dc.creator | Paiva, Lucas Lira de | |
dc.date.accessioned | 2025-02-19T14:08:36Z | |
dc.date.available | 2025-02-19T14:08:36Z | |
dc.date.issued | 2024-09-09 | |
dc.identifier.citation | PAIVA, Lucas Lira de. Detecção de falhas em Aerogeradores com análise de temperaturas e modelos estatísticos. 2024.49f. Trabalho de Conclusão de Curso, (Curso de Engenharia Mecânica) Instituto Federal de Ciência e Tecnologia de Pernambuco, Recife. 2024. | pt_BR |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ifpe.edu.br/xmlui/handle/123456789/1519 | |
dc.description.abstract | In a world where the energy demand is constantly increasing, wind power is essential
because of its sustainable nature, competitive costs, and outstanding potential to
produce energy. However, wind turbines are giant machines with high installation,
operation, and maintenance costs. A wrong maintenance strategy could ruin the cash
flow of a wind farm, compromising the investment of decades. Wind turbines have
monitoring systems for evaluating whether they work within operational limits. These
systems store a massive amount of valuable data, which could provide an early
indication of faults occurring in the machines and, consequently, avoid unexpected
maintenance costs. Temperature is commonly used to monitor the condition of
mechanical machinery. The wind turbine supervisory system monitors critical
components’ temperature and stores this information in a database. In this sense, the
present work proposes developing a machine-learning model based on the analysis of
the temperature of wind turbine components to determine, in advance, whether it is
operating in its normal behavior. The present methodology proposes implementing
normal-behavior models using different machine learning algorithms (artificial neural
network, random forest, and K-nearest neighbor) to detect faults in wind turbine
components such as the gearbox, main bearing, and generator. Operational data from
wind turbines installed in Brazil are used, and challenges about using unlabeled real
data are discussed throughout the paper. Some challenges are filtering data, selecting
variables and data windows for training, and validating the models. The models can
identify deviation from normal behavior, characterizing a fault, even before the
supervisory system triggers the alarms. Results also present what methods perform
efficiently and if there are differences regarding the analyzed component. Anticipated
actions from the maintenance staff to correct the faults can be carried out in a planned
and efficient way, which not only preserves the wind turbine but also increases the
wind farm’s key performance indicators. Different detection periods were identified
depending on each component’s dynamics and the model’s particularities. The better performing models were artificial neural networks and decision trees, detecting faults
from 80 to 100 days in advance for the gearbox and 90 to 120 days before for the main
bearing. | pt_BR |
dc.format.extent | 49f. | pt_BR |
dc.language | pt_BR | pt_BR |
dc.relation | Batista, B. C. F. Soluções de Equações Diferenciais Utilizando Redes Neurais
Multicamadas com os Métodos Steepest Descent e Levenberg-Marquardt
(Dissertação de Mestrado). UFPA. 2012.
Bhavsar, D. Dissipando mitos: Aprendizado profundo vs. aprendizado de
máquina. Blog da Merkle, 2020. Disponível em:
https://www.merkle.com/blog/dispelling-myths-deep-learning-vs-machine-learning.
Acesso em: 12 abr. 2024.
Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., & Bossanyi, E. Wind Energy Handbook.
John Wiley & Sons, 2011, p.412.
Donges, N. Random Forest: Um guia completo para aprendizado de máquina.
Builtin, 2024. Disponível em: https://builtin.com/data-science/random-forest algorithm. Acesso em: 13 jun. 2024.
Encalada-Dávila, Á.; Puruncajas, B.; Tutivén, C.; Vidal, Y. Wind turbine main
bearing fault prognosis based solely on scada data. Sensors 2021.
ENERGÊS, 7 Componentes do Aerogerador que você precisa conhecer,
2024. Disponível em: https://energes.com.br/componentes-aerogerador/. Acesso
em: 17/09/2024.
EVIDENT. Inspections of Wind Turbine Gearboxes. 2024. Disponível em:
https://www.olympus-ims.com/en/applications/rvi-wind-turbine/. Acesso em:
17/09/2024.
González, M. O. A., Gonçalves, J. S., & Vasconcelos, R. M. Desenvolvimento
sustentável: Estudo de caso na implementação de energia renovável no Brasil.
ELSEVIER. 2017.
GUERRA, Jonathas. Linguagens de programação: líderes de mercado em
2021. 2021. Disponível em: https://www.tecnoveste.com.br/linguagens-de programacao-lideres-de-mercado-em-2021/#google_vignette. Acesso em: 26
mar. 2024.
Han, B., Xie, H., Shan, Y., Liu, R., & Cao, S. Método de ajuste de curva
característica da velocidade do vento e saída do aerogerador com base na
limpeza de dados anormais. ATAMI. 2021
48
‘
Hau, E. Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics.
Springer Science & Business Media, 2013. p.251.
HEAVEN, W. What is AI? 2024. Disponível em:
https://www.technologyreview.com/2024/07/10/1094475/what-is-artificial intelligence-ai-definitive-guide/. Acesso em: 20 set. 2024.
INSTITUTO DE PESQUISA E ESTRATÉGIA ECONÔMICA DO CEARÁ - IPECE.
Entendendo o índice de Gini. 2015. Disponível em:
https://www.ipece.ce.gov.br/wp content/uploads/sites/45/2015/02/Entendendo_Indice_GINI.pdf Acesso em: 20
ago. 2024.
Loca, A. L. S. Uma metodologia para avaliação experimental de abordagens
de aprendizado de máquina para diagnóstico de falhas com base em sinais
de vibração. Defesa de mestrado, Universidade Federal do Espírito Santo,
Vitória, Espírito Santo, Brasil, 2020.
Magalhães, N. A. F. (2011). Sistema de Apoio à Análise de Desempenho de
Parques Eólicos (Dissertação de mestrado). Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto, 2011.
Manwell, J. F., McGowan, J. G., & Rogers, A. L. Wind Energy Explained:
Theory, Design and Application. John Wiley & Sons, 2010, p.303.
Msigwa, O. J. Ciência de dados e aprendizado de máquina (Parte 09): O
algoritmo K-Nearest Neighbors (KNN). MQL5. 2022. Disponível em:
https://www.mql5.com/en/papers/11678. Acesso em: 02 fev. 2024.
Murgia, A; Verbeke, R; Tsiporkova, E; Terzi, L.; Astolfi, D. Discussão sobre a
adequação do monitoramento de condições baseado em SCADA para
diagnóstico de falhas em aerogeradores por meio da análise de dados de
temperatura. Energies, 2023.
NANDA, Anita. Multiple comparison test by Tukey’s honestly significant
difference (HSD): Do the confident level control type I error. 2021. Disponível em:
https://doi.org/10.22271/maths.2021.v6.i1a.636. Acesso em: 07 jul. 2022.
PADOAN, Mariana. Os melhores cursos de Python em 2022. Geekhunter,
2022. Disponível em: https://blog.geekhunter.com.br/cursos-python/. Acesso em:
26 mar. 2024.
Reimann, C., Filzmoser, P., & Garret, R. G. Background e threshold:
comparação crítica de métodos de determinação. ELSEVIER, 2005.
Russel, Norvig. Artificial Intelligence: A modern approach. 2010, p.25.
Silva, N. F. da, Rosa, L. P., Freitas, M. A. V., & Pereira, M. G. Energia eólica no
Brasil: Do modelo de crise de expansão do setor elétrico ao ambiente favorável.
ELSEVIER, 2013.
Sommer. Leroy, Wind turbines generator, 2024. Disponível em:
https://acim.nidec.com/generators/leroy-somer/products/power alternators/alternators-for-windturbines. Acesso em 17/09/2024.
Terra, N. Energia eólica no Brasil bate recordes e gera empregos, 2024.
Disponível em: https://www.airswift.com/blog/wind-energy-brazil. Acesso em: 02
jun. 2024.
Turnbull, A.; Carrol, J.; McDonal, A. Uma análise comparativa da variabilidade
dos limites de temperatura por meio do tempo para geradores de
aerogeradores usando modelagem de comportamento normal. Energies
2021, 14, 3211.
Vinicius. ArtificialNeuralNetworks. Monolito Nimbus, 2017. Disponível em:
https://www.monolitonimbus.com.br/redes-neurais-artificiais/. Acesso em: 17 abr.
2023.
Wang, C., Viswanathan, K., Choudur, L., Talwar, V., Satterfield, W., & Schwan, K.
Statistical techniques for online anomaly detection in data centers (Técnicas
estatísticas para detecção de anomalias on-line em data centers). IEEE, 2011.
Zaher, A.; McArthur, S.; Infield, D.; Patel, Y. Online wind turbine fault detection
through automated SCADA data analysis. Energia eólica: Int. J. Prog. Appl.
Wind Power Convers. Technol. 2009, 12, 574-593. | pt_BR |
dc.rights | Acesso Aberto | pt_BR |
dc.rights | An error occurred on the license name. | * |
dc.rights.uri | An error occurred getting the license - uri. | * |
dc.subject | Engenharia mecânica | pt_BR |
dc.subject | Análises de temperatura | pt_BR |
dc.subject | Aerogerador | pt_BR |
dc.subject | Modelos estatísticos-falha | pt_BR |
dc.title | Detecção de falhas em aerogeradores com análise de temperaturas e modelos estatísticos | pt_BR |
dc.type | TCC | pt_BR |
dc.creator.Lattes | http://lattes.cnpq.br/9573092136056321 | pt_BR |
dc.contributor.advisor1 | Leite, Gustavo de Novaes Pires | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/9573092136056321 | pt_BR |
dc.contributor.advisor-co1 | Costa, José Ângelo Peixoto da | |
dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/8239712503695923 | pt_BR |
dc.contributor.referee1 | Paiva, Lucas Lira de | |
dc.contributor.referee2 | Queiroz, Kamilla Fernanda Ferreira da Cunha | |
dc.contributor.referee3 | Costa, José Ângelo Peixoto da | |
dc.contributor.referee1Lattes | http://lattes.cnpq.br/9573092136056321 | pt_BR |
dc.contributor.referee2Lattes | http://lattes.cnpq.br/0737946094349854 | pt_BR |
dc.contributor.referee3Lattes | http://lattes.cnpq.br/8239712503695923 | pt_BR |
dc.publisher.department | Recife | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA | pt_BR |
dc.description.resumo | Em um mundo em que a demanda por energia está aumentando constantemente, a
energia eólica é essencial devido à sua natureza sustentável, custos competitivos e
excelente potencial de produção de energia. No entanto, os aerogeradores são
máquinas gigantescas com altos custos de instalação, operação e manutenção. Uma
estratégia de manutenção incorreta pode arruinar o fluxo de caixa de um parque
eólico, comprometendo o investimento de décadas. Os aerogeradores têm sistemas
de monitoramento para avaliar se estão funcionando dentro dos limites operacionais.
Esses sistemas armazenam uma quantidade enorme de dados valiosos. Que podem
fornecer uma indicação antecipada de falhas que ocorrem nas máquinas e,
consequentemente, evitar custos de manutenção inesperados. A temperatura é
comumente usada para monitorar a condição do maquinário mecânico. O sistema de
supervisão do aerogerador monitora a temperatura dos componentes críticos e
armazena essas informações em um banco de dados. Nesse sentido, o presente
trabalho propõe o desenvolvimento de um modelo de aprendizado de máquina
baseado na análise da temperatura dos componentes do aerogerador para
determinar, com antecedência, se ela está operando em seu comportamento normal.
A presente metodologia propõe a implementação de modelos de comportamento
normal usando diferentes algoritmos de aprendizado de máquina (rede neural artificial,
floresta aleatória e k-ésimo vizinho mais próximo) para detectar falhas em
componentes de Aerogeradores como Gearbox, Mainbearing e gerador. São usados
dados operacionais de aerogeradores instaladas no Brasil, e os desafios relacionados
ao uso de dados reais não rotulados são discutidos ao longo do trabalho. Alguns
desafios são a filtragem de dados, a seleção de variáveis, janelas de dados para
treinamento e a validação dos modelos. Os modelos podem identificar desvios do
comportamento normal, caracterizando uma falha, mesmo antes de o sistema de
supervisão acionar os alarmes. Os resultados também apresentam quais métodos têm
desempenho eficiente e se há diferenças com relação ao componente analisado. As
ações antecipadas da equipe de manutenção para corrigir as falhas podem ser
executadas de forma planejada e eficiente, o que não só preserva o aerogerador, mas
também aumenta os principais indicadores de desempenho do parque. Foram
identificados diferentes períodos de detecção, dependendo da dinâmica de cada
componente e das particularidades do modelo. Os modelos com melhor desempenho foram as redes neurais artificiais e as de floresta aleatória, detectando falhas com 80
a 100 dias de antecedência para o Gearbox e com 90 a 120 dias de antecedência
para o Mainbearing.
Palavras-chave: Análise de temperatura; Aerogerador; Modelos estatísticos, Falha. | pt_BR |