Aşırı Öğrenme Makineleri ile Enerji İletim Hatları Arıza Tipi ve Yerinin Tespiti Detecting Fault Type and Fault Location in Power Transmission Lines by Extreme Learning Machines M. Emin Tağluk, Mehmet Salih Mamiş, Müslüm Arkan Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi Malatya, Türkiye mehmet.tagluk@inönü.edu.tr Ömer Faruk Ertuğrul Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Batman Üniversitesi Batman, Türkiye [email protected] Özetçe—Elektriğe bağımlılığın artığı günümüzde kaliteli ve kesintisiz enerji iletimi önemi her geçen gün artmaktadır. Bu nedene arıza, arıza tipi ve arıza mesafesinin doğru tespiti, elektrik arz güvenliği için elzemdir. Daha önce yapılan çalışmalarımızda aşırı öğrenme makinelerinin arızayı başarı ile tespit edebildiğini görmüştük. Bu çalışmada ise aşırı öğrenme makinellerinin (ELM) arıza tipi, türü ve mesafesinin tespitinde uygulanabilirliği test edilmiştir. ATP ile elde edilen arıza verilerinden 8 ayrı yöntemle özellik çıkarılmış ve elde edilen özellik tam 15 sınıflandırma ve 5 regresyon yöntemi ile analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar ELMnin sadece arıza tespitinde değil aynı zamanda arıza tipi ve yeri tespitinde de başarıyla kullanılabileceğini göstermiştir. cihazların çalışması için gereklidir. Elektrik barajlarda, jeotermal ve termal santraller gibi üretim noktalarında üretilmekte ve tüketim noktalarına enerji iletim hatları ile 380 kV ve 154 kV seviyelerinde iletilmektedir. Elektrik iletimi sürekli (kesintisiz), kaliteli (gerilim dalgalanmaları ve harmoniklerden etkilenmeyen) ve en az kayıp ile iletilmesi esasına göre organize edilmektedir [1]. Bunun için yüksek gerilim elektrik şebekesi “ring” diye tabir edilen her trafo merkezine (elektriğin yüksek gerilim seviyesinden orta gerilim seviyesine indirildiği noktalar) birden fazla yüksek gerilim hattının bağlı olduğu şekilde konumlanmıştır. Bu elektrik iletim şebekesi günümüzde ülke sınırlarını aşmış ve Avrupa Birliği elektrik iletim şebekesine enterkonnekte bir sistem halini almıştır [1]. Anahtar Kelimeler — Enerji İletim Hattı; Arıza Tipi; Arıza Yeri; Aşırı Öğrenme Makineleri. Enerji iletim hatlarında elektriksel (statik veya geçici aşırı gerilimler, aşırı yük ve ısınma etkileri, sistem frekansının değişimi, vb…), mekanik (çarpma, sarsıntı, eğilme, bükülme, kopma, hatalı devre bağlantıları, hatalı röle koordinasyonları, yabancı cisimler, vb…) ve çevresel (iklim şartları, depremler, nem, sıcaklık, kirlilik, vb…) sebeplerle zaman zaman arızalar oluşmaktadır. Oluşan arızaların insan hayatı kaybı, teçhizat hasarlanması, elektrik kayıpları ve benzeri olumsuz etkilerin asgari düzeye indirilmesi için enerjiyi iletim sisteminden hızla izole edilmesi gerekmektedir [2]. Abstract—Importance of supplying qualified and undisturbed electricity is increasing day by day. Therefore, detecting fault, fault type and fault location is a major issue in power transmission system in order to prevent power delivery system security. In previous studies, we observed that faults can be easily determined by extreme learning machine (ELM) and the aim of this study is to determine applicability of ELM in fault type, zone and location detection. 8 different feature sets were exacted from fault data that produced by ATP and these features were assessed by 15 different classifier and 5 different regression method. The results showed that ELM can be employed for detecting fault types and locations successfully. Keywords — Power Transmission Lines; Fault Type; Fault Location; Extreme Learning Machine. I. GİRİŞ Elektrik enerjisi günümüzde insan hayatını kolaylaştıran, yaşam kalitesini artıran neredeyse tüm Arıza tipinin tespiti: arızanın nedeni ve tekrarlanmaması için arıza gideren ekibin hazırlanmasına olanak vermekte bu sayede arıza giderme süresi ve maliyetini düşürmektedir. Arıza yeri bilgisi ise yüzlerce km uzunluğundaki hatta arıza giderme ekibinin doğru noktaya gitmesine olanak verdiğinden arıza yerinin tespit süresini düşürmektedir. Çünkü enerji iletim hatlarında arızalar direk yıkılması gibi gözle rahat görülen arızalar olabildiği gibi izolatör delinmesi gibi gözle rahat bir şekilde tespit edilemeyecek nedenlerden dolayı arızalar da Daha önce birçok farklı metot ile gerçek enerji iletim hattı sinyalleri (3 faz akım ve gerilim) kullanılarak arıza tespiti yapmıştık [2, 3, 4]. Aşırı öğrenme makineleri (ELM) kullanılarak yapmış olduğumuz arıza tespit çalışmasında bir arızalı sinyal (3 faz akım ve gerilim sinyali) ve bir adet normal elektrik sinyal grubu referans sinyaller olarak atanmış ve diğer sinyallerin bu referans sinyallerle bağıl entropisi hesaplanmıştır. Elde edilen özellikler ELM ile sınıflandırılmış ve arıza tespitinde %97,79 oranında başarı elde edilmiştir [3]. Aynı çalışmada ayrıca yapay sinir ağları (ANN), destek vektör makineleri (SVM) ve Bayes metotları da kullanılmış ve bu metotların başarısı %97,05 oranında kalmıştır [3]. Bu çalışmada ATP yazılımıyla sanal olarak oluşturulmuş veriler kullanılmıştır. Arıza tespitinde ANN, SVM ve Bayes metotlarına kıyasen daha yüksek başarı üreten ELM’nin arıza tipi ve arıza yeri tespitinde başarısı test edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla literatürde sıkça kullanılan özellik çıkarma metotlarıyla elde edilen veriler farklı karakteristik özelliklere sahip popüler sınıflandırma ve regresyon metotlarıyla kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar ELM’nin sadece arıza tespitinde değil arıza yeri, bölgesi ve türü tespitinde de başarılı bir yapay öğrenme metodu olduğunu doğrulamıştır. II. VERİ KÜMESİ ATP elektrik iletim ve dağıtım sistemi simülasyonlarında sıkça kullanılmaktadır [5].Yapılan çalışmada ATP kullanılarak yapay arızalar oluşturulmuştur. Kullanılan modelde, kaynak gerilimi: 310268.7 V, direnci: 0.1 ohm ve indüktansı:1mH olarak alınmış ve toprak arızalarında toprak direnci ise 1 ohm olarak alınmıştır. Elde edilen arıza verileri her bir faza (A, B ve C fazları) ait 2560 Hz örnekleme frekansına sahip, birer alternas boyutunda akım ve gerilim sinyallerinden oluşmaktadır. Veri setinde bulunan 20 adet sinyalin dağılımı aşağıdaki gibidir. 978-1-4799-4874-1/14/$31.00 ©2015 IEEE Arıza Tipi Tablo 1. Veri Setinin Dağılımı Arıza Yeri oluşabilmektedir. Arıza tespit sisteminin arıza lokasyonunu doğru tespit etmesi bu sebeple önemlidir. Ayrıca arızanın oluştuğu bölgeye (zone) bağlı olarak belirlenen süreler doğrultusunda hat açılmaktadır. Trafo merkezinin röleyle korunan hattında trafo merkezine yakın olan arızaların daha fazla kısa devre akımına neden olması nedeniyle ani açması beklenmektedir. Ancak aynı trafo merkezine enerji iletim hattı ile bağlı başka bir trafo merkezi ile üçüncü bir trafo merkezi arasındaki hatta oluşan arızadan dolayı korunan hattın gereksiz kesintilere neden olmaması için geç açması istenmektedir. Özetle mesafe koruma rölesinin açma zamanının ayarlanması için arıza bölgesi önemli bir veridir. Bazı rölelerde sadece arıza bölgesi, kiminde sadece arıza lokasyonu (km) ve kiminde ise bu iki veri ayrı ayrı tespit edilmektedir. Bu sebeple yapılan çalışmada arıza türü, arıza lokasyonu ve bölgesi tespit edilmeye çalışılmıştır. Türü Faz – Toprak Faz – Faz 2 Faz – Toprak 3 Faz 40. km 80. km 120. km 160. km 200. km III. Veri Sayısı 5 5 5 5 4 4 4 4 4 KULLANILAN METOTLAR Yapılan çalışma arıza tespitinde popüler yapay öğrenme metotlarına kıyasen daha fazla başarı gösteren ELM’nin arıza türü ve arıza tespitindeki performansını test etmek amacıyla yapılmıştır. Bu çalışmada daha objektif bir değerlendirme yapmak amacıyla birçok farklı özellik çıkarma yöntemi ve farklı özelliklerde regresyon ve sınıflandırma metotları kullanılmıştır. A. Kullanılan Özellik Çıkarma Metotları Yapılan çalışmada aşağıda listelenen özellikler her bir faz akım ve gerilim bilgisi için çıkarılmış ve her birinden ayrı birer veri seti oluşturulmuştur. Kullanılan özellik çıkarma metotları: 1. Dalgacık katsayıları (WC, 8. derece) [11] 2. Dalgacık enerjisi (WE, 8. derece) [12] 3. Dalgacık shannon entropisi (WS) [12] 4. Zamansal istatistiksel özellikler (TS, enerji, aritmetik ortalama, medyan ortalama, standart sapma, çarpıklık, basıklık, maksimum ve minimum) 5. Frekans düzleminde elde edilen istatiksel özellikler (FS, enerji, aritmetik ortalama, medyan ortalama, standart sapma, çarpıklık ve basıklık) 6. Toplam harmonik bozulma (THD) 7. Kısa zamanlı Fourier dönüşümü (STFT) 8. Bağıl entropi (RE, her faza ait akım sinyalinin aynı faza ait gerilim sinyali ile bağıl entropi) B. Aşırı Öğrenme Makineleri (ELM) ELM, tek gizli katmanlı ileri beslemeli YSAlar için geliştirilmiş bir öğrenme yaklaşımıdır [6, 7, 8]. ELM sisteminde gradyan bazlı öğrenme algoritmalarından (örneğin geri yayılımlı öğrenme algoritması) farklı olarak giriş katmanındaki ağırlıklar ve bias rastgele atanır ve çıkış katmanındaki ağırlıklar analitik olarak hesaplanmaktadır [6]. Geleneksel ileri beslemeli bir YSA da ağın eğitilmesi iteratif olarak gerekirken, bu süreç ELM’de analitik bir denkleme dönüştürülmüş ve bu sebeple çok hızlı bir öğrenme yeteneği kazanılmıştır. Ayrıca, ELMde çıkış ağırlıkları genelleştirilmiş ters Moore-Penrose matrisi [9] ile hesapladığından, yerel minimuma takılma veya optimum öğrenme parametresi (örneğin momentum, öğrenme katsayısı) belirlenmesi [10] gibi performansı doğrudan etkileyen sorunları yoktur ve genelleştirme kabiliyeti daha yüksektir [6,7,8]. olur. Eğitim algoritmalarınınn amacı hatayı minimize etmektir. ELMde ise hata fonksiyonu ∑ veya Öte yandan ELM ağ mimarisi (gizli katmandaki nöron sayısı) ve veri dağılımına uygun traansfer fonksiyonu, gradyan bazlı öğrenme algoritmalarıında olduğu gibi belirlenmesi birçok deneme veya tecrübee gerektirmektedir. ELM gradyan bazlı öğrenme algorittmalarından farklı olarak türevlenemeyen veya kessikli aktivasyon fonksiyonları da kullanabilmektedir [11]]. Ancak, YSA’nın aşırı öğrenmemesi (yani genelleştirrme kabiliyetinin düşmemesi) için ELM ile öğrenen bir ileri beslemeli YSA ağında kullanılabilecek nöron sayısı eğğitim kümesindeki örnek sayısına eşit veya daha az olm malıdır. Aşağıdaki şekilde ELM ile eğitilen bir YSAnın yapıısı gösterilmiştir. aynı şekilde hata maliyet fonkksiyonu ∑ minimum olmasını sağlamaaktır (burada eğitim kümesindeki veri sayısıdır). Buunu sağlamanın yolu ise tüm gerçek çıktı değeri ( ) ile elde edilen çıktı ( ) değerlerine eşit olmasıdır. Bu şekilde denkklem 3’te tek bilinmeyen ağırlık değerleridir. matrisinin kare bir matris olma olasılığının düşüklüğü (eğitim kümesindekki veri sayısının, her verinin içerdiği özellik sayısına eşit olması) o basitçe bu matrisin tersinin alınarak ağırlıkların buulunmasına engeldir. Huang ve arkadaşları ise tersi alınam mayan matrislerin yaklaşık terslerini hesaplamak için gelişştirilmiş genelleştirilmiş ters Moore-Penrose matrisi kullanm mışlardır. Dolayısıyla çıkış ağırlıkları ( ): (4) , şeklinde bulunur. Buradaa genelleştirilmiş ters Moore-Pennrose matrisi, çıkış ağırlıklarıdır. matrisinin ise yaklaşık C. Karşılaştırma Amacıyla Kullanılan Diğer Makine Öğrenmesi Metotları Şekil 1: Tek Gizli Katmanlı YSA Y [4] Yukarıdaki şekilde giriş özellikk vektörlerini (veri kümesinde her örnek tane özelliği iççermektedir), çıkış vektörlerini ( tane çıkış) ve çıkış katmanı ağırlıklarını ( tane gizli katman nöronnu) göstermektedir. Çıkış denklemi ise ileri beslemeli YS SA’da olduğu gibi [11]: , (1) , şeklindedir. Burada giriş katmanda ile gizli , katman arasındaki bağlantı ağırlıklaarını, gizli . ise katmandaki nöronların eşik değerlerini ve aktivasyon fonksiyonunu göstermekteddir [11]. Denklem 1’de giriş katmanı ağırlıkları ( , ) ve bias ( ) değerlerinin rastgele atanmakta, traansfer fonksiyonu ( . ), giriş katman nöron sayısınınn veri kümesinde bulunan özellik sayısı ( ) ve gizli katmaandaki nöron sayısı ( ) ise başlangıçta atanmaktadır. Buu bilgiler ışığında yukarıdaki denklemde bilinenler bir arayya getirilip yeniden isimlendirilirse çıkış katmanı girişi: , , , , , , , (2) şeklinde ifade edilebilir. Bu durumda çıkkış denklemi: (3) Yapılan çalışmada ELMnin başşarısını test etmek amacıyla kullanılan diğer yöntemler aşağğıda listelenmiştir. a. Lineer polinom tipi sınıflandırıcılar: S şekilli (logistic) lineer (LC), Fisher (FC), enn yakın ortalama (NMC), karesel ayırtaç (QC), altuzay (S SC) sınıflandırıcıları, b. Gaussian yoğunluk tabanlı sınıflandırıcılar: lineer bayes (LB), karesel bayes (QB) sınıflandırıcıları, c. Lineer olmayan sınıflandırıccılar: k en yakın komşuluk (kNN), Naive Bayes (NB), ileri beslemeli YSA (geri beslemeli algoritma ile eğitillmiş) (BP), ileri beslemeli YSA (Levenberg-Marquardt algoritması ile eğitilmiş) (LM), destek vektör makineleeri (SVM), nu tipi destek vektör makineleri (nSVM), Parrzen (PC) sınıflandırıcıları, d. Regresyon yöntemleri: illeri beslemeli YSA (geri beslemeli algoritma ile eğitilm miş) (BP), lineer regresyon (LR), destek vektör makinelerri regresyon (SVR) ve k en yakın komşuluk regresyon (kNN NR) metotları IV. SON NUÇLAR Yapılan çalışmada ELMnin arrıza tipi, bölgesi ve yerinin tespiti ile ilgili uygulanabilirliğği ayrı ayrı test edilmiştir. A. Arıza Tipi Tespiti Veri kümesinde bulunaan sinyallerden çıkarılan özellikler ELM ve çeşitli sınnıflandırma algoritmalarıyla sınıflandırılmış ve elde edilen başarı oranı aşağıda tablolaştırılmıştır. Lineer Olmayan LC FC NMC QC SC LB WC 70 85 100 75 70 90 WE 100 80 97,5 70 25 95 WS 25 20 25 12,5 25 22,5 TS 62,5 75 25 85 47,5 55 FS 77,5 65 20 57,5 47,5 32,5 THD 100 77,5 100 75 82,5 100 STFT 42,5 42,5 35 37,5 20 25 RE 80 62,5 70 82,5 77,5 77,5 QB 85 90 12,5 27,5 12,5 92,5 25 75 kNN PC NB BP LM SVM nSVM ELM 100 100 95 82,5 92,5 100 65 100 100 95 75 92,5 92,5 100 100 85 0 10 5 5 7,5 12,5 17,5 100 2,5 7,5 17,5 67,5 85 70 45 100 2,5 10 60 70 75 52,5 42,5 100 100 100 55 77,5 95 75 75 95 30 32,5 37,5 35 50 50 37,5 65 80 72,5 50 80 87,5 72,5 60 100 4 1 x 10 0.5 0 -0.5 Akım (A) Gauss Lineer Tablo 2. Arıza Tipi Tespitinde Başarı Oranı (%) -1 -1.5 -2 -2.5 -3 0 Tablo 2’de görüleceği üzere ELM arıza tipi tespitinde diğer metotlara oranla daha başarılı sonuçlar vermiştir. B. Arıza Yeri Tespiti Bu çalışmada arıza yeri tespiti iki açıdan değerlendirilmiştir. Biri arıza bölgesinin sınıflandırma ile tespiti (zone) ikincisi ise arızanın ölçüm noktasına olan mesafesinin regresyon ile tespitidir. Arıza bölge tespitinde başarı oranı (%) aşağıdaki tabloda verilmiştir. 40 km 80 km 120 km 160 km 200 km Lineer Gauss Lineer Olmayan LC FC NMC QC SC LB WE 100 80 100 75 25 97,5 WS 20 20 22,5 17,5 25 22,5 TS 52,5 77,5 25 85 55 60 FS 82,5 67,5 22,5 50 57,5 47,5 THD 100 77,5 100 75 77,5 100 STFT 45 37,5 35 47,5 17,5 22,5 RE 75 60 70 82,5 77,5 77,5 QB 95 95 7,5 32,5 15 92,5 25 75 kNN PC NB BP LM SVM nSVM ELM 100 100 95 87,5 85 97,5 72,5 90 100 92,5 75 95 95 100 100 95 5 10 2,5 10 7,5 12,5 25 100 5 7,5 17,5 82,5 65 65 35 100 10 12,5 60 60 75 55 40 100 100 100 55 72,5 95 75 75 85 37,5 35 42,5 52,5 52,5 42,5 50 50 77,5 72,5 60 75 70 72,5 65 80 Arıza yeri (km) bulunmasında elde edilen başarı oranı (RMSE) aşağıdaki tabloda verilmiştir. BP LR SVR kNNR ELM TS 20 NaN 56,66 18,44 10,75 FS 20 19,62 56,66 18,44 15,71 THD 59,93 9,4.108 56,65 72,25 53,69 STFT 49,51 53,65 56,65 46,04 38,45 0.02 TEŞEKKÜR Bu çalışmada yayınlanan sonuçlar Tübitak tarafından desteklenen 114E152 numaralı projenin çıktıları olup desteklerinden dolayı TÜBİTAK-ARDEB'e teşekkür ederiz. [1] RE 49,25 31,93 56,64 46,69 24,47 ELMnin yukarıda sayılan birçok avantajının yanı sıra arıza tipi ve arıza bölgesi ve yerinin tespitinde diğer metotlara kıyasen daha başarılı sonuçlar üretmiştir. Ancak arıza yerinin tespitinde elde edilen RMSE oranı beklenen üzerindedir. Bunun nedeninin veri setinin küçüklüğü olduğunu düşünmekteyiz. Şekil 2’de farklı arıza lokasyonlarına ait A fazı akımının şekli görülmektedir. Şekil 2’de görüldüğü gibi ölçüm noktasından 40, 80, 120, 160 ve 200 km uzaklıkta oluşturulan arızalar rahatlıkla ayırt edilebilmekte (bölgelerine göre) ancak aralarında regresyon ilişkisi kurulması için ara mesafelerde de ölçümler yapılması ihtiyacı duyulmaktadır. Sonuç olarak ELM sadece arıza tespitinde değil aynı zamanda arıza tipi ve yerinin tespitinde de başarıyla kullanılabilecek bir metot olduğu görülmektedir. www.teias.gov.tr [2] Ertuğrul, Ö.F. ve Kurt, M.B., Enerji İletim Hatlarında Modüler YSA ve ADD ile Hızlı Arıza Tespiti, e-Journal of New World Sciences Academy Engineering Sciences, 1A0008, 6, (1), 79-88. [3] Ömer Faruk ERTUĞRUL, M. Emin TAĞLUK, Yılmaz KAYA, “Enerji İletim Hatlarında Oluşan Arızaların Aşırı Öğrenme Makinesi ile Tespiti” , 21. Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları Kurultayı, SIU2013, Nisan 2013 [4] Ömer Faruk Ertuğrul, Mehmet Emin Tağluk, Yılmaz Kaya; Enerji İletim Hatlarında Wigner Ville Dağılımı, Gri Düzey Eş Oluşum Matrisi Ve Örüntü Tanıma Yöntemleri İle Arıza Analizi, 20. Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları Kurultayı, SIU2012, Nisan 2012 [5] A. Nayir, “Simulation of transient processes on overvoltage in electric transmission lines using ATP-EMTP”, Turk J Elec Eng & Comp Sci (2013) 21: 1553 – 1566. Tablo 4. Arıza Yeri (km) Tespitinde Başarı Oranı (RMSE) WS 20 38,42 56,66 18,44 34,67 0.015 KAYNAKÇA WC 52,5 82,5 100 67,5 77,5 97,5 WE 71,25 63,09 56,65 78,61 53,65 0.01 Zaman (sn) Şekil 2: Farklı Arıza Lokasyonuna sahip A Fazı Akım Tablo 3. Arıza Bölgesi Tespitinde Başarı Oranı (%) WC 72,54 40,25 56,65 73,89 30,57 0.005 [6] Guang-Bin Huang G. B., Zhu Q. Y. ve Siew C. K., “Extreme learning machine: Theory and applications”, Neurocomputing 70 (2006) 489–501 [7] Guang-Bin Huang G. B., Zhu Q. Y. ve Siew C. K., “Extreme Learning Machine: A New Learning Scheme of Feedforward Neural Networks”, IEEE, 2004, 985-990 [8] Huang G. B., Wang D. H. ve Lan Y.,“Extreme learning machines: a survey”, Int. J. Mach. Learn. & Cyber. (2011) 2:107–122 [9] Ben-Israel A. ve Greville T. N. E., “Generalized Inverses”, Springer-Verlag. ISBN 0-387-00293-6, 2003 [10] Ethem Alpaydın, “Yapay Öğrenme”, Boğaziçi Üniversitesi Yayınevi, 2. ed, 2011, pp.278-281 [11] Magnago, F. H., & Abur, A. (1998). Fault location using wavelets. Power Delivery, IEEE Transactions on, 13(4), 1475-1480. [12] Ekici, S., Yildirim, S., & Poyraz, M. (2008). Energy and entropybased feature extraction for locating fault on transmission lines by using neural network and wavelet packet decomposition. Expert Systems with Applications, 34(4), 2937-2944.