KR20220089853A - Method for Failure prediction and prognostics and health management of renewable energy generation facilities using machine learning technology - Google Patents

Method for Failure prediction and prognostics and health management of renewable energy generation facilities using machine learning technology Download PDF

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KR20220089853A
KR20220089853A KR1020200180460A KR20200180460A KR20220089853A KR 20220089853 A KR20220089853 A KR 20220089853A KR 1020200180460 A KR1020200180460 A KR 1020200180460A KR 20200180460 A KR20200180460 A KR 20200180460A KR 20220089853 A KR20220089853 A KR 20220089853A
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유승무
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Abstract

본 발명은 머신러닝 기술을 활용한 신재생에너지 발전설비의 고장예지 및 건전성관리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a failure prediction and soundness management method of a renewable energy power generation facility using machine learning technology.

Description

머신러닝 기술을 활용한 신재생에너지 발전설비의 고장예지 및 건전성관리 방법 {Method for Failure prediction and prognostics and health management of renewable energy generation facilities using machine learning technology}{Method for Failure prediction and prognostics and health management of renewable energy generation facilities using machine learning technology}

본 발명은 발명의 명칭에서 언급된 기술 분야에 관한 것이며, 기술이 응용되어 다른 분야에도 적용이 가능하다면, 본 발명의 기술 분야는 그러한 응용 기술 분야에도 확장하여 적용할 수 있다.The present invention relates to the technical field mentioned in the title of the invention, and if the technology is applied and can be applied to other fields, the technical field of the present invention can be extended and applied to such an applied technology field.

태양광, 풍력, 소수력 등 다양한 신재생에너지 설비가 민간과 정부 지원으로 보급되고 있는 가운데 장비의 내구성 및 안전성에 대한 사회적인 우려가 높아지고 있음As various new and renewable energy facilities such as solar power, wind power, and small hydro power are being distributed with private and government support, social concerns about the durability and safety of equipment are growing.

현재에도 전국적으로 보급된 또는 보급되고 있는 신재생에너지 시스템은 단순 고장, 부품 교체로 인한 유지보수 비용이 급증하였으며 운용 미숙으로 지역 피해(산사태, 오염 등)로 설치된 지역의 주민과 끊임없는 마찰이 있어 왔으며, 화재·태풍·폭우 등의 천재지변 인한 인명/재산 피해사례가 끊이지 않아 신재생에너지의 장점 보다는 단점이 많이 부각되어 이는 기업의 경제적인 손실뿐만 아니라 신재생에너지의 보급에 장애로 나타남Renewable energy systems that have been disseminated or disseminated nationwide have increased maintenance costs due to simple breakdowns and replacement of parts. Since the number of cases of damage to human life/property due to natural disasters such as fire, typhoon, and heavy rain has continued, the disadvantages of new and renewable energy have been highlighted more than the advantages.

신재생 에너지 시스템의 운영에 있어 IoT 네트워크와 AI 알고리즘 분석을 이용 시스템 상태에 대한 사전 진단, 파악, 정비 및 이를 통한 유지보수 비용의 절감, 사전 사고 예방할 수 있는 시스템의 도입이 절실함 In the operation of new and renewable energy systems, it is urgent to introduce a system that can use IoT network and AI algorithm analysis to diagnose, identify, and maintain the system status in advance, reduce maintenance costs and prevent accidents in advance.

발명의 배경이 되는 기술과 이의 상세한 설명은 발명을 실시하기 위한 구성에서 함께 설명된다. 본 명세서는 특허청구범위유예제도를 활용하여 제출되는 것으로 발명의 배경이 되는 기술과 본 발명을 향후 더 명확하게 구분하기 위하여, 발명의 배경이 되는 내용을 발명의 실시하기 위한 구체적인 내용에 포함하여 기술한다.The technology underlying the invention and its detailed description are set forth together in the configuration for carrying out the invention. This specification is submitted by utilizing the claim deferral system, and in order to more clearly distinguish the present invention from the technology that is the background of the invention in the future, the content that is the background of the invention is included in the detailed content for carrying out the invention do.

본 발명은 상기된 문제들을 해결할 수 있는 기술이나 기술이 담긴 시스템, 기술을 이용한 방법 등을 제공하는 데에 있다. 이것은 제공되는 기술 뿐만 아니라, 이 기술을 활용하여 적용되는 다양한 응용 방법, 제공 되는 기술을 활용한 다양한 완제품을 포함할 수 있다.An object of the present invention is to provide a technology capable of solving the above problems, a system containing the technology, a method using the technology, and the like. This may include not only the provided technology, but also various application methods applied by utilizing this technology, and various finished products utilizing the provided technology.

본 명세서는 특허청구범위유예제도를 활용하여 제출되는 것으로 기술을 해결하는 수단에 대한 구체적인 청구항을 기재하지는 않는다. 따라서 과제의 해결 수단은 본 명세서의 기재 내용과 도면을 참고하여 해석될 수 있는 다양한 해결 수단 방법을 포함한다.This specification is submitted using the claim deferral system and does not describe specific claims for means of solving the technology. Accordingly, the means for solving the problems include various means for solving the problems that can be interpreted with reference to the description and drawings of the present specification.

본 발명은 따라서 언급된 문제들을 해결하는 수단으로 제시될 수 있다. 이러한 효과는 기술의 구현에 따라 실시하였을 때에 얻어지는 효과이나, 같은 기술을 반복하였을 때에 아직 발견하지 못하는 효과에 대해 추가적으로 더 논의할 수 있다. 효과의 추가는 본 기술 구성이 최초 명세서에 기재된 내용을 바탕으로 실시 하였을 때에 나타나는 효과인 경우에는 별도의 신규사항 추가로 볼 수 없다.The present invention can thus be presented as a means of solving the problems mentioned. Such an effect is an effect obtained when the technique is implemented according to the implementation of the technique, but an effect that has not yet been discovered when the same technique is repeated can be further discussed. The addition of an effect cannot be viewed as a separate addition of a new matter if it is an effect that appears when the technical composition is implemented based on the contents described in the first specification.

첨부되는 도면은 본 기술을 해석하기 위해 참고되는 것이다. 도면에는 도시되는 기술의 내용은 비록 서술되지 않더라도 본 명세서에 기재된 것으로 볼 수 있다. 도면에만 기재된 내용을 바탕으로 추후, 구체적인 내용을 추가하는 경우에는 신규사항의 추가에 해당하지 않는다.The accompanying drawings are referred to for interpreting the present technology. Although the content of the technology shown in the drawings is not described, it can be seen as described in the present specification. If specific content is added later based on the content described only in the drawings, it does not correspond to the addition of new matters.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 설명한다. Hereinafter, embodiments disclosed in the present specification will be described with reference to the accompanying drawings.

특히, 도면부호가 없는 경우라도 명세서상의 설명에서 유추할 수 있는 구성요소들은 문언적으로 기재된 내용에 따라 해석될 수 있다.In particular, even in the absence of reference numerals, components that can be inferred from the description in the specification may be interpreted according to the textual description.

당업자의 수준에서 사용되는 단어일지라도, 실제의 기능과 역할을 정확히 반영하지 못하여 자칫 잘못 사용되는 경우가 있을 수 있다. 이 경우 명세서 상에 통일적으로 기재된 내용을 바탕으로 유추하여 실질적으로 발명자가 의도하는 바에 따라 해석되는 것이 원칙이며, 반드시 문언 자체의 한정에만 국한하여 해석될 필요는 없으며, 명칭이나 기능 등의 해석에 따라서는 전체적인 내용을 참조하여 보다 유연하게 판단하여야 한다.Even if the word is used at the level of those skilled in the art, it may not be used incorrectly because it does not accurately reflect the actual function and role. In this case, it is a principle to be interpreted according to the intention of the inventor by analogy based on the content uniformly described in the specification. should be judged more flexibly by referring to the overall content.

첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Embodiments disclosed herein will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. The suffixes "module" and "part" for components used in the following description are given or mixed in consideration of only the ease of writing the specification, and do not have distinct meanings or roles by themselves. In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical idea disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention , should be understood to include equivalents or substitutes.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When an element is referred to as being “connected” or “connected” to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Also, throughout this specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

본 발명은 본 발명의 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements.

I. 시스템의 개요I. Overview of the system

현재 전남 완도 지역에 소수력 발전 시스템 설비를 구축, 현재 운영 중에 있으며 이번 과제의 테스트베드로 진행되어짐. 아진수산은 위치에너지 38.2J, 가능낙차 5.4m로 소수력 발전설비에 적합함. IoT 센서(온도, 진동, 유량, RPM)를 설치하여 소수력 발전 장비의 상태 데이터를 Modbus프로토콜(485 또는 Ethernet)을 통해 HEMS(Hydro Electricity Managements System)에서 수집. Currently, a small hydro power system facility has been built in Wando, Jeollanam-do, and is currently in operation, and it is being conducted as a test bed for this project. Ajinsan has a potential energy of 38.2J and a possible fall of 5.4m, making it suitable for small hydro power facilities. By installing IoT sensors (temperature, vibration, flow rate, RPM), state data of small hydro power generation equipment is collected from HEMS (Hydro Electricity Managements System) through Modbus protocol (485 or Ethernet).

도 1을 참조하면, VPP(Virtual Power Plant)는 IoT를 활용한 센서 네트워크, IoT를 통한 방대한 양의 에너지, 환경 데이터의 수집을 통해 빅데이터를 완성하고 이를 토대로 AI 기반 기술과 통합 플랫폼 기술을 융합하여 최적의 발전 환경을 도출하고 발생할 수 있는 모든 위험요소와 장애요소를 예지 및 제거하여 발전소 운영 리스크를 없애는데 그 목적이 있음. 또한, 태양광, 풍력, 소수력 등 신재생 발전설비의 디지털 트윈(Digital Twin) 기술을 이용하여 각 지역의 신재생에너지 발전소를 통합 운영 관리할 수 있음Referring to FIG. 1 , VPP (Virtual Power Plant) completes big data by collecting a large amount of energy and environmental data through a sensor network using IoT and IoT, and converges AI-based technology and integrated platform technology based on this. The purpose is to derive the optimal power generation environment and to eliminate the power plant operation risk by foreseeing and removing all possible risk factors and obstacles. In addition, by using the digital twin technology of renewable power generation facilities such as solar power, wind power, and small hydro power, it is possible to integrate operation and management of new and renewable energy power plants in each region.

가상발전소와 디지털트윈 기술을 기반으로 한 방대한 양의 데이터를 통해 AI 기반 건전성 유지 관리(PHM: Prognostics and Health Management) 시스템을 설계 개발하여 신재생 발전설비에 적용 상태기반정비(CBM : Condition-Based Maintenance)를 하고자 함Designing and developing an AI-based Prognostics and Health Management (PHM) system through a vast amount of data based on virtual power plants and digital twin technology and applied to new and renewable power generation facilities Condition-Based Maintenance (CBM) ) want to

1. PHM(Prognostics and Health Management) 기술 구현1. Implementation of Prognostics and Health Management (PHM) technology

도 2를 참조하면, 고장 예지 및 건전성 관리 기술이란, 각종 센서를 이용하여 장비나 환경 데이터를 모니터링하고 고장의 징후를 포착하는 진단기술(Diagnostics)과 잔여유효수명(RUL : Remaining Useful Life)의 예측 및 효과적인 건전성관리 기술을 지칭함. 고장 진단의 경우 센서기술과 IoT 기술의 발전에 따라 산업현장에서도 도 적용되고 있으나 성능저하가 이미 어느 정도 진행이 되어 충분한 상태변화가 발생하였을 경우에 감지되는 것이 일반적이므로 효용성의 한계가 있음. 이를 보완하고자 현재 상태를 통해 기계장비나 시스템의 잔여유효수명을 예측하는 예지기술(Prognostics)에 대한 연구가 이루어지고 있으며 수명을 추정하는 방법에 따라 크게 두 가지 방법으로 나눌 수 있음. 데이터기반 방법(Data-Driven Approach)은 기계학습 기법을 이용, 하중(Input) 대비 손상(Damage)의 관계를 훈련시킨 뒤 미래 고장을 예측하는 모델임. 물리 모델 기반방법의 경우 적용대상에 따라 물리적 모델이 달라지지만 보다 장기적인 손상의 거동에 대하여 비교적 정확한 예측이 가능함. 이때 물리적 모델은 반드시 검증이 필요하며 그 방법에는 통계적 가설검정(Dypothesis Test)이나 베이지안 기법(Dayesian Method) 등의 통계적 방법을 이용 Referring to FIG. 2 , the failure prediction and soundness management technology is a diagnostic technology that monitors equipment or environmental data using various sensors and captures signs of failure and prediction of Remaining Useful Life (RUL) and effective prudential management techniques. In the case of fault diagnosis, it is also applied in industrial fields according to the development of sensor technology and IoT technology, but there is a limit to its usefulness because it is usually detected when a sufficient state change occurs due to the deterioration of performance already progressing to a certain extent. To supplement this, research on predictive technology that predicts the remaining useful life of mechanical equipment or systems based on the current state is being conducted, and it can be divided into two main methods according to the method of estimating the lifespan. Data-Driven Approach is a model that predicts future failures after training the relationship between input and damage using machine learning techniques. In the case of the physical model-based method, although the physical model varies depending on the application target, it is possible to predict relatively accurately the long-term damage behavior. At this time, the physical model must be verified, and statistical methods such as the statistical hypothesis test or the Dayesian method are used for the method.

2. CBM(Condition-Based Maintenance) 기술 구현2. Implementation of CBM (Condition-Based Maintenance) technology

고장예지 및 건전성 관리기술(PHM)을 활용하여 발전설비 및 시스템의 잔여유효수명 예측이 가능해지면 이를 통해 작업자가 접근이 어려운 상황에서도 사고, 위험요소, 고장들을 미리 예방하고 신속한 대응이 가능하게 됨. 특히, 발전설비의 가동 중단으로 인한 유지보수 비용의 증가와 막대한 손실비용은 치명적일 수 있음When it becomes possible to predict the remaining useful life of power generation facilities and systems by using failure prediction and soundness management technology (PHM), accidents, risk factors, and failures can be prevented in advance and prompt response is possible even in situations where it is difficult for workers to access. In particular, the increase in maintenance costs and huge losses due to the shutdown of power generation facilities can be fatal.

CBM의 유지보수는 그림 6와 같이 실시간 상태 모니터링, 빅데이터 처리, 정비시기 및 범위결정의 세단계로 나눌 수 있음. IoT를 통한 모든 생산설비와 제품의 상태를 실시간으로 모니터링 하고 신호 처리, 기계학습, 통계분석 등의 빅데이터 처리 기법을 통해 적절한 건전성 지표(Health Index)를 추출(Extraction)한 뒤 고장예지(Prognostics) 기법을 활용해 잔여유효수명(RUL)을 예측하고 최적의 정비 주기와 범위를 결정할 수 있음. 이를 통해 사용자로 하여금 전반적인 건전성 관리(Health Management)를 가능케 함CBM maintenance can be divided into three stages: real-time condition monitoring, big data processing, and maintenance timing and scope determination as shown in Figure 6. Monitoring the status of all production facilities and products in real time through IoT, extracting an appropriate health index through big data processing techniques such as signal processing, machine learning, and statistical analysis, and then predicting failures (Prognostics) Techniques can be used to predict the remaining useful life (RUL) and determine the optimal maintenance interval and extent. This enables users to manage overall health (Health Management)

상태기반 정비를 수행하고자 하는 시스템에 따라 측정 변수나 적용 진단 기술 등이 달라질 수 있음. 고장 진단 및 예지기술의 방법으로는 실시간 모니터링이 되지 않는 경험기반 방법을 제외하고 나면 데이터기반 방법과 모델기반 방법의 두 가지 방향이 존재함. 데이터기반 방법의 경우에는 물리적 모델을 만들기 어려운 대상에 대한 고장 진단 및 예지를 하고자 할 때 사용될 수 있으며 이 경우 신뢰할 수 있는 훈련 데이터(Training Data)를 얻는 것이 중요하므로 유지보수전략을 계획함에 있어 장비 초기 설치 후 최대한 많은 데이터를 취득하는 과정이 고려되어야 함. 반면, 모델기반방법을 적용할 때에는 복합적인 전체 시스템으로 접근하기보다 단일 기계 장비 단위로 접근하여 물리적 모델의 매개변수 추정 및 매개변수 간 관계 확인(Parameter Estimation & Correlation Between Parameters) 단계에서의 불확실성과 복잡도를 낮추는 것이 효과적임 Depending on the system to perform condition-based maintenance, measurement parameters and applied diagnostic technology may vary. After excluding the experience-based method that does not provide real-time monitoring as a method of fault diagnosis and predictive technology, there are two directions: a data-based method and a model-based method. In the case of data-based methods, it can be used to diagnose and predict failures for objects that are difficult to make physical models. After installation, the process of acquiring as much data as possible should be considered. On the other hand, when the model-based method is applied, the uncertainty and complexity in the parameter estimation and correlation between parameters of the physical model step by approaching a single machine and equipment unit rather than approaching the entire complex system. It is effective to lower

3. IoT 네트워크 기반의 실시간 센서 데이터 신호처리 및 모니터링 시스템 구현3. Real-time sensor data signal processing and monitoring system based on IoT network

도 3을 참조하면, HEMS(Hydro Electricity Management System) 펌웨어 : 발전기, 인버터, 정류기 등 발전설비 데이터와 환경데이터 수집을 위한 IoT 네트워크 시스템 구축하고 발전기, 인버터, 정류기, 미터기 등 신재생 발전설비의 데이터 수집과 외부 데이터인 진동, 온도, RPM, 유량 등 IoT 센서 네트워크를 통해 인터페이스를 개발하고 실시간 전송하여 이를 통해 발전설비인 발전기, 인버터, 정류기 등을 24시간 실시간으로 유지관리하고 모니터링 함.Referring to FIG. 3 , HEMS (Hydro Electricity Management System) firmware: builds an IoT network system for collecting power generation facility data such as generators, inverters, and rectifiers and environmental data, and collects data of renewable power generation facilities such as generators, inverters, rectifiers, and meters and external data such as vibration, temperature, RPM, flow rate, etc. through the IoT sensor network, an interface is developed and transmitted in real time, and through this, the generator, inverter, rectifier, etc., which are power generation facilities, are maintained and monitored in real time 24 hours.

1) 실시간 IoT 데이터 처리를 위한 클라우드 플랫폼 구현1) Implementation of cloud platform for real-time IoT data processing

클라우드 플랫폼을 구축하여 각 지역의 신재생에너지 발전소에서 수집되는 방대한 데이터를 실시간으로 수집하여 처리함으로써 데이터 통합 및 유지 관리함By building a cloud platform to collect and process massive amounts of data collected from renewable energy power plants in each region in real time, data integration and maintenance

2) 센서 데이터 신호처리를 위한 전 처리 API 개발 2) Development of pre-processing API for sensor data signal processing

빅데이터를 통한 통합, 분석, 유지 관리를 위해서는 IoT를 통한 데이터 수집은 필수이며 이를 실시간으로 클라우드에 전송 Data collection through IoT is essential for integration, analysis, and maintenance through big data, and it is transmitted to the cloud in real time.

3) 실시간 모니터링 및 실시간 제어를 위한 User-Friendly 프론트 엔드 구현3) Implementation of User-Friendly front-end for real-time monitoring and real-time control

신재생에너지 발전소의 실시간 데이터와 디지털 트윈(Digital Twin)기술을 적용한 가상발전소의 데이터 통합 및 AI 알고리즘 분석을 통한 분석 데이터, 통계 데이터 및 고장 예지 데이터 등을 모니터링하고 실시간 조치 및 제어를 위한 프론트 엔드 웹 페이지를 구축Front-end web for real-time action and control, monitoring analysis data, statistical data and failure prediction data through data integration and AI algorithm analysis of real-time data of new and renewable energy power plants and virtual power plants to which digital twin technology is applied build the page

4) IoT 발전시스템의 센서 및 전력라인 설계 및 공사4) IoT power generation system sensor and power line design and construction

지난 4년간 소수력 발전설비 및 시스템을 운영하면서 쌓인 데이터와 노하우를 기반으로 하여 낙차 및 유량을 감안한 발전시스템 설계가 가능하며 발전설비 및 전기관련 공사를 ㈜주암전기통신과의 협약을 통한 시스템 설계 및 구축Based on the data and know-how accumulated while operating small hydro power generation facilities and systems for the past 4 years, it is possible to design a power generation system considering the fall and flow rate, and to design and build a system through an agreement with Juam Telecommunication for power generation facilities and electricity related construction.

4. AI 기반의 PHM/CBM 시스템 구현4. Implementation of AI-based  PHM/CBM system

도 4를 참조하면, Machine Learning 기법(NeuralNetwork, DeepLearning, Relevance Vector Machine)을 이용하여 신재생 발전설비의 데이터인 발전량, 전압, 전류, RPM 및 ESS 의 충·방전량 등의 데이터 적재, 빅데이터 기반의 데이터를 분석, 관계훈련 후 온라인 모니터링에 적용하여 미래고장 및 예외 데이터를 외삽(Extrapolation) 하여 예측Referring to FIG. 4, using machine learning techniques (NeuralNetwork, DeepLearning, Relevance Vector Machine), data of new and renewable power generation facilities such as power generation, voltage, current, RPM, and ESS charge/discharge data loading, big data-based After analyzing and training the relationship, it is applied to online monitoring to predict future failure and exception data by extrapolation.

인공 신경망 구축을 통한 딥 러닝(Deep Learning) 기법의 최적 효율 결과 도출하고 디지털 트윈(Digital Twin) 구축을 통한 빅데이터 유효 데이터 결합 판단함. 실제 해당 에너지 설비의 속성, 프로세스, 다이내믹스 등을 판단하여 디지털트윈 모델의 추상화를 위한 시뮬레이션 모델링과 데이터 기반 모델링 실시. 위의 규칙과 동작들의 지식과 데이터를 통한 제어된 입력과 출력 사이의 인과관계를 포함한 진단, 예측, 규범적 분석하여 모델링 데이터와 이를 통한 분석, 진단 데이터를 기반으로 유효 데이터 결합을 판단The optimal efficiency result of the deep learning technique is derived through the construction of an artificial neural network, and the effective data combination of big data is determined through the construction of a digital twin. Conduct simulation modeling and data-based modeling to abstract the digital twin model by judging the properties, processes, and dynamics of the actual energy facility. Diagnosis, prediction, and normative analysis including the causal relationship between the input and output controlled through the knowledge and data of the rules and actions above to determine the effective data combination based on the modeling data and the analysis and diagnostic data

1) 빅 데이터 기반 순환신경망(RNN. Recurrent Neural Network) 구성으로 Deep Learning 전개1) Deep Learning development with Big Data-based Recurrent Neural Network (RNN. Recurrent Neural Network) configuration

시뮬레이션 및 유효데이터 결합에 대한 신뢰성을 보장받기 위해 검증(Verification)-실증/확인(Validation)-인정(Accreditation)의 점검 및 승인. Deep Learning학습 및 실증데이터 평가를 통한 학습결과물 실증/확인(Validation) 단계 강화Inspection and approval of Verification-Validation-Accreditation to ensure reliability of simulation and valid data combination. Strengthening the validation/validation stage of learning results through deep learning learning and empirical data evaluation

2) 에너지 발전량, 통계, 예측, 경고, 복구 자동화 시스템 개발2) Energy generation, statistics, forecasting, warning, and recovery automation system development

IoT를 통한 수집 데이터(발전량, 전압, 전류, RPM, 온도, 충전량, 방전량, 날씨 등)의 딥 러닝 전개를 통한 장애 예측, 경고, 복구 자동화 시스템 개발/적용Failure prediction, warning, and recovery automation system development/application through deep learning development of data collected through IoT (power generation, voltage, current, RPM, temperature, charge amount, discharge amount, weather, etc.)

3) IoT 네트워크 기반 재생에너지(소수력) 발전 시스템 확산3) Expansion of IoT network-based renewable energy (small power) power generation system

최소 2곳 이상의 기 존재하는 재생에너지 설비에 본 기술 적용 및 최소 4개월 이상 데이터 수집을 통한 머신러닝 및 PHM 효과성 입증 및 각 단계 별 프로세스 정립Proving the effectiveness of machine learning and PHM by applying this technology to at least two existing renewable energy facilities and collecting data for at least 4 months, and establishing the process for each stage

5. IoT 센서 네트워크를 활용한 발전설비 시스템 구축5. Construction of power generation facility system using IoT sensor network

도 5를 참조하면, 발전 설비별 RS-485 통신 라인 구축을 통한 발전 설비의 데이터 취득이 나타난다. 수집, 통계 데이터 실시간 전송을 위한 Server API I/F 프로그램 개발이 진행된다. 발전설비 데이터 및 환경 데이터 간 통신 정의 및 I/F 프로그램 개발이 진행된다. 발전설비 별 센서 데이터를 정의하고 통신 및 인터페이스를 정의하여 실시간 데이터 전송 서비스 프로그램을 설계 개발이 진행된다. Referring to FIG. 5 , data acquisition of power generation facilities through the establishment of RS-485 communication lines for each power generation facility is shown. Server API I/F program development for collection and real-time transmission of statistical data is in progress. Communication definition between power generation facility data and environmental data and I/F program development are in progress. The real-time data transmission service program is designed and developed by defining sensor data for each power generation facility and defining communication and interface.

1) AI를 이용한 결함예지 및 잔여유효수명(RUL) 예측1) Defect prediction and residual useful life (RUL) prediction using AI

도 6을 참조하면, 데이터 전처리 과정을 통해 IoT 센서로 수집된 데이터를 AI 학습에 적합한 데이터 형태로 가공. 오류가 있는 전처리 데이터 에서는 잘못된 분석 결과가 나오게 되므로 AI의 성능을 좌우하는 중요한 단계임. 결측치를 채우고, 모순된 데이터를 체크하는 데이터 정제, 여러 개의 데이터베이스, 데이터 파일을 통합하는 데이터 통합, 샘플링을 통해 데이터 볼륨을 줄이거나 분석대상의 차원을 줄이는 데이터 축소, 데이터를 정규화 또는 집단화하는 작업을 하는 데이터 변환 등의 작업을 통해 데이터 전처리 작업 진행Referring to FIG. 6 , the data collected by the IoT sensor through the data pre-processing process is processed into a data format suitable for AI learning. Preprocessing data with errors can lead to incorrect analysis results, so it is an important step that determines the performance of AI. Data cleaning to fill in missing values and check inconsistent data, data consolidation that integrates multiple databases and data files, data reduction to reduce data volume or the dimension of the object of analysis through sampling, and normalizing or grouping data Proceed with data pre-processing through operations such as data transformation

전 처리 데이터를 이용하여 특성인자를 선택하는 과정 진행. 결함예지나 잔여유효수명에 영향을 미치는 데이터를 파악하여 결함예지나 잔여유효수명 예측에 사용하는 데이터를 추출The process of selecting characteristic factors using pre-processed data proceeds. Extract data used for defect prediction or residual useful life prediction by identifying data that affects defect prediction or remaining useful life

모든 변수를 사용하면 시간과 컴퓨팅 파워 요구량이 많아지며 모델이 과적합되는 문제가 발생할 수 있어, 적절한 변수를 선택하여 모델의 복잡도를 낮추고, 과적합을 방지할 수 있도록 적절한 특성인자를 선택If all variables are used, time and computing power requirements increase, and the problem of overfitting the model may occur.

딥러닝 모델의 대표적인 구조는 CNN과 RNN구조로 분류되며, RNN구조는 시계열적 특성을 반영하기 좋은 모델로 분류 The representative structures of deep learning models are classified into CNN and RNN structures, and the RNN structure is classified as a good model to reflect time-series characteristics.

IoT센서에서 입력되는 데이터는 시간의 흐름에 따라 입력되는 시계열데이터 이므로, 시계열데이터 분석에 많이 이용되는 LSTM, GRU등의 분석기법을 이용하여 전력량이나 잔여유효수명, 부품 정상/이상 예측Since the data input from the IoT sensor is time series data that is input according to the passage of time, predict the amount of power, remaining useful life, and normal/abnormal parts using analysis techniques such as LSTM and GRU, which are often used for time series data analysis.

LSTM은 RNN구조의 장기 의존성(long-term dependencies)문제를 극복하기 위한 변형모델의 하나로서 시계열 데이터의 분류, 예측에 주로 이용 LSTM is one of the transformation models to overcome the long-term dependencies of the RNN structure, and is mainly used for classification and prediction of time series data.

2) 가상발전소(VPP) 통합 운영 플랫폼 개발2) Virtual power plant (VPP) integrated operation platform development

모니터링 및 통합 제어의 요구사항을 파악하고 해당 웹 서비스의 기획과 디자인을 구현Identify the requirements for monitoring and integrated control, and implement the planning and design of the web service

사용자 친화적인 UI·퍼블리싱·인터페이스를 구현·개발Implementation and development of user-friendly UI/publishing/interface

암호화 모듈 및 Server WCF API 프로그래밍 개발Cryptographic module and Server WCF API programming development

MS-SQL 기반의 SSMS를 통한 통계 스케쥴링 프로시저 개발Statistical scheduling procedure development through SSMS based on MS-SQL

발전설비의 사이트의 데이터와 통계 그리고 예측 운영 관리를 하기 위해서 웹 통합 운영 플랫폼을 개발. 사용자가 웹 페이지를 통해 현재 발전되고 있는 여러 사이트를 한눈에 파악할 수 있고 나아가 발전량을 예측하고 위험요소를 사전에 방지하는 컨트롤 타워 같은 역할 수행Developed a web integrated operation platform to manage the site data, statistics, and predictive operation of the power plant. Through the web page, the user can grasp various sites that are currently being developed at a glance, and furthermore, it plays the role of a control tower that predicts the amount of power generation and prevents risk factors in advance.

3) 재생에너지 발전 사이트에 적용 및 검증3) Application and verification to renewable energy generation sites

IoT를 센서 네트워킹을 활용한 시스템 구축과 AI 알고리즘을 통한 데이터 분석 그리고 이를 모니터링 및 운영하게 되는 통합 운영 플랫폼을 개발Developing an integrated operation platform to build a system using IoT sensor networking, analyze data through AI algorithms, and monitor and operate it

재생에너지 발전설비 실증 사이트에 도입·구축하여 해당 발전 사이트에 최적화된 발전량과 잔여유효수명을 예측하고 최적의 정비주기와 범위를 결정Introduce and build a renewable energy power generation facility demonstration site to predict the optimal power generation amount and remaining useful life for the relevant power generation site, and determine the optimal maintenance cycle and scope

4) 시스템의 도식화 안내책자 등을 제작하여 적용 가능한 사이트에 보급4) Produce system schematic guidebooks, etc. and distribute them to applicable sites

전남 지역의 약 500여 보급 가능 타당성 조사 실시Feasibility study for about 500 distribution in Jeollanam-do

시스템 도입 장점 등에 대한 홍보와 안내책자 배포Promotion of system introduction advantages, etc. and distribution of brochures

5) 참여기업간의 업무 역할 관리5) Management of business roles among participating companies

업체간의 원활한 소통과 데이터 공유 그리고 빅데이터 구축을 위한 클라우드 데이터베이스 구축Cloud database construction for smooth communication between companies, data sharing, and big data construction

추후 사업화 진행에 필요한 자료 백업 및 TFS 서비스를 통한 DLL 모듈, 암호화 모듈 및 DB 통신 모듈 등 프로그래밍 소스와 산출물 및 데이터 공유Data backup required for future commercialization and sharing of output and data with programming sources such as DLL module, encryption module and DB communication module through TFS service

II. 서비스 정의 및 범위II. Service Definition and Scope

서비스 내용Service contents

IoT 통합 시스템(HEMS : Hydro Electricity Management System) 펌웨어IoT Integrated System (HEMS: Hydro Electricity Management System) Firmware

발전 설비인 발전기, 인버터, 정류기, 미터기 등의 발전데이터 수집Collecting power generation data such as generators, inverters, rectifiers, and meters that are power generation facilities

IoT Cat.M1 통신 기반의 센서데이터(온도, RPM, 유량, 진동) 수집IoT Cat.M1 communication-based sensor data (temperature, RPM, flow, vibration) collection

LTE Cat.M1 통신을 기반으로 Cloud 시스템으로 데이터 전송Data transmission to cloud system based on LTE Cat.M1 communication

임베디드 F/W 프로그램을 설계·계발하여 IoT 데이터의 순단 없이 실시간으로 데이터를 전송 Design and develop embedded F/W program to transmit data in real-time without simplification of IoT data

AI 기반 발전량, RUL 예측 서비스AI-based power generation, RUL prediction service

발전설비 및 환경 요인 등의 데이터를 기반으로 PHM 알고리즘 분석을 통해 발전량과 잔여유효수명(RUL)을 예측Predict the amount of power generation and the remaining useful life (RUL) through PHM algorithm analysis based on data such as power generation facilities and environmental factors

PHM 알고리즘을 기본으로 한 고장예지 및 예방을 상태기반정비(CBM) 서비스 Condition-based maintenance (CBM) service for failure prediction and prevention based on PHM algorithm

시스템 및 네트워크 구성 도 7은 시스템 및 네트워크 구성도이다.도 8은 시스템 레이아웃이다. System and Network Configuration Fig. 7 is a system and network configuration diagram. Fig. 8 is a system layout.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.The present invention is not limited by the above embodiments and the accompanying drawings. For those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, it will be apparent that the components according to the present invention can be substituted, modified and changed without departing from the technical spirit of the present invention.

또한, 본 발명에 포함된 내용은 특허청구범위유예출원제도를 활용하여 진행된 것이므로, 향후 개선된 내용으로 확장하여 적용될 수 있으며, 이때에는 현재 명세서의 본문 및 도면에 기재된 내용은 본 발명의 출원일에 소급하여 적용될 수 있다.In addition, since the content included in the present invention was conducted using the claim deferral application system, it can be extended and applied to improved content in the future. can be applied.

--

Claims (5)

이상 징후를 감지하는 데이터 취득부;
결함 및 결함의 원인을 진단하고 심각도를 분류하는 진단부;
향후 결함 진행을 예지하고 잔존유효수명을 예측하는 예지부;
문제 해결 방안을 제시하고, 수정조치를 위한 핵심 정보를 제공하는 제시/조치부; 및
문제 해결 확인 및 사후 진단 상태를 진행하는 사후 분석부;를 포함하는 머신러닝 기술을 활용한 신재생에너지 발전설비의 고장예지 및 건전성관리 방법.
a data acquisition unit for detecting anomalies;
a diagnostic unit for diagnosing defects and causes of defects and classifying their severity;
Prediction unit that predicts future defect progress and predicts remaining useful life;
A suggestion/action unit that suggests solutions to problems and provides key information for corrective actions; and
A method for predicting failure and soundness management of new and renewable energy power generation facilities using machine learning technology, including; a post-analysis unit that confirms problem solving and performs post-diagnosis status.
제1항에 있어서,
상기 데이터 취득부의 데이터는 소음/진동 패턴 데이터, 시스템 온/습도 데이터, 발전기 전류/전압 데이터
RPM 데이터, 인버터 데이터, 유속/유량, 외부 기상데이터를 포함하는 머신러닝 기술을 활용한 신재생에너지 발전설비의 고장예지 및 건전성관리 방법.
The method of claim 1,
The data of the data acquisition unit includes noise/vibration pattern data, system temperature/humidity data, and generator current/voltage data.
Failure prediction and soundness management method of renewable energy power generation facilities using machine learning technology including RPM data, inverter data, flow rate/flow rate, and external weather data.
제1항에 있어서,
상기 진단부는 데이터의 기준 데이터와 비교 분석하여 결함/증상 진단하고, 원인 진단하는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기술을 활용한 신재생에너지 발전설비의 고장예지 및 건전성관리 방법.
The method of claim 1,
The diagnosis unit compares and analyzes the data with reference data to diagnose defects/symptoms, and to predict failure and health management of new and renewable energy power generation facilities using machine learning technology, characterized in that the cause is diagnosed.
제1항에 있어서,
상기 예지부는, 확률 평가 및 신뢰도 해석 파손모드와 영향성 평가(FMEA) 손상시작점/진전도 분석
단기경향 외삽법 및 단계별 변화 분석이 적용되는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기술을 활용한 신재생에너지 발전설비의 고장예지 및 건전성관리 방법.
The method of claim 1,
The prediction unit, probability evaluation and reliability analysis failure mode and impact evaluation (FMEA) damage start point / progress analysis
Failure prediction and soundness management method of new and renewable energy power generation facilities using machine learning technology, characterized in that short-term trend extrapolation and step-by-step change analysis are applied.
제1항에 있어서,
상기 제시/조치부는 해당 장비 부품의 고장/결함 유형 및 심각도 추정, 권장 조치 및 비용을 계산하는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기술을 활용한 신재생에너지 발전설비의 고장예지 및 건전성관리 방법.
The method of claim 1,
The presentation/action unit is a failure prediction and soundness management method of a new and renewable energy power generation facility using machine learning technology, characterized in that the failure/defect type and severity estimation of the equipment parts, and recommended actions and costs are calculated.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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