A data-mining approach for wind turbine fault detection based on scada data analysis using artificial neural networks

Wind energy has shown significant growth in terms of installed power in the last decade. However, one of the most critical problems for a wind farm is represented by Operation and Maintenance (O&M) costs, which can represent 20-30% of the total costs related to power generation. Various monitoring methodologies targeted to the identification of faults, such as vibration analysis or analysis of oils, are often used. However, they have the main disadvantage of involving additional costs as they usually entail the installation of other sensors to provide real-time control of the system. In this paper, we propose a methodology based on machine learning techniques using data from SCADA systems (Supervisory Control and Data Acquisition). Since these systems are generally already implemented on most wind turbines, they provide a large amount of data without requiring extra sensors. In particular, we developed models using Artificial Neural Networks (ANN) to characterize the behavior of some of the main components of the wind turbine, such as gearbox and generator, and predict operating anomalies. The proposed method is tested on real wind turbines in Italy to verify its effectiveness and applicability, and it was demonstrated to be able to provide significant help for the maintenance of a wind farm

The blessings of explainable AI in operations & maintenance of wind turbines

Wind turbines play an integral role in generating clean energy, but regularly suffer from operational inconsistencies and failures leading to unexpected downtimes and significant Operations & Maintenance (O&M) costs. Condition-Based Monitoring (CBM) has been utilised in the past to monitor operational inconsistencies in turbines by applying signal processing techniques to vibration data. The last decade has witnessed growing interest in leveraging Supervisory Control & Acquisition (SCADA) data from turbine sensors towards CBM. Machine Learning (ML) techniques have been utilised to predict incipient faults in turbines and forecast vital operational parameters with high accuracy by leveraging SCADA data and alarm logs. More recently, Deep Learning (DL) methods have outperformed conventional ML techniques, particularly for anomaly prediction. Despite demonstrating immense promise in transitioning to Artificial Intelligence (AI), such models are generally black-boxes that cannot provide rationales behind their predictions, hampering the ability of turbine operators to rely on automated decision making. We aim to help combat this challenge by providing a novel perspective on Explainable AI (XAI) for trustworthy decision support.This thesis revolves around three key strands of XAI – DL, Natural Language Generation (NLG) and Knowledge Graphs (KGs), which are investigated by utilising data from an operational turbine. We leverage DL and NLG to predict incipient faults and alarm events in the turbine in natural language as well as generate human-intelligible O&M strategies to assist engineers in fixing/averting the faults. We also propose specialised DL models which can predict causal relationships in SCADA features as well as quantify the importance of vital parameters leading to failures. The thesis finally culminates with an interactive Question- Answering (QA) system for automated reasoning that leverages multimodal domain-specific information from a KG, facilitating engineers to retrieve O&M strategies with natural language questions. By helping make turbines more reliable, we envisage wider adoption of wind energy sources towards tackling climate change

Reliability Models and Failure Detection Algorithms for Wind Turbines

Durante las pasadas décadas, la industria eólica ha sufrido un crecimiento muysignificativo en Europa llevando a la generación eólica al puesto más relevanteen cuanto a producción energética mediante fuentes renovables. Sin embargo, siconsideramos los aspectos económicos, el sector eólico todavía no ha alcanzadoel nivel competitivo necesario para batir a los sistemas de generación de energíaconvencionales.Los costes principales en la explotación de parques eólicos se asignan a lasactividades relacionadas con la Operación y Mantenimiento (O&M). Esto se debeal hecho de que, en la actualidad, la Operación y Mantenimiento está basadaprincipalmente en acciones correctivas o preventivas. Por tanto, el uso de técnicaspredictivas podría reducir de forma significativa los costes relacionados con lasactividades de mantenimiento mejorando así los beneficios globales de la explotaciónde los parques eólicos.Aunque los beneficios del mantenimiento predictivo se consideran cada díamás importantes, existen todavía la necesidad de investigar y explorar dichastécnicas. Modelos de fiabilidad avanzados y algoritmos de predicción de fallospueden facilitar a los operadores la detección anticipada de fallos de componentesen los aerogeneradores y, en base a ello, adaptar sus estrategias de mantenimiento.Hasta la fecha, los modelos de fiabilidad de turbinas eólicas se basan, casiexclusivamente, en la edad de la turbina. Esto es así porque fueron desarrolladosoriginalmente para máquinas que trabajan en entornos ‘amigables’, por ejemplo, enel interior de naves industriales. Los aerogeneradores, al contrario, están expuestosa condiciones ambientales altamente variables y, por tanto, los modelos clásicosde fiabilidad no reflejan la realidad con suficiente precisión. Es necesario, portanto, desarrollar nuevos modelos de fiabilidad que sean capaces de reproducir el comportamiento de los fallos de las turbinas eólicas y sus componentes, teniendoen cuenta las condiciones meteorológicas y operacionales en su emplazamiento.La predicción de fallos se realiza habitualmente utilizando datos que se obtienendel sistema de Supervisión Control y Adquisición de Datos (SCADA) o de Sistemasde Monitorización de Condición (CMS). Cabe destacar que en turbinas eólicasmodernas conviven ambos tipos de sistemas y la fusión de ambas fuentes de datospuede mejorar significativamente la detección de fallos. Esta tesis pretende mejorarlas prácticas actuales de Operación y Mantenimiento mediante: (1) el desarrollo demodelos avanzados de fiabilidad y detección de fallos basados en datos que incluyanlas condiciones ambientales y operacionales existentes en los parques eólicos y (2)la aplicación de nuevos algoritmos de detección de fallos que usen las condicionesambientales y operacionales del emplazamiento, así como datos procedentes tantode sistemas SCADA como CMS. Estos dos objetivos se han dividido en cuatrotareas.En la primera tarea se ha realizado un análisis exhaustivo tanto de los fallosproducidos en un amplio conjunto de aerogeneradores (amplio en número de turbinasy en longitud de los registros) como de sus tiempos de parada asociados. De estaforma, se han visualizado los componentes que más fallan en función de la tecnologíadel aerogenerador, así como sus modos de fallo. Esta información es vital para eldesarrollo posterior de modelos de fiabilidad y mantenimiento.En segundo lugar, se han investigado las condiciones meteorológicas previasa sucesos con fallos de los principales componentes de los aerogeneradores. Seha desarrollado un entorno de aprendizaje basado en datos utilizando técnicas deagrupamiento ‘k-means clustering’ y reglas de asociación ‘a priori’. Este entorno escapaz de manejar grandes cantidades de datos proporcionando resultados útiles yfácilmente visualizables. Adicionalmente, se han aplicado algoritmos de detecciónde anomalías y patrones para encontrar cambios abruptos y patrones recurrentesen la serie temporal de la velocidad del viento en momentos previos a los fallosde los componentes principales de los aerogeneradores. En la tercera tarea, sepropone un nuevo modelo de fiabilidad que incorpora directamente las condicionesmeteorológicas registradas durante los dos meses previos al fallo. El modelo usados procesos estadísticos separados, uno genera los sucesos de fallos, así comoceros ocasionales mientras que el otro genera los ceros estructurales necesarios paralos algoritmos de cálculo. Los posibles efectos no observados (heterogeneidad) en el parque eólico se tienen en cuenta de forma adicional. Para evitar problemas de‘over-fitting’ y multicolinearidades, se utilizan sofisticadas técnicas de regularización.Finalmente, la capacidad del modelo se verifica usando datos históricos de fallosy lecturas meteorológicas obtenidas en los mástiles meteorológicos de los parqueseólicos.En la última tarea se han desarrollado algoritmos de predicción basados encondiciones meteorológicas y en datos operacionales y de vibraciones. Se ha‘entrenado’ una red de Bayes, para predecir los fallos de componentes en unparque eólico, basada fundamentalmente en las condiciones meteorológicas delemplazamiento. Posteriormente, se introduce una metodología para fusionar datosde vibraciones obtenidos del CMS con datos obtenidos del sistema SCADA, conel objetivo de analizar las relaciones entre ambas fuentes. Estos datos se hanutilizado para la predicción de fallos en el eje principal utilizando varios algoritmosde inteligencia artificial, ‘random forests’, ‘gradient boosting machines’, modelosgeneralizados lineales y redes neuronales artificiales. Además, se ha desarrolladouna herramienta para la evaluación on-line de los datos de vibraciones (CMS)denominada DAVE (‘Distance Based Automated Vibration Evaluation’).Los resultados de esta tesis demuestran que el comportamiento de los fallos delos componentes de aerogeneradores está altamente influenciado por las condicionesmeteorológicas del emplazamiento. El entorno de aprendizaje basado en datos escapaz de identificar las condiciones generales y temporales específicas previas alos fallos de componentes. Además, se ha demostrado que, con los modelos defiabilidad y algoritmos de detección propuestos, la Operación y Mantenimiento delas turbinas eólicas puede mejorarse significativamente. Estos modelos de fiabilidady de detección de fallos son los primeros que proporcionan una representaciónrealística y específica del emplazamiento, al considerar combinaciones complejasde las condiciones ambientales, así como indicadores operacionales y de estadode operación obtenidos a partir de la fusión de datos de vibraciones CMS y datosdel SCADA. Por tanto, este trabajo proporciona entornos prácticos, modelos yalgoritmos que se podrán aplicar en el campo del mantenimiento predictivo deturbinas eólicas.<br /

On the use of context information for an improved application of data-based algorithms in condition monitoring

xi, 124 p.En el campo de la monitorización de la condición, los algoritmos basados en datos cuentan con un amplio recorrido. Desde el uso de los gráficos de control de calidad que se llevan empleando durante casi un siglo a técnicas de mayor complejidad como las redes neuronales o máquinas de soporte vectorial que se emplean para detección, diagnóstico y estimación de vida remanente de los equipos. Sin embargo, la puesta en producción de los algoritmos de monitorización requiere de un estudio exhaustivo de un factor que es a menudo obviado por otros trabajos de la literatura: el contexto. El contexto, que en este trabajo es considerado como el conjunto de factores que influencian la monitorización de un bien, tiene un gran impacto en la algoritmia de monitorización y su aplicación final. Por este motivo, es el objeto de estudio de esta tesis en la que se han analizado tres casos de uso. Se ha profundizado en sus respectivos contextos, tratando de generalizar a la problemática habitual en la monitorización de maquinaria industrial, y se ha abordado dicha problemática de monitorización de forma que solucionen el contexto en lugar de cada caso de uso. Así, el conocimiento adquirido durante el desarrollo de las soluciones puede ser transferido a otros casos de uso que cuenten con contextos similares

NOVELTY DETECTION FOR PREDICTIVE MAINTENANCE

Since the advent of Industry 4. 0 significant research has been conducted to apply machine learning to the vast array of Internet of Things (IoT) data produced by Industrial Machines. One such topic is to Predictive Maintenance. Unlike some other machine learning domains such as NLP and computer vision, Predictive Maintenance is a relatively new area of focus. Most of the published work demonstrates the effectiveness of supervised classification for predictive maintenance. Some of the challenges highlighted in the literature are the cost and difficulty of obtaining labelled samples for training. Novelty detection is a branch of machine learning that after being trained on normal operations detects if new data comes from the same process or is different, eliminating the requirement to label data points. This thesis applies novelty detection to both a public data set and one that was specifically collected to demonstrate a its application to predictive maintenance. The Local Optimization Factor showed better performance than a One-Class SVM on the public data. It was then applied to data from a 3-D printer and was able to detect faults it had not been trained on showing a slight lift from a random classifier

On the use of context information for an improved application of data-based algorithms in condition monitoring

xi, 124 p.En el campo de la monitorización de la condición, los algoritmos basados en datos cuentan con un amplio recorrido. Desde el uso de los gráficos de control de calidad que se llevan empleando durante casi un siglo a técnicas de mayor complejidad como las redes neuronales o máquinas de soporte vectorial que se emplean para detección, diagnóstico y estimación de vida remanente de los equipos. Sin embargo, la puesta en producción de los algoritmos de monitorización requiere de un estudio exhaustivo de un factor que es a menudo obviado por otros trabajos de la literatura: el contexto. El contexto, que en este trabajo es considerado como el conjunto de factores que influencian la monitorización de un bien, tiene un gran impacto en la algoritmia de monitorización y su aplicación final. Por este motivo, es el objeto de estudio de esta tesis en la que se han analizado tres casos de uso. Se ha profundizado en sus respectivos contextos, tratando de generalizar a la problemática habitual en la monitorización de maquinaria industrial, y se ha abordado dicha problemática de monitorización de forma que solucionen el contexto en lugar de cada caso de uso. Así, el conocimiento adquirido durante el desarrollo de las soluciones puede ser transferido a otros casos de uso que cuenten con contextos similares

Use of advanced analytics for health estimation and failure prediction in wind turbines

Tesi en modalitat de tesi per compendiThe energy sector has undergone drastic changes and critical revolutions in the last few decades. Renewable energy sources have grown significantly, now representing a sizeable share of the energy production mix. Wind energy has seen increasing rate of adoptions, being one of the more convenient and sustainable mean of producing energy. Research and innovation have helped greatly in driving down production and operation costs of wind energy, yet important challenges still remain open. This thesis addresses predictive maintenance and monitoring of wind turbines, aiming to present predictive frameworks designed with the necessities of the industry in mind. More concretely: interpretability, scalability, modularity and reliability of the predictions are the objectives —together with limited data requirements— of this project. Of all the available data at the disposal of wind turbine operators, SCADA is the principal source of information utilized in this research, due to its wide availability and low cost. Ensemble models played an important role in the development of the presented predictive frameworks thanks to their modular nature which allows to combine very diverse algorithms and data types. Important insights gained from these experiments are the beneficial effect of combining multiple and diverse sources of data —for example SCADA and alarms logs—, the easiness of combining different algorithms and indicators, and the noticeable gain in predicting performance that it can provide. Finally, given the central role that SCADA data plays in this thesis, but also in the wind energy industry, a detailed analysis of the limitations and shortcomings of SCADA data is presented. In particular, the ef- fect of data aggregation —a common practice in the wind industry— is determined developing a methodological framework that has been used to study high–frequency SCADA data. This lead to the conclusion that typical aggregation periods, i.e. 5–10 minutes that are the standard in wind energy industry are not able to capture and maintain the information content of fast–changing signals, such as wind and electrical measurements.El sector energètic ha experimentat importants canvis i revolucions en les últimes dècades. Les fonts d’energia renovables han crescut significativament, i ara representen una part important en el conjunt de generació. L’energia eòlica ha augmentat significativament, convertint-se en una de les millors alternatives per produir energia verda. La recerca i la innovació ha ajudat a reduir considerablement els costos de producció i operació de l’energia eòlica, però encara hi ha oberts reptes importants. Aquesta tesi aborda el manteniment predictiu i el seguiment d’aerogeneradors, amb l’objectiu de presentar solucions d’algoritmes de predicció dissenyats tenint en compte les necessitats de la indústria. Més concretament conceptes com, la interpretabilitat, escalabilitat, modularitat i fiabilitat de les prediccions ho són els objectius, juntament amb els requisits limitats per les de dades disponibles d’aquest projecte. De totes les dades disponibles a disposició dels operadors d’aerogeneradors, les dades del sistema SCADA són la principal font d’informació utilitzada en aquest projecte, per la seva àmplia disponibilitat i baix cost. En el present treball, els models de conjunt tenen un paper important en el desenvolupament dels marcs predictius presentats gràcies al seu caràcter modular que permet l’ús d’algoritmes i tipus de dades molt diversos. Resultats importants obtinguts d’aquests experiments són l’efecte beneficiós de combinar múltiples i diverses fonts de dades, per exemple, SCADA i dades d’alarmes, la facilitat de combinar diferents algorismes i indicadors i el notable guany en predir el rendiment que es pot oferir. Finalment, donat el paper central que SCADA l’anàlisi de dades juga en aquesta tesi, però també en la indústria de l’energia eòlica, una anàlisi detallada de la es presenten les limitacions i les mancances de les dades SCADA. En particular es va estudiar l’efecte de l’agregació de dades -una pràctica habitual en la indústria eòlica-. Dins d’aquest treball es proposa un marc metodològic que s’ha utilitzat per estudiar dades SCADA d’alta freqüència. Això va portar a la conclusió que els períodes d’agregació típics, de 5 a 10 minuts que són l’estàndard a la indústria de l’energia eòlica, no són capaços de capturar i mantenir el contingut d’informació de senyals que canvien ràpidament, com ara mesures eòliques i elèctriquesPostprint (published version

Maintenance Management of Wind Turbines

“Maintenance Management of Wind Turbines” considers the main concepts and the state-of-the-art, as well as advances and case studies on this topic. Maintenance is a critical variable in industry in order to reach competitiveness. It is the most important variable, together with operations, in the wind energy industry. Therefore, the correct management of corrective, predictive and preventive politics in any wind turbine is required. The content also considers original research works that focus on content that is complementary to other sub-disciplines, such as economics, finance, marketing, decision and risk analysis, engineering, etc., in the maintenance management of wind turbines. This book focuses on real case studies. These case studies concern topics such as failure detection and diagnosis, fault trees and subdisciplines (e.g., FMECA, FMEA, etc.) Most of them link these topics with financial, schedule, resources, downtimes, etc., in order to increase productivity, profitability, maintainability, reliability, safety, availability, and reduce costs and downtime, etc., in a wind turbine. Advances in mathematics, models, computational techniques, dynamic analysis, etc., are employed in analytics in maintenance management in this book. Finally, the book considers computational techniques, dynamic analysis, probabilistic methods, and mathematical optimization techniques that are expertly blended to support the analysis of multi-criteria decision-making problems with defined constraints and requirements

Wind turbine drivetrains:State-of-the-art technologies and future development trends

This paper presents the state-of-the-art technologies and development trends of wind turbine drivetrains – the system that converts kinetic energy of the wind to electrical energy – in different stages of their life cycle: design, manufacturing, installation, operation, lifetime extension, decommissioning and recycling. Offshore development and digitalization are also a focal point in this study. Drivetrain in this context includes the whole power conversion system: main bearing, shafts, gearbox, generator and power converter. The main aim of this article is to review the drivetrain technology development as well as to identify future challenges and research gaps. The main challenges in drivetrain research identified in this paper include drivetrain dynamic responses in large or floating turbines, aerodynamic and farm control effects, use of rare-earth material in generators, improving reliability through prognostics, and use of advances in digitalization. These challenges illustrate the multidisciplinary aspect of wind turbine drivetrains, which emphasizes the need for more interdisciplinary research and collaboration

30th International Conference on Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management (COMADEM 2017)

Proceedings of COMADEM 201