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 /

Predicting the Number of Future Events

This paper describes prediction methods for the number of future events from a population of units associated with an on-going time-to-event process. Examples include the prediction of warranty returns and the prediction of the number of future product failures that could cause serious threats to property or life. Important decisions such as whether a product recall should be mandated are often based on such predictions. Data, generally right-censored (and sometimes left truncated and right-censored), are used to estimate the parameters of a time-to-event distribution. This distribution can then be used to predict the number of events over future periods of time. Such predictions are sometimes called within-sample predictions and differ from other prediction problems considered in most of the prediction literature. This paper shows that the plug-in (also known as estimative or naive) prediction method is not asymptotically correct (i.e., for large amounts of data, the coverage probability always fails to converge to the nominal confidence level). However, a commonly used prediction calibration method is shown to be asymptotically correct for within-sample predictions, and two alternative predictive-distributionbased methods that perform better than the calibration method are presented and justified

ISBIS 2016: Meeting on Statistics in Business and Industry

This Book includes the abstracts of the talks presented at the 2016 International Symposium on Business and Industrial Statistics, held at Barcelona, June 8-10, 2016, hosted at the Universitat Politècnica de Catalunya - Barcelona TECH, by the Department of Statistics and Operations Research. The location of the meeting was at ETSEIB Building (Escola Tecnica Superior d'Enginyeria Industrial) at Avda Diagonal 647. The meeting organizers celebrated the continued success of ISBIS and ENBIS society, and the meeting draw together the international community of statisticians, both academics and industry professionals, who share the goal of making statistics the foundation for decision making in business and related applications. The Scientific Program Committee was constituted by: David Banks, Duke University Amílcar Oliveira, DCeT - Universidade Aberta and CEAUL Teresa A. Oliveira, DCeT - Universidade Aberta and CEAUL Nalini Ravishankar, University of Connecticut Xavier Tort Martorell, Universitat Politécnica de Catalunya, Barcelona TECH Martina Vandebroek, KU Leuven Vincenzo Esposito Vinzi, ESSEC Business Schoo

Addressing Complexity and Intelligence in Systems Dependability Evaluation

Engineering and computing systems are increasingly complex, intelligent, and open adaptive. When it comes to the dependability evaluation of such systems, there are certain challenges posed by the characteristics of “complexity” and “intelligence”. The first aspect of complexity is the dependability modelling of large systems with many interconnected components and dynamic behaviours such as Priority, Sequencing and Repairs. To address this, the thesis proposes a novel hierarchical solution to dynamic fault tree analysis using Semi-Markov Processes. A second aspect of complexity is the environmental conditions that may impact dependability and their modelling. For instance, weather and logistics can influence maintenance actions and hence dependability of an offshore wind farm. The thesis proposes a semi-Markov-based maintenance model called “Butterfly Maintenance Model (BMM)” to model this complexity and accommodate it in dependability evaluation. A third aspect of complexity is the open nature of system of systems like swarms of drones which makes complete design-time dependability analysis infeasible. To address this aspect, the thesis proposes a dynamic dependability evaluation method using Fault Trees and Markov-Models at runtime.The challenge of “intelligence” arises because Machine Learning (ML) components do not exhibit programmed behaviour; their behaviour is learned from data. However, in traditional dependability analysis, systems are assumed to be programmed or designed. When a system has learned from data, then a distributional shift of operational data from training data may cause ML to behave incorrectly, e.g., misclassify objects. To address this, a new approach called SafeML is developed that uses statistical distance measures for monitoring the performance of ML against such distributional shifts. The thesis develops the proposed models, and evaluates them on case studies, highlighting improvements to the state-of-the-art, limitations and future work

Predictive Maintenance of an External Gear Pump using Machine Learning Algorithms

The importance of Predictive Maintenance is critical for engineering industries, such as manufacturing, aerospace and energy. Unexpected failures cause unpredictable downtime, which can be disruptive and high costs due to reduced productivity. This forces industries to ensure the reliability of their equip-ment. In order to increase the reliability of equipment, maintenance actions, such as repairs, replacements, equipment updates, and corrective actions are employed. These actions affect the flexibility, quality of operation and manu-facturing time. It is therefore essential to plan maintenance before failure occurs.Traditional maintenance techniques rely on checks conducted routinely based on running hours of the machine. The drawback of this approach is that maintenance is sometimes performed before it is required. Therefore, conducting maintenance based on the actual condition of the equipment is the optimal solu-tion. This requires collecting real-time data on the condition of the equipment, using sensors (to detect events and send information to computer processor).Predictive Maintenance uses these types of techniques or analytics to inform about the current, and future state of the equipment. In the last decade, with the introduction of the Internet of Things (IoT), Machine Learning (ML), cloud computing and Big Data Analytics, manufacturing industry has moved forward towards implementing Predictive Maintenance, resulting in increased uptime and quality control, optimisation of maintenance routes, improved worker safety and greater productivity.The present thesis describes a novel computational strategy of Predictive Maintenance (fault diagnosis and fault prognosis) with ML and Deep Learning applications for an FG304 series external gear pump, also known as a domino pump. In the absence of a comprehensive set of experimental data, synthetic data generation techniques are implemented for Predictive Maintenance by perturbing the frequency content of time series generated using High-Fidelity computational techniques. In addition, various types of feature extraction methods considered to extract most discriminatory informations from the data. For fault diagnosis, three types of ML classification algorithms are employed, namely Multilayer Perceptron (MLP), Support Vector Machine (SVM) and Naive Bayes (NB) algorithms. For prognosis, ML regression algorithms, such as MLP and SVM, are utilised. Although significant work has been reported by previous authors, it remains difficult to optimise the choice of hyper-parameters (important parameters whose value is used to control the learning process) for each specific ML algorithm. For instance, the type of SVM kernel function or the selection of the MLP activation function and the optimum number of hidden layers (and neurons).It is widely understood that the reliability of ML algorithms is strongly depen-dent upon the existence of a sufficiently large quantity of high-quality training data. In the present thesis, due to the unavailability of experimental data, a novel high-fidelity in-silico dataset is generated via a Computational Fluid Dynamic (CFD) model, which has been used for the training of the underlying ML metamodel. In addition, a large number of scenarios are recreated, ranging from healthy to faulty ones (e.g. clogging, radial gap variations, axial gap variations, viscosity variations, speed variations). Furthermore, the high-fidelity dataset is re-enacted by using degradation functions to predict the remaining useful life (fault prognosis) of an external gear pump.The thesis explores and compares the performance of MLP, SVM and NB algo-rithms for fault diagnosis and MLP and SVM for fault prognosis. In order to enable fast training and reliable testing of the MLP algorithm, some predefined network architectures, like 2n neurons per hidden layer, are used to speed up the identification of the precise number of neurons (shown to be useful when the sample data set is sufficiently large). Finally, a series of benchmark tests are presented, enabling to conclude that for fault diagnosis, the use of wavelet features and a MLP algorithm can provide the best accuracy, and the MLP al-gorithm provides the best prediction results for fault prognosis. In addition, benchmark examples are simulated to demonstrate the mesh convergence for the CFD model whereas, quantification analysis and noise influence on training data are performed for ML algorithms