n   a c c u ra c y   u n d e v a ry in g   n e two r k   c o n fi g u ra ti o n s .   Th e   RS F CL  is  stra teg ica ll y   p lac e d   b y   a n a l y z in g   fa u lt   c u rre n m a g n it u d e ,   v o lt a g e   q u a li ty ,   a n d   re sista n c e   v a lu e   to   a c h iev e   e ffe c ti v e   c u rre n t   li m it a ti o n   with o u c o m p ro m isin g   sy ste m   sta b il it y .   M e a n wh il e ,   t h e   AN e m p lo y s   sy m m e tri c a c o m p o n e n ts  o c u rr e n a n d   v o lt a g e   a d iag n o st ic  fe a tu re s.  T o   e n h a n c e   ro b u st n e ss ,   c o rre late d   v a riab les   a re   id e n t ifi e d   a n d   e li m in a t e d   d u rin g   fe a tu re   se lec ti o n ,   stre n g th e n i n g   t h e   m o d e l’s  fa u lt   d isc rimin a ti o n   c a p a b il it y .   S imu latio n   re su lt d e m o n stra te  th a th e   o p ti m a RS F CL  p lac e m e n re d u c e s   fa u lt   c u rre n c o n tri b u ti o n   ra ti o b y   u p   t o   8 2 . 1 6 %   u n d e r   sy m m e tri c a fa u l t   co n d i ti o n s.  T h e   AN N - b a se d   fa u lt   d e tec ti o n   m o d e a c h iev e a   v a li d a ti o n   a c c u ra c y   o 9 9 . 7 % ,   o u tp e rfo rm i n g   c o n v e n ti o n a th re sh o ld - b a se d   m e th o d s   b y   m in imiz in g   n u isa n c e   tri p p i n g   a n d   imp r o v i n g   c ircu it   b re a k e c o o rd in a ti o n .   Ov e ra ll ,   t h e   c o m b in e d   RS F CL AN fra m e wo rk   p r o v id e a n   e ff e c ti v e   a n d   in telli g e n so l u ti o n   f o fa u l d ia g n o sis a n d   p ro tec ti o n   i n   DG - in teg ra ted   p o we r   sy ste m s.   K ey w o r d s :   Ar tific ial  n eu r al  n etwo r k   Dis tr ib u ted   g en er atio n   Fau lt d iag n o s is   Su p er co n d u ctin g   f au lt  c u r r e n t   lim iter   Sy m m etr ical  co m p o n en ts   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   L ek s h m i R .   C h an d r an   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g in ee r i n g ,   Am r ita  Vis h wa  Vid y ap ee th am   Am r itap u r i Cam p u s   Am r itap u r i,  C lap p an P.  O. ,   Ko llam     6 9 0 5 2 5 ,   Ker ala,   I n d ia   E m ail:  lek s h m ich an d r a n @ am . am r ita. ed u       1.   I NT RO D UCT I O N   T h in teg r atio n   o f   d is tr ib u ted   g en er atio n s   ( DG)   in to   d is tr ib u tio n   s y s tem s   h as  b ec o m e   n ec e s s ar y   d u e   to   th r is in g   p o wer   d em an d ,   p o wer   lo s s   in   lo n g   tr an s m is s io n   lin es,  an d   th em er g en ce   o f   d ec en tr alize d   p o wer   g en er atio n .   T h d is tr ib u tio n   s y s tem   is   co n n ec ted   to   DG  u n its ,   s u ch   as  p h o to v o ltaic  ( PV)   s y s t em s ,   win d   tu r b in es,   an d   en er g y   s to r ag e,   u s in g   a   v ar iety   o f   d ev ices,  s u ch   as  cir cu it  b r ea k er s ,   s o lid - s tate  b r ea k er s ,   o r   p o wer   elec tr o n ics  in ter f ac es.  Alth o u g h   DG  in c r ea s es  s y s tem   r eliab ilit y ,   it  ca n   also   in cr ea s s h o r t - cir cu it  cu r r en a n d   h ar m o n ic  p o llu tio n ,   esp ec ially   wh en   lin k ed   t o   p o wer   elec tr o n ic  in ter f ac es.  T h ese  in ter f ac e s   also   m ak it  ea s ier   f o r   f alse  f ee d e r   tr ip s ,   lo s s   o f   r elay   co o r d in atio n ,   o v er v o l tag e,   an d   u n wan ted   is lan d in g   to   o cc u r   [ 1 ] - [ 3 ] .   Mo n ito r in g   a n d   p r o tectio n   is s u es  ar is with   th in teg r atio n   o f   d is tr ib u ted   g en er atio n s   ( DG)   in to   th elec tr ical   d is tr ib u tio n   s y s tem .   T h u s o f   cu r r en t   lim itin g   f u s es,  cir c u it  b r ea k er s   m ad e   to   h an d le  e x tr em ely   h ig h   f au lt   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 0 9 - 1 0 2 2   1010   cu r r en ts ,   f ee d er   s p litt in g ,   h i g h   im p ed an ce   tr an s f o r m er s ,   r aisi n g   g en er atio n   v o ltag e ,   air   co r e   r ea cto r s ,   an d   s er ies  r ea cto r s   ar j u s f ew  o f   t h t ec h n iq u es  u s ed   to   en s u r s af e   o p er atio n   in   p o wer   s y s tem s .   Pas s iv f au lt  cu r r e n lim itatio n   m eth o d s   in tr o d u c i m p ed an ce   in   n o r m al  a n d   f au lt  co n d itio n s   an d   ca n   cr ea te  p o w er   q u ality   is s u es  an d   s tab ilit y   is s u es.  W h er ea s   a ctiv tech n i q u es  estab lis h   a   s m all  im p ed an ce   d u r in g   n o r m al  o p er atin g   co n d itio n s   an d   h i g h   im p e d an ce   u n d er   f au lty   co n d itio n s   [3 ] - [ 5 ] .   Fau lt  cu r r en lim iter s   ( FC L s )   as  lo im p ed an ce   elem en ts   in   n o r m al  o p er atio n   an d   p r o v id h ig h   im p ed an ce   d u r in g   f au lts   to   li m it  h ig h   f a u lt  cu r r e n ts   to   an   ac ce p tab le  lev el.   T h e   g en er ali ze d   FC L   o p er atio n   d u r in g   n o r m al  an d   f au lt  co n d iti o n s   is   s h o wn   in   Fig u r 1   [ 6 ] .   FC L   in s talla tio n   r ed u ce s   s tr ess   o n   s af ety   eq u ip m en t   b y   r e d u cin g   s h o r t - cir cu it  c u r r en an d   im p r o v in g   v o ltag q u ality   in   th s y s tem .   FC L s   ar class if ied   as   s u p er co n d u ctin g   f au lt   cu r r en lim iter s   ( SF C L s )   an d   n o n - s u p er co n d u ctin g   FC L s   b ased   o n   t h eir   m ater i al.   Fau lt   cu r r en lim iter s   s u ch   as  p y r o tech n ic  f a u lt  cu r r en lim iter s   ( I s - lim iter s ) ,   s u p er co n d u cti n g   FC L -   m ag n etic,   tr an s f o r m er ,   r esis tiv e,   f lu x   lo c k   ty p e,   s o lid - s tate   FC L ,   f au lt  cu r r en lim itin g   r ea cto r   ( FC L R ) ,   e lectr o m ag n etic   FC L ,   h y b r id   FC L   ar r ep o r ted   in   v ar io u s   r esear ch   wo r k s   [ 7 ] - [ 1 5 ] .   SF C L   ca n   b ef f ec tiv ely   u s ed   f o r   f au lt  cu r r en t   lim itatio n   with o u an y   d eg r ad a tio n   in   h i g h   v o ltag AC   g r i d ,   DC   g r id ,   an d   in ter co n n ec ted   h y b r id   g r id   [ 1 6 ] - [ 1 8 ] .   Acc o r d in g   to   s tu d ies,  SF C L   m ay   r e d u ce   b o th   tr an s ien t   an d   s u s tain ed   f au lt  c u r r e n ts   in   a n   in te r co n n ec ted   s y s tem   an d   h as  f ast  r esp o n s e   tim e.   Stu d ies  s h o th at  b y   ch o o s in g   cir cu it b r ea k er s   with   lo wer   cu r r en ca p ac ities   an d   co o r d in atin g   th eir   u s e,   SF C L   a ls o   en h an ce s   th s y s tem   [ 1 9 ] - [ 2 1 ] .   Su p er c o n d u cto r   n o n li n ea r ity   an d   p o wer   h an d lin g   ca p ac ity   ar e   u s ed   f o r   FC L .   Su p er c o n d u cto r s '   n o n li n ea r   r esp o n s to   f lu c tu atio n s   in   c u r r en t,   tem p er atu r e,   an d   m ag n etic  f ie ld   d eter m in es  th f au lt  cu r r en t s   lim itin g   [ 2 0 ] - [ 2 4 ] .   As  an y   o f   th ese  p ar am eter s   ch an g e,   th s u p e r co n d u cto r   s witch es  f r o m   its   u s u al   o p e r atin g   r eg im to   s u p e r co n d u ctin g   o n e.   L iq u id   n itr o g en   is   o f ten   u s ed   as  c o o lan f o r   HT SF C L .   So m o f   th e   e x ten s iv ely   u s ed   HT s u p e r co n d u ctin g   m ater ial   co m b in atio n s   u s ed   in   i n d u s tr i al  ap p licatio n s   ar B is m u t - Str o n tiu m - C alciu m - C o p p e r - Ox id ( co m p o u n d   o f   B i - 2 2 1 2 /B i - 2 2 2 3 )   a n d   Yittriu m - B ar iu m - C o p p er - Ox id ( YB C O)   [ 2 3 ] - [ 2 5 ] .   Fau lt  cu r r en li m iter s   ( FC L s )   ar s til l   b ein g   d ev elo p ed   an d   r esear ch ed   at  v ar io u s   lev els  u s in g   cu t tin g - ed g e   tech n o lo g ies,  i n clu d in g   s o lid - s tate  an d   s u p er co n d u ctin g   m ater ials .   Fau lt  cu r r e n lim iter s   ( FC L s )   ar s till   b ein g   d e v elo p e d   an d   r e s ea r ch ed   at  v ar i o u s   lev els  u s in g   cu ttin g - ed g tech n o lo g ies,  in clu d in g   s o lid - s tate  an d   s u p er co n d u ctin g   m ater ials .   Du to   th eir   s im p le  d esig n   an d   r ap id   r ed u ctio n   o f   f au lt  cu r r e n ts ,   r esis tiv s u p er co n d u ctin g   f au lt  c u r r en lim iter s   ( R SF C L s )   s tan d   o u t a m o n g   th em .   R SF C L s   ar d esira b le  o p tio n   f o r   u s in   th cu r r en t i n v esti g atio n   d u to   t h ese  q u alities .           Fig u r 1 .   C u r r e n t in ter r u p tio n   ch ar ac ter is tics   o f   FC L   in   g en e r al  [ 6 ]       Pro tectio n   en h a n ce m en is   n o lim ited   to   r e d u ctio n   in   f a u lt  cu r r en t   lev el.   An   i n tellig en m o n ito r in g   an d   d iag n o s is   s y s tem   to   d is ti n g u is h   th s y s tem s   n o r m al  o p er atio n   a n d   ab n o r m al  o p er atio n   in   ch an g in g   en v ir o n m en is   also   v er y   cr u ci al.   Ma ch in lear n in g   a n d   AI - b ased   alg o r ith m s   ar b ec o m i n g   p o p u lar   d u to   th eir   ad ap tiv en ess   an d   im p lem en tat io n   ef f icien cy   f o r   f a u lt  d etec t io n   an d   d iag n o s is .   ML P,  d ee p   n e u r al  n etwo r k s ,   KNN,   d ec is io n   t r ee   m o d els,  with   s p ec if ic  f ea tu r es  ar u s ed   as  AI   m o d els  f o r   d if f e r en f au lt  class if icatio n   ap p licatio n s   [ 2 6 ] - [ 3 0 ] .   ANN - b ased   f au lt  d iag n o s is   s y s tem s   ar u s ed   in   th is   wo r k   s in ce   th ey   ca n   b tr ain ed   with   ch an g in g   n etwo r k   p ar a m eter s   with   less   co m p lex ity .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       I n tellig en t fa u lt d i a g n o s is   a n d   p r o tectio n   in   DG - co n n ec ted   s ystems     ( Leksh mi  R .   C h a n d r a n )   1011   T h p r o p o s ed   s y s tem   is   s tr u ct u r ed   in to   two   d is tin ct  p h ases ,   ea ch   m ak i n g   s ig n if ican c o n tr i b u tio n s   to   th o v er all  r esear c h   en d ea v o r i)   Firstl y ,   th wo r k   f o cu s es  o n   th s tu d y   o f   b u s   v o ltag a n d   cu r r en b y   p lacin g   th r esis tiv s u p er co n d u ctin g   f au lt  cu r r en lim iter   ( R SF C L )   in   d if f er en l o ca tio n s   with in   th d is tr ib u tio n   s y s tem .   T h is   p lace m en is   d eter m i n ed   b y   c o n s id er in g   th r ee   cr itical  f ac to r s th m ag n itu d o f   f a u lt  cu r r e n t,  v o ltag e   q u ality ,   an d   r esis tan ce   v al u e.   B y   ass ess in g   th ef f ec tiv en e s s   o f   th R SF C L   in   lim iti n g   f au lt  cu r r en ts   an d   en h an cin g   v o ltag q u ality ,   th s tu d y   estab lis h es  co m p r eh e n s iv f r am ewo r k   f o r   its   ap p licat io n   in   DG - ass is ted   r ad ial  d is tr ib u tio n   s y s tem s .   ii)   Seco n d ly ,   t h r esear c h   em p lo y s   an   ar tific ial  n eu r al   n etwo r k   ( ANN)   b ased   f au lt  d iag n o s is   tech n iq u e,   u tili zin g   th s y m m etr ical  co m p o n en ts   o f   cu r r en an d   v o ltag as  k e y   elec tr ical  s ig n atu r f ea tu r es.  T h is   in n o v ativ ap p r o ac h   en ab les  ac cu r ate  d etec tio n   an d   id en tific atio n   o f   f a u lts   with in   th s y s tem .   B y   lev er ag in g   th i n h er en t   ch ar a cter is tics   o f   s y m m etr ical  co m p o n en ts ,   th ANN - b ased   f au l d iag n o s is   s ch em e   o f f er s   r o b u s s o lu tio n   f o r   f a u lt  d etec tio n ,   co n tr i b u tin g   t o   th o v er all  r eliab ilit y   an d   ef f icie n cy   o f   th p r o p o s ed   s y s tem .   T h ANN  r ed u ce s   th n u is an ce   tr ip s   o f   th c ir cu it  b r ea k er   b y   p r o v id in g   a n   ad d i tio n al  lay er   o f   f au lt   d etec tio n   b ey o n d   th p r eset th r esh o ld s .   T o g eth er ,   t h ese  co n tr ib u tio n s   en h an ce   th f a u lt  m an ag e m en ca p ab ilit ies  o f   DG - ass is t ed   r ad ial  d is tr ib u tio n   s y s tem s ,   p av in g   th way   f o r   im p r o v ed   s y s tem   p er f o r m a n ce .   T h r est  o f   th is   wo r k   is   o r g an ized   as   f o llo ws.  Sectio n   2   g iv es  th o p er atio n ,   r elate d   wo r k ,   an d   an al y s is   o f   R SF C L   in   th test   s y s te m .   Sectio n   3   d ef i n es  th ANN  ar ch itectu r e,   r elate d   wo r k s ,   an d   p r o p o s ed   f au lt  d iag n o s is   m o d el.   Sectio n   4   d ef in es  th in teg r ated   s y s tem   ap p r o ac h .   T h c o n clu s io n   is   p r esen ted   in   s ec tio n   5 .       2.   RE S I ST I V E   SUP E RCO ND UCTI NG   F AUL T   CURR E N T   L I M I T E I D I S T RI B U T I O SYST E M   r esis tiv s u p er co n d u ctin g   f au lt  cu r r e n lim iter   ( R SF C L ) ,   as  s h o wn   in   Fig u r 2 ,   with   m o d ellin g   as  in   ( 1 ) ,   is   u s ed   in   th is   wo r k   d u e   to   th s im p licity   o f   m o d elin g   an d   f ast  r esp o n s e.   T h r esis tiv s u p er co n d u ctin g   f au lt  cu r r e n lim iter   co n s is ts   o f   s u p er co n d u ctin g   elem e n ( H T S)  h o u s ed   in   v ac u u m - in s u la ted   co n tain er   f illed   with   co o lan t.   I is   co n n ec ted   in   s er ies  with   th e   p o wer   d is tr ib u tio n   n etwo r k .   Du r i n g   n o r m al  o p e r atio n ,   th e   R SF C L   h as  s m all  r esi s tan ce   ( R FCL )   an d   d is s ip ates  lo e n er g y .   Ho we v er ,   wh en   f a u lt  o cc u r s ,   th cu r r e n (I FCL )   ex ce ed s   th cr itical  cu r r en v alu e,   ca u s in g   R FC L   to   in cr ea s ex p o n en tially .   T h is   lead s   to   th h ea tin g   o f   th s u p er c o n d u cto r   ab o v its   c r itical  tem p er atu r e   ( T c ) ,   ca u s in g   a   tr an s itio n   f r o m   its   s u p e r c o n d u ctin g   s tate  to   a   h ig h ly   r esis tiv s tate.   As  r esu lt,  th R SF C L   ef f ec tiv ely   r ed u ce s   th f au lt  cu r r en b y   e x p lo iti n g   th e   p h e n o m en o n   k n o wn   as  "q u en ch   o f   s u p er c o n d u ct o r s ".   On ce   th f au lt  cu r r en d ec r ea s es,  th s u p er c o n d u ctin g   m ater ial  is   co o led   u s in g   cr y o g e n ics,  allo win g   R FCL   to   r etu r n   to   its   s u p er co n d u ctin g   s tate.   T h p ar allel  r e s is tan ce   ( R sh )   h elp s   d is tr ib u te  h ea d u r in g   th e   q u e n ch ,   r eg u lates  th e   cu r r e n lim itatio n ,   an d   p r e v en ts   o v er - v o l tag d u e   to   t h f ast  cu r r en lim itatio n s   [ 2 5 ] ,   [ 3 1 ] - [ 3 8 ] .   R SF C L   is   m o d eled   as  n o n lin ea r   r esis tan ce   d ep en d in g   o n   tim as  in   ( 1 )   [ 2 5 ] ,   [ 3 5 ] ,   [ 3 6 ] .     R F C L ( t ) = {           0                                                                                                                     t < t a0 R F C L [ 1 e xp ( t t ao τ ) ] 1 2                     t a0 t < t a1 a 1 ( t t a1 ) + b 1                                                     t a1 t < t a2     a 2 ( t t a2 ) + b 2                                                                     t a2 t     (1 )     W h er R FCL   is   th n o m in al  s ta te  r esis tan ce   o f   R SF C L ,   τ   is   th tim co n s tan t,  t a0   is   th q u en ch - s tar tin g   tim e,   t a1   is   th f ir s t - s tag r ec o v er y - s tar tin g   tim e,   t a2   is   th s ec o n d ar y - s tag r ec o v er y - s tar tin g   tim e,   an d   co m p leted   r ec o v er y   tim e.   a 1 , a 2 ,   b 1 ,   an d   b 2   ar ex p r ess ed   as th m o d el  c o ef f icien ts .           Fig u r 2 .   Su p er co n d u ctin g   r esis tiv f au lt c u r r en t lim iter       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 0 9 - 1 0 2 2   1012   T h ef f ec tiv en ess   o f   r esis tiv s u p er co n d u ctin g   f au lt  cu r r e n lim iter s   to   im p r o v th v o ltag q u ality   is s u es  lik v o ltag s ag   an d   v o ltag s well  is   s tu d ied   in   [ 3 2 ] .   R SF C L   m ad with   YB C s h o ws  b etter   tr an s ien t   s tab ilit y   p er f o r m an ce   i n   a   m u l ti - m ac h in p o wer   s y s tem   t h an   I - SF C L   in   a   co m p a r ativ s tu d y   with   YB C an d   B i2 2 1 2   [ 2 4 ] ,   [ 2 5 ] .   T h c o m p ar ativ an aly s is   o f   d if f er e n t   lo ca tio n   p lace m en ts   o f   R SF C L   an d   I SF C L   f o r   tr an s ien s tab ilit y   im p r o v em en s h o ws  th at  th s y s tem   b eh av es  b etter   wh en   R SF C L   i s   b etter   th an   I SF C L ,   ir r esp ec tiv o f   its   lo ca tio n   [ 39 ] .   W h er ea s   ac co r d in g   t o   s tu d y   in   [ 3 3 ] ,   th o p tim al  s izin g   a n d   allo ca tio n   h ad   a   co n s id er ab le  ef f ec o n   b etter   p er f o r m a n ce   to   th s ec u r ity   o f   th n etwo r k .   T h b est  p r ac tices  o f   FC L   im p lem en tatio n   in   th e   UK  a n d   th e   USA  r ep o r ted   th eir   e f f ec tiv en ess   in   s y s tem   r esil ien ce   an d   p r o tectio n   im p r o v em e n t [ 4 0 ] - [ 4 3 ] .     Fau lt  cu r r en r ed u ctio n   ca p a b ilit y ,   v o ltag q u ality   im p r o v e m en t,  an d   m in im al  s u p er co n d u ctin g   f a u lt   cu r r en r esis tan ce   f ac to r s   ar e   co n s id er ed   f o r   th p lace m en o f   R SF C L   in   th g iv e n   s y s tem   in   th is   wo r k .   T h e   r esis tan ce   v alu o f   R FS C L   is   co n s id er ed   s in ce   th e   co s o f   in s tallatio n   is   h ig h ly   d ep e n d e n o n   th r esis tan ce   v alu e.   T h h ig h e r   th r esis tan ce   v alu h ig h er   th i n s tallatio n   co s t.   T h test   s y s tem   to   s tu d y   th ef f ec tiv en ess   o f   R FS C L   in   DG - co n n ec ted   d is tr ib u tio n   s y s tem   is   s h o wn   in   Fig u r e   3   with   p a r am eter s   a s   s h o wn   in   T ab le  1 .   DG’ s   m e n tio n ed   in   t h is   s tu d y   ca n   b a   r ep r esen tatio n   o f   s o lar /win d /an y   lo ca l   g e n er ati o n .   T ab le  2   s h o ws  t h s y m m etr ical  an d   u n s y m m etr ical  f a u lt  cu r r en ts   o b s er v e d   n ea r   th 1 1   k V/4 1 5   d is tr ib u tio n   tr an s f o r m er   b ef o r e   an d   af ter   th in s tallatio n   o f   DG  at  th P3   lo ca tio n   o f   th e   s y s tem .   I is   o b s er v ed   th at  th in s tallatio n   o f   DG  ca u s es  th f au lt  cu r r e n to   in cr ea s ab n o r m ally .   T h e   d is tr ib u tio n   s y s tem   is   th en   a n a ly ze d   f o r   f a u lt c u r r e n t lim i tin g   ab ilit y ,   g r i d   v o ltag q u ality ,   a n d   m in im u m   v al u o f   R SF C L   at  d if f er en t a llo ca tio n s   o f   R SF C L   with   p o s itio n s   P1 ,   P2 ,   P3 ,   P1 - P2 ,   a n d   P1 - P3 .     T h p er f o r m an ce   an aly s is   o f   th s y s tem   i s   s tu d ied   u s in g   p ar a m eter s   cu r r en r ed u ctio n   r atio   an d   v o ltag e   s ag   Per ce n tag f o r   s y m m etr ic al  f au lts   at  F1   an d   F2   u s in g   ( 2 )   an d   ( 3 ) .     C urr e n t   R e duc tion   R a tio   ( C R R ) = I s f au l t I s f c l I s f au l t   ( 2 )     Vol ta ge   Sa g   Pe r c e n ta ge ( VSP ) = ( V no m V s f au l t V no m ) x100   ( 3 )     W h er I sfault   is   r m s   v alu o f   f au lt  cu r r en with o u R SF C L ,   I sf cl  r m s   v alu o f   f a u lt  c u r r e n with   R SF C L ,   V sfault   is   r m s   lin v o ltag o f   s y s tem   d u r in g   f au lt,   V nom   is   n o m i n al  r m s   s y s tem   v o ltag e.       T ab le   1 .   T est s y s tem   p ar am ete r s   P a r a me t e r s   V a l u e   D i st r i b u t i o n   s y st e v o l t a g e   ( l i n e   t o   l i n e ,   R M S )   11   kV   N o mi n a l   s y st e m fr e q u e n c y   50   Hz   S o u r c e   X / R   r a t i o   7   Tr a n sf o r mer  1   1 0 0   M V A ,   3 3   k V / 1 1   kV   Tr a n sf o r mer  2   2 5 0   K V A ,   1 1   k V / 4 1 5   V   D i st r i b u t i o n   g e n e r a t o r   5 0   k W - 5   k V A R   N e t   d o mest i c   a n d   c o mm e r c i a l   l o a d s   60   k W ,   1 0   k V A R   N e t   i n d u st r i a l   l o a d s   45   k W ,   2   k V A R       T ab le   2 .   Peak   R MS  o f   f a u lt c u r r en t o f   th test   s y s tem   with   an d   with o u t D   F a u l t   p o si t i o n   F1   F2   F a u l t   t y p e   W i t h o u t   D G   W i t h   D G   W i t h o u t   D G   W i t h   D G   I max   (A)   I min   (A)   I max   (A)   I min   (A)   I max   (A)   I min   (A)   I max   (A)   I min   (A)   S y mm e t r i c a l   f a u l t   ( A B C G )   4 2 2 0   3 5 6 0   4 5 5 0   4 1 2 5   4 4 0 0   3 5 0 0   4 5 6 0   4 1 0 0   A sy mm e t r i c a l   f a u l t   ( A G )   2 6 5 4   1 5 5 0   3 1 0 0   2 0 7 9   2 6 0 0   1 4 4 0   2 9 9 5   2 0 2 5       T ab le   3   ( s ee   Ap p en d ix )   s h o ws  th p er f o r m an ce   a n aly s is   o f   t h s y s tem   f o r   s y m m etr ical  f au lts   F1   an d   F2   with   R FS C L   p lace d   at  d if f er en t p o s itio n s .   T h v ar io u s   o b s er v atio n s   f o r   ea ch   R FS C L   p o s itio n   b ased   o n   th p r o v id e d   s y m m etr ical  f a u lt F1   an d   F2   s ce n ar io s   ar e   as f o llo ws:   i)   P1   p o s itio n T h e   P1   p o s itio n   d em o n s tr ates  s tr o n g   ab ilit y   to   r e d u ce   f au lt  cu r r en ts ,   wi th   th cu r r en t   r ed u ctio n   r atio   ( C R R )   r ea ch in g   6 7 . 9 3 at  r esis tan ce   o f   4 0     f o r   b o t h   F1   a n d   F2   s ce n ar io s .   I als o   m ain tain s   v o ltag e   q u ality   well,   ev id en ce d   b y   a   lo v o ltag s ag   p er ce n tag e   ( VSP)  o f   2 . 6 4 at  th s am e   r esis tan ce   lev el.   T h is   in d icate s   th at  P1   is   ef f ec tiv in   b o th   cu r r en t lim itatio n   an d   v o ltag e   s tab ilizatio n .     ii)   P2   p o s itio n T h P2   p o s itio n   h as  n o   im p ac o n   f au lt  cu r r en t   r ed u ctio n   in   th F1   s ce n ar io ,   b u it  s h o ws  m ar k ed   im p r o v em en in   t h F2   s ce n ar io   as  r esis tan ce   in cr ea s es.  Sp ec if ically ,   at  4 0   ,   it  ac h iev es  C R R   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       I n tellig en t fa u lt d i a g n o s is   a n d   p r o tectio n   in   DG - co n n ec ted   s ystems     ( Leksh mi  R .   C h a n d r a n )   1013   o f   8 7 . 2 6 an d   VSP  o f   1 . 7 3 f o r   F2 ,   s h o wca s in g   its   p o ten tial  f o r   s ig n if ican cu r r en lim itatio n   an d   v o ltag q u ality   m ain ten a n ce   u n d er   ce r tain   f au lt  c o n d itio n s .   H o wev er ,   th e   p er f o r m an ce   is   h ig h ly   d ep e n d en t   o n   th f a u lt ty p e,   w h ich   m ay   lim it its   b r o ad er   ap p licab ilit y .   iii)   P3   p o s itio n T h P3   p o s itio n   i s   less   ef f ec tiv co m p ar ed   t o   P1 ,   with   C R R   v alu es  co n s id er ab ly   lo wer   a n d   VSP  f ig u r es  th at  r e m ain   r elativ ely   h i g h   ac r o s s   all  r esis tan ce   v alu es  f o r   b o th   f a u lt  s ce n ar io s .   At  4 0   ,   th e   C R R   i s   ar o u n d   1 2 f o r   b o th   F1   an d   F2 ,   an d   th VSP  i s   9 9 . 1 8 %,  in d icatin g   th at  P3   is   n o as  ca p ab le  in   m an ag in g   f au lt c u r r en ts   o r   m a in tain in g   v o ltag q u ality   as th o th er   p o s itio n s .   iv )   P1 - P2   p o s itio n C o m b in in g   P1   an d   P2   p o s itio n s   o f f er s   b a lan ce d   s o lu tio n .   At  r esis tan c o f   4 0   ,   th e   co m b in ed   P1 - P2   p o s itio n   d eliv er s   h ig h   C R R   o f   ar o u n d   6 7 f o r   F1   an d   8 9 f o r   F2 ,   alo n g   with   lo w   VSP  o f   2 . 6 4 f o r   b o th   f au lts .   T h is   co m b in atio n   em er g es  as  s t r o n g   co n ten d er   f o r   R FS C L   p lace m en t,  ac h iev in g   s ig n if ica n t c u r r e n t r ed u ctio n   a n d   g o o d   v o ltag s ta b ilizatio n .   v)   P2 - P3   p o s itio n P2 - P3 ,   wh ile  o f f er in g   im p r o v em e n ts   in   f au l cu r r en r ed u ctio n   in   th F2   s ce n ar io ,   d o es   n o p r o v i d as  c o m p ellin g   r es u lts   in   th e   F1   s ce n ar io ,   with   n o   im p ac t   o n   f a u lt  cu r r en t   r ed u ctio n   o b s er v ed .   T h ef f ec tiv e n ess   o f   th is   p o s itio n   co m b in atio n   is   m o r e   p r o n o u n ce d   in   th e   F2   s ce n ar io ,   wh er at  2 0   ,   a   C R R   o f   o v er   7 5 % is   ac h iev ed ,   alth o u g h   th is   is   less   th an   wh at  is   s ee n   in   th P1 - P2   co m b in at io n .   v i)   P1 - P3   p o s itio n T h is   p o s itio n   p r o v id es  a   n o ta b le  C R R   f o r   b o th   F1   a n d   F2   at  m o d er ate  r es is tan ce   v alu es,   m ain tain in g   g o o d   v o ltag e   q u a lity   at  h ig h er   r esis tan ce   lev els.  T h is   s u g g ests   th at  th P1 - P3   co m b in atio n   co u ld   b c o n s id er ed   f o r   R FS C L   p lace m en t,   esp ec ially   at  a   r e s is tan ce   lev el  o f   a r o u n d   4 0   ,   wh ich   b alan ce s   p er f o r m an ce   with   co s t c o n s id er atio n s .   v ii)   P1 - P2 - P3   p o s itio n W h ile  th P1 - P2 - P3   p o s itio n   d e m o n s tr at es  h ig h   C R R   v alu es  at  h ig h er   r esis tan ce s ,   it   m ay   n o b as  co s t - ef f ec tiv d u to   th im p licatio n s   o f   i n s tallin g   R FS C L s   ac r o s s   m u ltip le  l o ca tio n s .   T h e   p er f o r m an ce   at  h ig h er   r esis tan ce s   is   o p tim al,   b u f o r   co s t - ef f e ctiv en ess ,   th r ec o m m en d atio n   is   to   co n s id er   o th er   p o s itio n   co m b i n atio n s .   v iii)   tr ad eo f f   is   co n s id er e d   f o r   th p r o p e r   p lace m en o f   ac co u n t in g   f au lt  cu r r en lim itin g   ab ilit y ,   g r id   v o ltag e   q u ality ,   an d   m in im u m   v alu o f   R SF C L .   T h u s ,   p o s itio n   P1 - P2   with   m ax im u m   r esis tan ce   o f   2 0     is   s elec ted   b ased   o n   th is   tr ad e o f f .   At  2 0     r esis tan ce ,   P1 - P2   s h o ws a  C R R   o f   5 7 . 7 9 % f o r   s y m m etr ical  f au l t   F1   an d   8 2 . 1 6 f o r   s y m m etr ic al  f au lt  F2 .   T h is   in d icate s   a   h i g h   ef f icac y   in   lim itin g   t h f a u lt  cu r r en t   f o r   b o th   ty p es o f   f a u lts .   r ed u ctio n   o f   o v er   5 0 in   f a u lt  cu r r e n is   s ig n if ica n an d   i m p lies   th at  th e   p r o tectiv e q u i p m en a n d   th r est  o f   th s y s tem   ar e   s u b jecte d   to   m u ch   lo wer   s tr ess   d u r in g   f au lt  co n d itio n s .   T h VSP  at  2 0     f o r   P1 - P2   is   8 . 0 9 f o r   F1   an d   - 3 . 2 7 f o r   F2 .   VSP  o f   8 . 0 9 s u g g ests   th at  th v o ltag s ag   is   with in   ac ce p tab le  lim its ,   m ain tain in g   g r i d   s tab ilit y   clo s to   th n o m in al  v o lta g d u r in g   f au lt.  T h VSP  g o es  s lig h tly   n eg ativ ( - 1 . 9 1 %),   wh ich   m ig h t im p ly   s lig h t o v er v o ltag co n d itio n ,   b u t sti ll s u g g ests   g o o d   v o lta g co n tr o d u r in g   f au lts .   L o wer   r esis tan ce   v alu es  u s u ally   tr a n s late  in to   lo wer   m ater ial  c o s ts   an d   p o ten tially   r ed u ce d   co o lin g   r eq u i r em en ts ,   th u s   r esu ltin g   in   o v er all  s av in g s   in   th im p lem en tatio n   an d   o p er atio n al  p h ases .   T h f a u lt  cu r r en r e d u ctio n   an d   v o ltag q u ality   im p r o v em e n ar o b s er v ed   in   all  f au lt  ca s es.  T h v o ltag q u ality   o f   th s y s tem   ca n   f u r th er   b e   im p r o v e d   u s in g   p o wer   c o m p e n s ato r s .           Fig u r 3 .   T est s y s tem   o f   th DG - co n n ec ted   d is tr ib u tio n   s y s te m         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 0 9 - 1 0 2 2   1014   3.   P RO P O SE F AUL T   D I AG NO SI M E T H O DO L O G Y:   I NT E L L I G E N T   F AUL T   DI AG NO SI USI NG   AR T I F I CIA L   N E U RAL N E T WO RK   I n tellig en s y s tem s   ar m o r e   w id ely   u s ed   n o wa d ay s   s in ce   th e y   ca n   o p e r ate  au t o n o m o u s ly ,   with   h ig h er   lev els  o f   ac cu r ac y   a n d   r eliab il ity .   An   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k   ( ANN)   aid ed   in tellig en f a u lt  d iag n o s is   is   also   m o d eled   in   th is   s tu d y ,   alo n g   with   th p r o tectio n   en h a n ce m en o f   th e   s y s tem   u s in g   R FS C L .   Un s y m m etr ical  f au lt a n aly s is   with o u t c o n s id er in g   s y m m et r ical  f au lts   u s in g   ANN  is   m en tio n ed   in   th e   wo r k   [ 4 4 ] .   T r a n s m is s io n   lin f au lt  d etec tio n   an d   l o ca tio n   id en tific atio n   with   R MS  v alu es  o f   cu r r en an d   v o ltag a s   f ea tu r v ar iab les  is   m en tio n ed   in   th wo r k   [ 4 5 ] .   ANN  an d   w av elet - b ased   f au lt  id en tific atio n   an d   lo ca lizatio n   ar an aly ze d   in   th e   wo r k   [ 4 6 ] .   An t   co lo n y   o p tim iz atio n - b ased   wa v elet  tr an s f o r m   an d   ANN  to   d etec t   f au lts   in   H VDC tr an s m is s io n   lin es  is   m en tio n ed   in   th wo r k   [ 4 7 ] .   Hig h   im p e d an ce   f au lt  d etec tio n   u s in g   d is cr ete  wav elet  an d   d ec is io n   tr ee ,   f au lt  d etec tio n   an d   lo ca tio n   p r ed ictio n   u s in g   s p ac v ec to r   m ac h in ( SVM )   an d   Gau s s ian   r eg r ess io n ,   ad ap tiv e   f u zz y - b ased   r elay   p r o tectio n ,   an d   s ev er al  m ac h in lear n in g   alg o r ith m s   ar also   m en tio n e d   in   v ar io u s   wo r k s   [ 4 8 ] - [ 5 0 ] .   ANN - b ased   f au lt  id en tific atio n   u s es  R MS  v alu es  o r   wav elet  c o ef f icien ts ,   o r   th eir   s tatic  o r   d y n am ic   f ea tu r d er iv ativ es,  as  th e   f ea t u r es  f o r   tr ain in g .   W av elet - b as ed   f au lt   class if icatio n   u s in g   S VM   [ 5 1 ]   an d   ANN  [5 2 ]   f o r   tr an s m is s io n   lin es  h as  b ee n   s tu d ied .   T h s tu d y   in   [5 3 ]   an aly ze s   f au lt  d etec tio n   an d   class if icatio n   in   co m p en s ated   tr a n s m is s io n   lin es  u s in g   in s tan tan eo u s   v o ltag e   an d   cu r r en s ig n als.  PC A - b ased   f ea tu r e   ex tr ac tio n   r ed u ce s   d im en s io n ality ,   ca p tu r in g   k ey   tim e - f r eq u en cy   f ea tu r es.   Ma ch in lear n in g   class if ier s   ( KNN,   MN N,   QSVM)   ar co m p ar ed ,   with   QSVM  ac h iev in g   9 9 . 3 ac cu r ac y .   T h e   v ar io u s   f ea tu r e s   u s ed   f o r   tr ain i n g   i n   s tu d ies  [ 4 4 ] - [ 5 3 ]   ar e   m ain ly   in s tan ta n eo u s   v al u es,  R MS  v alu es,  an d   wav elet  c o ef f icien t s ,   o r   th eir   s tatis tical  d er iv ativ es  o f   eith er   v o ltag o r   cu r r en o r   b o th .   T h elec tr ical  s ig n atu r f ea tu r es  id en tifie d   f o r   th c u r r e n wo r k   ar e   th s y m m etr ical  co m p o n e n ts   o f   v o ltag an d   cu r r en t.  Ass u m in g   S A ,   S B ,   an d   S C   ar th p h ase  v o ltag es  ( o r   cu r r en ts )   o f   an   u n b alan ce d   th r ee - p h ase  s y s tem ,   th tr an s f o r m atio n   to   s y m m etr ical   co m p o n en ts   ca n   b e   r ep r esen te d   b y   ( 4 ) .     [ 1 2 0 ] = 1 3 [ 1 2 1 2 1 1 1 ] [ ]   ( 4 )     S 1 ,   S 2 ,   S 0   r ep r esen th p o s itiv e,   n eg ativ e,   an d   ze r o   s eq u en c co m p o n e n ts ,   r esp ec tiv ely ,   an d   a   is   th co m p lex   o p er ato r   d ef in e d   as  =c o s ( 1 2 0 ° )+ j s in ( 1 2 0 ° ) .     T h co llectiv in f o r m atio n   ab o u th ese  f ea tu r v ar ia b les  co m m u n icate d   to   th u tili ty   ce n ter   h elp s   in   id en tify in g   th t y p an d   zo n e/l o ca tio n   o f   th f au lt.  T h is   co n c ep t o f   in tellig en t f au lt d ia g n o s is   b y   u tili ty   ce n ter s   u s in g   s y m m etr ical  co m p o n e n ts   o f   v o ltag e   a n d   c u r r en t is th f o cu s   o f   t h is   r esear ch   wo r k .   T h m eth o d o lo g y   f o r   d e v elo p in g   an d   im p lem e n tin g   th in te llig en f au lt  d etec to r   u s in g   A NN  is   i llu s tr ated   in   Fig u r e   4 .   I co n s is ts   o f   th f o ll o win g   s tep s :   -   Step   1 Data   c o llectio n T h r ee - p h ase  in s tan tan eo u s   v o ltag an d   cu r r e n d ata  at  b u s   2   an d   b u s   4   o f   th test   s y s tem   ( as  in   Fig u r 3 )   a r co ll ec ted   f o r   n o r m al  a n d   v ar io u s   f a u lt  co n d itio n s .   T h f au lt  c o n d it io n s   ar cr ea ted   b y   v ar y in g   f au lt r esis tan ce ,   lo ad ,   an d   DG  lev els at  d if f er en f au lt lo ca tio n s .   -   Step   2 Featu r e   ex tr ac tio n :   Sy m m etr ical  co m p o n e n ts   o f   v o lt ag an d   cu r r en t   at  b u s   2   a n d   b u s   4   f o r   f au lts   at  F1   an d   F2 ,   b o t h   in   th p r esen c an d   a b s en ce   o f   DG  an d   R SF C L ,   ar an aly ze d   an d   ex tr ac te d .   T h is   p r o ce s s   in v o lv es  an aly zin g   th d ata  d u r in g   f a u lt  an d   p r e - f a u lt  co n d itio n s .   d ata s et  o f   2 5 0 0   s am p les  p er   lab el  is   co llected   as in p u t f ea tu r es f o r   tr ain in g   th ANN  m o d el.     -   Step   3 No r m aliza tio n   an d   tr an s f o r m atio n T h in p u f ea tu r es  ar n o r m alize d   a n d   tr an s f o r m ed   to   a   r an g o f   - 1   to   +1 .   T h is   n o r m aliza tio n   p r o ce s s   h elp s   im p r o v e   th p e r f o r m an ce   o f   th n e u r al  n etwo r k s .   -   Step   4 : Fau lt  l ab elin g : D if f er en t f au lt c o n d itio n s ,   s u ch   as sy m m etr ical  f au lts ,   u n s y m m etr ic al  f au lts ,   an d   n o   f au lts   at  b u s   2   ( Z o n 1 )   an d   b u s   4   ( Z o n 4 ) ,   ar la b eled   as  F1   to   F2 3 .   On e - h o en co d in g   is   u s ed   to   r e p r esen t   th f au lt lab els/ tar g ets in   th is   s tu d y .     -   Step   5 ANN  t r ain in g :   T h A NN  m o d el  is   tr ain ed   b y   tu n in g   th m o d el  p ar am eter s   an d   h y p er p a r am eter s   u n til  th e   d esire d   n etwo r k   s ettin g   p a r am eter s   ar e   ac h ie v ed .   T h n e u r al  n etwo r k ' s   weig h ts   an d   b iases   ar e   ad ju s ted   d u r in g   th is   p r o c ess   t o   m in im ize  th er r o r   b etwe en   p r ed icted   an d   ac tu al  f au lt  lab els.  7 0 o f   th d ata  is   u s ed   f o r   tr ai n in g   a n d   3 0 % f o r   test in g .   -   Step   6 T est  an d   p er f o r m an ce   a n aly s is T h tr ain ed   ANN  m o d el  is   test ed   u s in g   u n s ee n   d at to   e v alu ate  its   p er f o r m an ce .   Per f o r m an ce   m etr ics  s u ch   as  p r ec is io n ,   r ec all,   an d   F1 - s co r ar ca lc u lated   to   ass ess   th e   ef f ec tiv en ess   o f   th m o d el  in   d etec tin g   an d   class if y in g   f au lt s .   -   Step   7 Selectio n   a n d   d ep lo y m en t:  B ased   o n   t h p e r f o r m an ce   an aly s is ,   th b est - p er f o r m in g   ANN  m o d el  is   s elec ted   an d   d ep lo y ed   f o r   r ea l - wo r ld   f a u lt d etec tio n   in   DG - c o n n ec ted   d is tr ib u tio n   s y s tem s .   Mu lti - co llin ea r ity   ef f ec o f   f ea tu r v ar iab les  is   an aly ze d   u s in g   b iv ar iate  co r r elatio n .   Hig h ly   d ep en d e n f ea tu r v ar iab les  h av h ig h   co r r elatio n   v alu es.  I n   s u c h   ca s es,  o n o f   th v ar iab les  ca n   b e lim in ated .   Fig u r 5   s h o ws  th co r r elatio n   g r ap h   an d   p air   p l o o f   all  1 2   f ea tu r e   v ar iab les.  T h v ar iab les  ( 1 2   n,   v 2 n )   ar h ig h l y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       I n tellig en t fa u lt d i a g n o s is   a n d   p r o tectio n   in   DG - co n n ec ted   s ystems     ( Leksh mi  R .   C h a n d r a n )   1015   co r r elate d   with   co r r elatio n   o f   0 . 8 1 .   Hen ce ,   v 2 n   is   d r o p p ed   f r o m   f u r th er   tr ain i n g   o f   th s y s tem .   d en s n eu r al  n etwo r k   is   u s ed   f o r   m o d elin g   i n   th is   wo r k   [ 4 7 ] ,   [ 5 4 ].   T h g en er al  s tr u ctu r o f   th d en s ar tific ial  n eu r al  n etwo r k   ( ANN)   m o d el  ca n   b r ep r e s en ted   as  f o llo ws I n p u v ec to r   with   n u m b er   o f   f ea tu r e   in p u ts   I ,   is   x     R I .   Fo r   th e   l th   h i d d en   lay er   with   N l   n u m b er   o f   n eu r o n s ,   th o u t p u t is ca lcu lated   u s in g   th f o r m u la  as in   ( 5 ) .     ( ) = ( ) ( ( ) ( 1 ) + ( ) )   (    ( 0 ) = )   ( 5 )     W h er th h id d e n   lay er   weig h t m atr ix   is     ( )   1       (   0 = )     an d   b ias m atr ix   is   ( )   .           Fig u r 4 .   ANN - b ased   f au lt d ia g n o s is   s y s tem           Fig u r 5 .   C o r r elatio n   g r a p h   o f   f ea tu r v ar ia b les     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 0 9 - 1 0 2 2   1016   T h o u tp u t v ec to r   y   in   th e   o u t p u t la y er   is   ca lcu lated   u s in g   th f o r m u la  as in   ( 6) .     = ( ) ( ( ) ( ) + ( ) )   ( 6 )     W h er th o u tp u t   weig h m at r ix   is   ( )           an d   th e   b ias  m atr i x   is   ( ) L   is   th n u m b er   o f   h i d d en   lay er s   an d   o   is   th e   n u m b er   o f   o u tp u t   class es.  T h r ec tifie d   lin ea r   u n it   ( R eL U )   ac tiv atio n   f u n ctio n ,   r ep r esen ted   as  f ( l )   u s ed   i n   h id d en   lay e r s   is   d ef in ed   as in   ( 7 ) .   T h So f tMa x   ac tiv atio n   f u n ctio n   in   th e   o u t p u t la y e r   tr a n s f o r m s   th o u tp u t in to   p r o b a b ilit y   d i s tr ib u tio n   o v e r   th 2 3   o u tp u t c lass es.     ( ) ( ) = ma x ( 0 , )   ( 7 )       4.   RE SU L T S AN AN AL Y SI S   T h test   s y s tem   with   R FS C L   p lace d   at   th p o s itio n   P1 - P2   i n   DG - c o n n ec te d   d is tr ib u tio n   s y s tem ,   as  s h o wn   in   Fig u r e   3 ,   with   p ar a m eter s   as  s h o wn   in   T ab le   1 ,   i s   an aly ze d   f o r   v ar io u s   f au lt  c lass if icatio n s   u s in g   d if f er en t   ANN  m o d els.  T h e   s ize  o f   th e   in p u t   lay er   o f   th e   A NN  d ep en d s   o n   th e   in p u f ea t u r es,  an d   th e   o u tp u t   lay er   d ep en d s   o n   th tar g et.   d r o p o u o f   0 . 2   is   u s ed   f o r   r eg u lar izatio n .   T h tr ain in g   o f   th ANN  in v o lv es  ad ju s tin g   th weig h ts   an d   b iases   to   m in im ize  th cr o s s - en tr o p y   lo s s   f u n ctio n .   ANN  m o d el s   u s e d   f o r   tr ain in g   th m o d el  ar e   s h o wn   in   T ab le   4 .   Mo d el  6   s h o ws  9 9 . 7 %   ac cu r ac y .   Mo d el  6   is   s elec ted   f o r   d e p lo y m en t   b ased   o n   th ac cu r ac y .   Per f o r m an ce   m et r ics  u s ed   f o r   ev alu atio n   o f   ANN,   s u ch   as  p r ec is io n ,   r ec all,   an d   F1 - Sco r e,   ar e   ca lcu lated   as in   ( 8 ) - ( 1 0 ) .     Pr e c ision =   PT PT + PF   ( 8 )     R e c a l l =   PT PT + NF   ( 9 )     F1 Score =   2 PT 2 PT + PF + NF   ( 10 )     W h er PT  is   tr u p o s itiv e ,   PF   is   f alse p o s itiv e ,   an d   NF is  f alse n eg ativ e .   Fig u r 6   s h o ws  th p er f o r m an ce   m etr ics  o f   class if icatio n   m o d el  f o r   d if f er e n ty p es  o f   f a u lts   ( F1   to   F2 3 ) ,   u s in g   t h r ee   k e y   ev alu ati o n   cr iter ia:  p r ec is io n ,   r ec all ,   a n d   th F1   s co r e   u s in g   m o d el  6 .   T h m ajo r ity   o f   th e   f au lt  ty p es  ( F2   to   F9 ,   F1 2   t o   F 2 0 ,   a n d   F2 3 )   h av e   p er f ec s co r es  ( 1 . 0 0 )   in   p r ec is io n ,   r ec all ,   a n d   F1   s co r e.   Fau lt  ty p es  F1 ,   F1 0 ,   F1 1 ,   F2 1 ,   an d   F2 2   s h o w   s lig h tly   lo we r   s co r e s   in   o n o r   m o r e   m etr ics,   b u t   t h ese  s co r es  ar e   s till   v er y   h ig h   ( all  ab o v 0 . 9 3 ) .   T h F1   s co r e,   wh ich   is   th h ar m o n ic  m ea n   o f   p r ec is io n   an d   r e ca ll ,   is   v er y   h ig h   f o r   all  f au lt  ty p es,  with   t h lo we s b ein g   0 . 9 6 .   T h is   in d icate s   well - b alan ce d   m o d el  th at   i s   ef f ec tiv i n   b o th   id en tify in g   th c o r r ec f au lt  ty p es  ( p r ec is io n )   an d   co v e r in g   all  ac tu al  in s tan ce s   o f   ea ch   f au lt  ty p ( r ec all) .   ANN   m o d el   6   d e m o n s tr ates  ex ce p t io n al  ef f ec tiv en ess   in   f au lt  d i ag n o s is   with   tr ain in g   ac cu r ac y   o f   9 8 . 6 an d   v alid atio n   ac c u r ac y   o f   9 9 . 7 %.   T h e   ab ilit y   to   ac cu r ately   clas s if y   wid e   v ar iety   o f   f a u lt  ty p es  is   in d icativ o f   a   r o b u s an d   r eliab le  d ia g n o s tic   to o l.  Pre v io u s   s tu d ies  h av r ep o r ted   h ig h   class if icatio n   ac cu r ac y   u s in g   ANN  m o d els,  in clu d in g   1 0 0 ac cu r ac y   with   in s tan tan eo u s   v o ltag e   an d   cu r r e n as  f ea tu r es  [ 5 5 ] ,   a n d   m ea n   s q u ar e d   er r o r   ( MSE )   o f   0 . 0 1 1 1 8 9   wh e n   u s in g   R MS  v alu es  o f   c u r r en an d   v o ltag [ 4 5 ] .   T h e   p r esen wo r k   in t r o d u ce s   a   n o v el  s elec tio n   o f   f ea tu r v a r iab les  ( s y m m etr ical  co m p o n e n ts   o f   v o ltag an d   cu r r en ts ) ,   ex p licitly   ad d r ess es   m u ltico llin ea r ity ,   an d   r ed u ce s   f ea tu r r ed u n d a n cy .   Fu r t h er m o r e,   it  ex p an d s   th s co p b y   i n co r p o r atin g   g r ea te r   n u m b er   o f   f au lt c l ass es ( 1 2   class es p er   zo n e) ,   ac h iev i n g   im p r o v ed   ac c u r ac y .       T ab le  1 .   C o m p a r is o n   o f   d en s ANN  m o d els   P a r a me t e r   M o d e l   1   M o d e l   2   M o d e l   3   M o d e l   4   M o d e l   5   M o d e l   6   N o   o f   f e a t u r e   i n p u t s   11   11   11   11   11   11   N o   o f   h i d d e n   l a y e r s   - 2   2   2   2   2   2   2   N o   o f   n e u r o n s i n   d e n s e   h i d d e n   l a y e r - 1   10   12   10   12   24   48   N o   o f   n e u r o n s i n   d e n s e   h i d d e n   l a y e r - 2   10   12   20   24   48   48   A c t i v a t i o n   f u n c t i o n   i n   h i d d e n   l a y e r   R e l u   R e l u   R e l u   R e l u   R e l u   R e l u   A c t i v a t i o n   f u n c t i o n   i n   o u t p u t   l a y e r   S o f t ma x   S o f t ma x   S o f t ma x   S o f t ma x   S o f t ma x   S o f t ma x   N o   o f   o u t p u t s   23   23   23   23   23   23   Le a r n i n g   r a t e   0 . 0 1   0 . 0 1   0 . 0 1   0 . 0 1   0 . 0 1   0 . 0 1   O p t i mi z e r   A d a m   A d a m   A d a m   A d a m   A d a m   A d a m   D r o p   o u t   0 . 2   0 . 2   0 . 2   0 . 2   0 . 2   0 . 2   Ep o c h s   50   50   50   50   50   50   Tr a i n i n g   a c c u r a c y   ( %)   68   76   8 3 . 7   87   9 7 . 7   9 8 . 6   V a l i d a t i o n   a c c u r a c y   ( %)   78   84   90   82   99   9 9 . 7   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       I n tellig en t fa u lt d i a g n o s is   a n d   p r o tectio n   in   DG - co n n ec ted   s ystems     ( Leksh mi  R .   C h a n d r a n )   1017       Fig u r 6 .   Per f o r m an c m etr ic  o f   m o d el  6       I n   th is   s tu d y ,   R SF C L   is   p lac ed   in   th s y s tem   co n s id er in g   f au lt  r ed u ctio n   ca p a b ilit y ,   g r id   v o ltag e   q u ality ,   an d   r ed u ce d   r esis tan ce   to   lim it  th f au lt  cu r r e n ts .   T h s en s itiv ity   an d   n u is an ce   tr i p p in g   o f   th cir c u it   b r ea k er   in   DG - co n n ec ted   s y s tem   ar n o r m all y   ad d r ess ed   u s in g   ad ap tiv an d   n o n - a d ap tiv p r o tectio n   co o r d in atio n   m eth o d s   [ 5 6 ] ,   [ 5 7 ] .   Fau lt  cu r r en lim iter s   ( FC L )   ca n   b e   p lace d   to   r ed u ce   th ex tr f au lt  c u r r en t   co n tr ib u ted   b y   th DG  an d   m ain tain   th p r eset  r elay   s ettin g .   Ad ap tiv p r o tectio n   s ch em es  with o u FC L   [ 5 8 ] ,   [ 59 ]   o r   with   FC L   [ 6 0 ] - [ 6 3 ]   ca n   b u s ed   to   im p r o v th s en s itiv ity .   T h is   s tu d y   also   in tr o d u ce s   n o n - ad ap tiv e   p r o tectio n   ap p r o ac h   to   r ed u ce   t h n u is an ce   tr ip p in g   o f   cir c u it  b r ea k er s   ( C B s )   b y   in teg r atin g   an   Ar tific ial  Neu r al  Netwo r k - b ased   class if ier   d ec is io n   alo n g   with   th co n v en ti o n al  r elay   lo g ic  f o r   cir c u it b r ea k er s .   Fig u r 7   s h o ws  th in teg r ate d   s y s tem   c o n ce p t   to   r ed u ce   th e   n u is an ce   tr ip p in g   o f   th e   cir cu it  b r ea k er .   W h en   a   f au lt  is   co n f i r m ed ,   th ANN  s ig n als  th n ea r est  C B   to   is o late  th f au lt.  T h is   r esp o n s is   ca r ef u lly   co o r d i n ate d   with   o th er   C B s   a lo n g   th lin e,   m ain tain in g   a   co o r d in atio n   tim e   in ter v al   ( C T I )   o f   0 . 3   s ec o n d s   to   en s u r e   th at  t h n e ar est b r ea k er   to   th e   f au lt  tr ip s   f ir s t,  lo ca lizin g   th e   f au lt  an d   m in im izin g   its   im p ac o n   th e   n etwo r k .   T h d ec is io n   to   tr ip   a   C B   is   b ased   o n   th e   ANN' s   co n f ir m atio n ,   e n h an cin g   th d ec is io n ' s   ac cu r ac y   b ey o n d   tr ad itio n al   d etec tio n   m eth o d s ,   wh ich   r ely   s o lely   o n   p r ed e f in ed   s ettin g s .   T h tim d ial  ( T D)   an d   p lu g   s ettin g   ( PS )   o f   ea c h   r elay   f o r   cir cu it  b r ea k er s   u s in g   th s tan d a r d   in v er s cu r v an d   C T   r atio   o f   2 0 0 /5   f o r   s y s tem s   with   an d   with o u R SF C L   ar s h o wn   in   T ab le  5   f o r   C T I   o f   0 . 3   s .             Fig u r 7 .   I n teg r ated   s y s tem   ap p r o ac h   t o   r ed u ce   cir cu it b r ea k er   n u is an ce   tr ip p in g       T ab le  5 .   R elay   s ettin g   o f   C B s   with   an d   with o u t   R FS C L   R e l a y   W i t h o u t   R S F C L   W i t h   R S F C L   TD   PS   TD   PS   R C B 2   0 . 3 1 2 3   1 . 7 6   0 . 3 0 1 0   1 . 8 7   R C B 4   2 . 6 6 3 2   6 . 1 9   2 . 5 6 7 1   5 . 7 3   R C B 1   5 . 0 3 1 6   5 . 6 5   4 . 8 5 0 8   5 . 2 7     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 0 9 - 1 0 2 2   1018   5.   CO NCLU SI O N   I n   c o n clu s io n ,   th is   s tu d y   h as   m ad s ig n if ica n s tr id es  in   ad v an cin g   f au lt   d iag n o s is   an d   p r o tectio n   in   DG - co n n ec ted   elec tr ical  s y s te m s ,   em p lo y in g   co m b in atio n   o f   r esis tiv s u p er co n d u ctin g   f au lt c u r r en t lim iter s   ( R SF C L )   an d   ar tific ial  n e u r al  n etwo r k   ( ANN) - b ased   f au lt  i d en tific atio n   m eth o d s .   T h e   v ar i o u s   in s ig h ts   o f   th e   s tu d y   ar e   as  f o llo ws :   i)   s tr ateg i p lace m en t   o f   R SF C L   with in   th d is tr ib u tio n   n etwo r k   ca n   b d o n b y   ca r ef u lly   co n s id er in g   f ac to r s   s u ch   as  f au lt  cu r r e n m ag n itu d e,   v o lta g q u ality ,   an d   r esis tan ce   v a lu e,   to   r ed u ce   th e   m ax im u m   r esis tan ce   v alu e   wh ile  m ain tain in g   f au lt   cu r r en lim itati o n .   Po s itio n   P1 - P2   with   a   m ax im u m   r esis tan ce   o f   2 0     is   s elec ted   b ased   o n   th is   tr ad e o f f .   P1 - P2   s h o ws  C R R   o f   5 7 . 7 9 % f o r   Sy m m etr ical  f au lt  F1   an d   8 2 . 1 6 f o r   s y m m etr ical   f au lt  F2 .   ii)  T h ANN - b ased   f au lt  d iag n o s is   tech n iq u u ti lizin g   s y m m etr ical  co m p o n en ts   o f   cu r r en t a n d   v o l tag as e lectr ical  f ea t u r es h as s h o wn   r em ar k a b le  v alid ati o n   a cc u r ac y   with   r ate   o f   9 9 . 7 %.  T h is   h ig h   lev el   o f   p r ec is io n   is   p ar tly   attr ib u ted   t o   th ca r ef u l   an aly s is   o f   f ea tu r e   v a r iab les,  p ar ticu lar ly   ad d r ess in g   m u ltico llin ea r ity .   B y   id en tify in g   a n d   s u b s eq u e n t ly   elim in atin g   h ig h ly   co r r elate d   v ar iab les,  s u ch   as   ' v 2 n '   d u to   its   s u b s tan tial  co r r elatio n   o f   0 . 8 1   with   an o th e r   f ea tu r e,   th m o d el' s   r o b u s tn es s   an d   ef f ec tiv en es wer s ig n if ican tly   en h a n ce d .   i ii)  T h d ec is io n   to   ac tiv ate  cir cu it  b r ea k er   is   co n f ir m ed   b y   th ANN,   wh ich   m ea n s   it  o n ly   tr ip s   wh e n   th A NN  d etec ts   r ea f au lt.  T h is   is   m o r ac cu r ate  th an   o ld er   m eth o d s   th at  tr ip   b ased   o n   s im p le   p r eset  lim its .   iv )   H o wev er ,   th c u r r e n s tu d y   is   li m ited   to   in co r p o r atin g   th e   th e r m al  an d   elec tr ical   p r o p er ties   o f   R FS C L   an d   th t r an s ien s tab ilit y   o f   th e   s y s tem   with   R FS C L   p lace m en t.  T h ANN  is   tr ain ed   f o r   v ar io u s   f au lt  ty p es  with   an d   w ith o u R SF C L   an d   DG.   I n   th f u tu r e,   th e   p r o p o s ed   f r am ewo r k   ca n   b e x ten d ed   to   co n s id er   v ar y i n g   DG  p e n etr atio n   lev els,  r en ewa b le  in ter m i tten cy ,   an d   r ea l - tim d y n a m ics,  alo n g   with   h y b r id   AI   m o d els  s u ch   as  C NN L STM   f o r   im p r o v e d   tem p o r al  f a u lt  d etec tio n .   Fu r t h er m o r e,   ad a p tiv an d   s elf - le ar n in g   p r o tectio n   s ch em es  th at   ev o l v with   c h an g i n g   n etwo r k   t o p o lo g y   a n d   s m ar g r id   ar ch itectu r es  r em ain   a   p r o m is in g   d i r ec tio n   f o r   ad v an cin g   th r eliab ilit y   o f   DG - co n n ec ted   s y s tem s .       F UNDING   I NF O R M A T I O   No   f u n d in g   in v o lv e d .       AUTHO CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T     T h is   jo u r n al  u s es  th C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   L ek s h m i R .   C h an d r an                               I lan g o   Kar u p p asam y                               Ma n ju la  G .   Nair                                   C     C o n c e p t u a l i z a t i o n   M     M e t h o d o l o g y   So     So f t w a r e   Va     Va l i d a t i o n   Fo     Fo r mal   a n a l y s i s   I     I n v e s t i g a t i o n   R     R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi     Vi su a l i z a t i o n   Su     Su p e r v i s i o n   P     P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu     Fu n d i n g   a c q u i si t i o n         CO NF L I C T   O F   I N T E R E S T   ST A T E M E NT     T h au t h o r s   d ec lar e   th at  th e y   h av n o   k n o wn   c o m p etin g   f in an cial  in ter ests   o r   p er s o n al  r el atio n s h ip s   th at  co u ld   h av in f l u en ce d   th e   wo r k   r e p o r ted   in   th is   p ap e r .   T h au th o r s   d ec lar n o   co n f lict o f   in ter est.       DATA AV AI L AB I L I T   T h d ata  th at  s u p p o r th f in d i n g s   o f   th is   s tu d y   ar av ailab le  f r o m   th co r r esp o n d i n g   au th o r ,   [ LR C ] ,   u p o n   r ea s o n ab le  r eq u est.       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   C .   D .   I w e h ,   S .   G y a mf i ,   E.   Ta n y i ,   a n d   E.   Ef f a h - D o n y i n a ,   D i st r i b u t e d   g e n e r a t i o n   a n d   r e n e w a b l e   e n e r g y   i n t e g r a t i o n   i n t o   t h e   g r i d :   p r e r e q u i si t e s ,   p u s h   f a c t o r s,   p r a c t i c a l   o p t i o n s,   i ss u e s   a n d   mer i t s,   E n e rg i e s ,   v o l .   1 4 ,   n o .   1 7 ,   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / e n 1 4 1 7 5 3 7 5 .   [ 2 ]   M .   S i n g h ,   P r o t e c t i o n   c o o r d i n a t i o n   i n   d i s t r i b u t i o n   s y s t e ms   w i t h   a n d   w i t h o u t   d i s t r i b u t e d   e n e r g y   r e s o u r c e s -   a   r e v i e w ,   Pr o t e c t i o n   a n d   C o n t r o l   o f   Mo d e rn   P o w e S y st e m s ,   v o l .   2 ,   n o .   1 ,   2 0 1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 1 8 6 / s4 1 6 0 1 - 0 1 7 - 0 0 6 1 - 1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.