Industry 4.0-Compliant Artificial Intelligence-based power transformer fault classification method during data missing conditions

dc.contributor.advisorCosta, Flávio Bezerra
dc.contributor.advisor-co1Medeiros, Rodrigo Prado de
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0002-7554-1480
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/7510091283933216
dc.contributor.authorDantas, Ingrid Thaís Azevêdopt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/6791400579819527
dc.contributor.referees1Silveira, Luiz Felipe de Queiroz
dc.contributor.referees2Oleskovicz, Máriopt_BR
dc.date.accessioned2025-07-02T19:51:40Z
dc.date.available2025-07-02T19:51:40Z
dc.date.issued2025-03-28
dc.description.abstractPower transformers are fundamental components in electrical systems, responsible for the efficient transfer of energy between different voltage levels. Despite their robustness, these devices are subject to failures over time, such as internal electrical faults that can compromise not only the transformer itself but also the stability of the entire interconnected system. In this context, the use of intelligent solutions that enable continuous monitoring and accurate fault classification becomes increasingly relevant, contributing to faster diagnostics and, thus, reducing equipment downtime. This work proposes an innovative approach for classifying internal faults in power transformers, with a particular focus on those occurring in the bushings. The proposed method is based on the development of a classification system that combines advanced mathematical techniques with supervised machine learning models. A key feature of the approach is its ability to operate effectively even with incomplete data, a common condition in real industrial environments where communication failures, sensor defects, or signal noise can compromise measurement integrity and, consequently, the diagnostic process. The methodology integrates the Real-Time Bounded Stationary Wavelet Transform (RT-BSWT) with machine learning models. After applying this transform to the current signals, energy values are extracted from the coefficients and used as the input features for the classification stage. Three supervised algorithms were implemented: Decision Tree, Random Forest, and Logistic Regression. These models were selected for their strong performance in classification tasks and for their interpretability. The system was evaluated using a simulated dataset containing different types of internal faults in transformer bushings, including single-phase, two-phase, three-phase, and phase-to-ground faults, applied to both the primary and secondary sides. The tests also considered variations in fault resistance, fault angle, load conditions, noise, and, most importantly, the absence of one phase current, aiming to simulate realistic operational scenarios. The results demonstrated that the proposed approach is highly effective, achieving accuracy rates above 95% under ideal conditions. Among the tested models, the Random Forest algorithm performed the best. The effectiveness of the method was also validated through a direct comparison with a traditional wavelet-only approach, without machine learning. While the conventional method showed reasonable performance in ideal conditions, with up to 85% accuracy, its effectiveness was severely affected by data loss and noise, dropping to 36.9% accuracy in adverse scenarios. It also struggled to identify specific fault types, such as secondary-side two-phase-to-ground faults or three-phase faults under missing data. In contrast, the machine learning-based method showed higher accuracy and adaptability, correctly classifying all 20 fault types evaluated, even under signal loss and different noise levels. Beyond its technical contribution, this work aligns with the principles of Industry 4.0 by integrating intelligent data analysis, real-time responsiveness, and robustness against data loss. These characteristics significantly expand the potential for applying the proposed methodology in modern industrial environments. The system can be integrated into existing protection and monitoring architectures, providing direct support for operational decision-making. In summary, this work presents a significant contribution to the field of diagnosis and classification of internal faults in power transformers. Its ability to perform under adverse conditions and maintain high accuracy even with incomplete data makes it a promising solution for both academic research and practical applications in the electric power sector. This approach may serve as a foundation for the development of smarter protection systems, contributing to increased safety and operational efficiency.
dc.description.resumoTransformadores de potência são elementos fundamentais em sistemas elétricos, responsáveis pela transferência eficiente de energia entre diferentes níveis de tensão. Apesar de sua robustez, esses equipamentos estão sujeitos a falhas ao longo do tempo, como faltas elétricas internas, que comprometem não apenas o próprio transformador, mas também a estabilidade de todo o sistema interligado. Diante desse cenário, torna-se cada vez mais relevante o uso de soluções inteligentes que viabilizem o monitoramento contínuo e a classificação precisa das faltas, contribuindo para diagnósticos mais ágeis, para assim reduzir o tempo de indisponibilidade dos equipamentos. Este trabalho propõe uma abordagem inovadora para a classificação de faltas internas em transformadores de potência, com foco especial naquelas que ocorrem nas buchas. A proposta baseia-se no desenvolvimento de um método que alia técnicas matemáticas avançadas a modelos de aprendizado de máquina supervisionado. Um dos diferenciais da abordagem está na sua capacidade de operar mesmo com dados incompletos, uma condição frequentemente observada em ambientes industriais reais, em que falhas de comunicação, defeitos em sensores ou ruídos nos sinais, por exemplo, podem afetar a integridade medições e consequentemente, dos diagnósticos. A metodologia combina a Transformada Wavelet Estacionária com Bordas em Tempo Real (RT-BSWT) com modelos de aprendizado de máquina. Após a aplicação dessa transformada, são extraídas as energias dos coeficientes que formam a base para a etapa seguinte do método utilizando aprendizado de máquina. Três algoritmos supervisionados foram utilizados na implementação do sistema: Árvore de Decisão, Floresta Aleatória e Regressão Logística. A escolha desses modelos se deu com base em sua boa performance em tarefas de classificação e por sua interpretabilidade. O sistema foi avaliado a partir de uma base de dados simulada, composta por diferentes tipos de faltas internas na bucha do transformador, incluindo faltas monofásicas, bifásicas, trifásicas e fase-terra, aplicadas tanto no lado primário quanto no secundário. Os testes também consideraram variações de ângulo e resistência de falta, condições de carga, presença de ruído e, principalmente, a perda de uma das correntes, com o objetivo de simular condições operacionais realistas. Os resultados demonstraram que a abordagem proposta é altamente eficaz, alcançando taxas de acurácia superiores a 95% em cenários ideais. Entre os algoritmos testados, a Floresta Aleatória apresentou o melhor desempenho. A eficácia do método também foi validada por meio de uma comparação direta com a abordagem baseada apenas em processamento por wavelets, sem uso de aprendizado de máquina. Embora o método tradicional tenha apresentado desempenho razoável em cenários ideais (acurácia de até 85%), sua performance foi severamente afetada por perda de dados e presença de ruído, chegando a 36,9% de acurácia em condições adversas. Além disso, ele foi limitado na identificação de certos tipos de falta, como bifásica com terra do lado secundário ou trifásica na falta de um dado. Por outro lado, o método com aprendizado de máquina demonstrou maior precisão e adaptabilidade, classificando corretamente todos os 20 tipos de faltas avaliados, mesmo sob perdas de sinal e com diferentes níveis de ruído. Além da contribuição técnica, este trabalho está alinhado aos conceitos da Indústria 4.0, ao integrar técnicas de análise inteligente, capacidade de resposta em tempo real e robustez frente à perda de dados. Isso amplia consideravelmente o potencial de aplicação da metodologia em ambientes industriais modernos. O sistema desenvolvido pode ser incorporado a arquiteturas existentes de proteção e monitoramento, oferecendo suporte direto à tomada de decisão operacional. Em síntese, este trabalho oferece uma contribuição significativa para a área de diagnóstico e classificação de faltas internas em transformadores de potência. A capacidade de operar sob condições adversas e de manter alta acurácia mesmo com dados incompletos torna o método promissor tanto para aplicações acadêmicas quanto industriais. Espera-se que esta proposta sirva de base para o desenvolvimento de sistemas de proteção mais inteligentes, contribuindo com a segurança e eficiência no setor elétrico.
dc.identifier.citationDANTAS, Ingrid Thaís Azevêdo. Industry 4.0-Compliant Artificial Intelligence-based power transformer fault classification method during data missing conditions. Orientador: Dr. Flávio Bezerra Costa. 2025. 72f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2025.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/64099
dc.language.isoen
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Norte
dc.publisher.countryBRpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃOpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectPower transformers
dc.subjectFault classification
dc.subjectWavelet transform
dc.subjectMissing data
dc.subjectMachine learning
dc.subjectIndustry 4.0
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
dc.titleIndustry 4.0-Compliant Artificial Intelligence-based power transformer fault classification method during data missing conditions
dc.typemasterThesispt_BR

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