English
Sull'impiego di soluzioni data-driven per la gestione di flotte di turbine eoliche. Parte I
Alessandro Corsini - Sapienza Università di Roma
Valerio Barnabei, Sapienza Università di Roma
Tullio Ancora, Gabriele Abbadessa, Gian Marco Bianchi, Sapienza Università di Roma
Tullio Ancora, Gabriele Abbadessa, Gian Marco Bianchi, Sapienza Università di Roma
Il presente lavoro propone una panoramica delle opportunità offerte dalle tecniche data-driven nell'ambito della gestione degli asset di turbine eoliche e parchi eolici.
Dopo aver illustrato la tipologia di dati SCADA comuni a turbine eolic ad asse orizzontale di classe multi-MW, l'articolo analizza criticamente le principali metodologie di apprendimento automatico basate su dati SCADA proposte in letteratura, con riferimento al settore eolico.
La Parte I, in particolare, presenta lo stato dell'arte delle strategie manutenzione basate su sistemi di monitoraggio e reti sensoristiche.
1 INTRODUZIONE
La crescita del settore eolico, determinante nel raggiungimento dei target di sostenibilità, è dovuta a vari fattori: la tendenza crescente della potenza unitaria delle turbine [1 nel PDF], la maturità dei parchi eolici e la competitività anche in configurazioni offshore [2-4 nel PDF].
Nonostante il miglioramento di efficienza, affidabilità e disponibilità dei parchi eolici, regimi di vento intermittenti generano fluttuazioni dell'immissione di potenza e problemi di instabilità, nell'equilibrio tra domanda e offerta, in grado di rendere difficile la gestione del loro contributo [5, 6 nel PDF].
Questo quadro dimostra che, più che in altri ambiti, dati ad alta frequenza sulle condizioni operative possono diventare uno strumento chiave per un esercizio efficiente e prolungato di asset eolici.
Il compito del monitoraggio operativo viene affidato a reti di sensori in sistemi di Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA), progettati per registrare e visualizzare i parametri rilevati da singole turbine, sottostazioni e stazioni meteorologiche.
I dati, memorizzati ogni 10 minuti, forniscono misure statistiche (media, deviazione standard, massimo e minimo) di centinaia di segnali da cui derivare la produzione energetica, disponibilità e registri di guasto [7 nel PDF].
I sistemi SCADA generano, quindi, enormi quantità di dati caratterizzati da un certo grado di inaffidabilità (registrazioni inaccurate, incomplete o mancanti, misurazioni rumorose), che può influenzare il controllo della potenza eolica oltre che la sua previsione [8 nel PDF].
Gestire questi dati può risultare complesso a causa di problemi di overfitting, eterogeneità e costo computazionale [9 nel PDF].
Il loro pieno sfruttamento, in ambito eolico, dipende dallo sviluppo di metodi di predizione più efficaci per le operazioni di turbine e parchi eolici.
Gli strumenti di previsione emergono come elementi chiave nella gestione dell'integrità degli asset costituiti da numerosi componenti individuali (turbine), la cui operatività può differenziarsi.
Ogni strategia di estensione della vita utile richiede caratteristiche specifiche possibili solo se data-driven, progettate per integrare tecniche di previsione e caratterizzazione dell'operatività normale [6].
Tale capacità può conferire alla generazione eolica la flessibilità necessaria, consentendo esercizio e manutenzione economicamente efficienti, oltre a supportare la valutazione delle condizioni degli asset.
La rapida evoluzione dell'industria eolica ha portato una espansione della domanda di tecniche data-driven avanzate. Di conseguenza, i metodi di apprendimento basati sull'intelligenza artificiale sono al centro dell'attenzione e i dati SCADA possono essere usati come base per alimentare strumenti di anticipazione delle anomalie o di previsione della producibilità.
2 CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SCADA IN TURBINE EOLICHE AD ASSE ORIZZONTALE
Il sistema SCADA è dedicato al monitoraggio di molteplici parametri ed include i sensori del sistema di trasmissione della potenza, di velocità e direzione del vento, di velocità di rotazione dell'albero oltre ad altri parametri per il controllo in tempo reale il profilo di generazione.
Un elenco tipo dei parametri monitorati è riportato in Tabella 1 nel PDF , mentre la Figura 1 nel PDF mostra una tipica configurazione di turbina eolica ad asse orizzontale di classe 2-IEC 61400 [10], con riduttore epicicloidale a tre stadi.
Numerosi studi hanno analizzato l'uso dei dati SCADA nel monitoraggio delle condizioni operative [13, 14].
Tali approcci sono oggetto di continua ricerca, al fine di sfruttare appieno il potenziale dell'infrastruttura dati integrata in ottica di manutenzione Condition-Based e predittiva.
I sistemi SCADA forniscono, inoltre, allarmi utilizzati come indicatori di eventi anomali. Questi allarmi, tuttavia, sono di difficile elaborazione perchè il verificarsi di un guasto genera floods di allarmi, con decine o centinaia di eventi attivati in un breve intervallo di tempo [15], o una significativa percentuale di falsi allarmi, e.g. chattering alarms [16, 17], dovuti a relazioni causali semplificate. Anche la classificazione disambigua degli allarmi può essere rafforzata dallo sviluppo di tecniche data-driven multivariate.
3 ATTIVITÀ DI FUNZIONAMENTO E MANUTENZIONE DELLE TURBINE EOLICHE
Le attività O&M (Operation and Maintenance) rappresentano uno dei compiti più critici per turbine eoliche, e le sfide ad esse associate derivano da una molteplicità di fattori. I costi di manutenzione delle turbine eoliche, sia onshore che offshore, risultano, infatti, superiori rispetto a quelli di altre tecnologie.
La tendenza di aumento del diametro del rotore e della potenza, combinata con condizioni operative più severe, velocità del vento e carichi strutturali maggiori, si traduce in un incremento del tasso di guasto dei componenti delle turbine
eoliche.
In considerazione del ruolo che l'energia eolica è destinata a svolgere negli scenari energetici entro il 2050 [18], è prevedibile che le strategie di manutenzione e riparazione subiscano una trasformazione guidata dai dati [19]. L'obiettivo complessivo di una strategia di manutenzione è bilanciare redditività ed estensione della vita utile degli asset.
Le attività O&M delle turbine eoliche coprono un ampio spettro di problematiche. Sebbene ciascun sottoproblema (manutentivo) sia stato oggetto di studio in contesti specifici, manca ancora un autentico approccio interdisciplinare per il quale i metodi data-driven si propongono come l'ecosistema di integrazione più promettente.
Con riferimento alle strategie di manutenzione (Figura 2), possono essere classificate come correttive (o reattive), sia opportunistica che proattiva in base alla pianificazione temporale, e preventive.
Quest'ultima comprendente l'ampia famiglia di strategie basate su sensori a loro volta distinte in condition based e predittive [20].
L'obiettivo di questa sezione è fornire un quadro esaustivo delle modalità di guasto delle turbine eoliche e delle strategie di manutenzione più recenti, con particolare attenzione alla manutenzione Condition-Based (CBM), che rappresenta l'approccio basato su sensori più avanzato.
3.1 MODALITÀ DI GUASTO
I guasti possono essere classificati in base alla loro scala temporale, correlati nel lungo periodo ad esercizio ed invecchiamento, e nel breve periodo a sovraccarichi e rotture improvvise dei componenti [21].
Mentre le prime modalità si manifestano nei componenti della trasmissione e strutturali, come conseguenza di usura e fatica, le seconde possono verificarsi in modo casuale, senza tendenze nei segnali o precursori evidenti. Una possibile, seppur non esaustiva, lista dei principali guasti è qui riassunta per componente.
1. Rotore e pale: deterioramento, errore di regolazione, squilibrio del rotore, corrosione pale e mozzo, crepe e gravi deformazioni aeroelastiche [22];
2. Albero: squilibrio, disallineamento, danno e rottura dell'albero [23];
3. Gearbox: usura, fatica, pitting, danni ai denti degli ingranaggi, eccentricità ruotismi, spostamenti, perdita e lubrificazione insufficiente [24];
4. Generatore: sovra-velocità, surriscaldamento, usura, vibrazioni, asimmetrie del rotore, rottura barre, problemi elettrici, danni all'isolamento, problemi agli anelli collettori, danni avvolgimenti [25];
5. Cuscinetti: surriscaldamento, spalling, usura, difetti delle bussole e danni ai cuscinetti [26];
6. Navicella: incendio ed errore di imbardata [27];
7. Torre: fatica, vibrazioni, debolezza delle fondamenta e formazione di crepe [28, 29, 30];
8. Sistema elettrico: cortocircuito, cattiva connessione, contaminazione e archi elettrici [23].
Come evidente da tale rassegna, le modalità di guasto riguardano diversi componenti critici, con tassi di guasto funzione della taglia della turbina, posizione nel parco eolico, tipo di fondazioni e struttura.
Per quanto riguarda l'alternatore, le turbine a trasmissione diretta e quelle a trasmissione indiretta presentano tassi di guasto comparabili [31].
La configurazione del drive-train influenza, invece, la natura del componente critico più soggetto a guasto, e.g. i moltiplicatori nelle turbine a trasmissione diretta e gli inverter e l'elettronica in quelle a trasmissione indiretta.
3.2 MANUTENZIONE BASATA SU SENSORI
Continua nel PDF
La crescita del settore eolico, determinante nel raggiungimento dei target di sostenibilità, è dovuta a vari fattori: la tendenza crescente della potenza unitaria delle turbine [1 nel PDF], la maturità dei parchi eolici e la competitività anche in configurazioni offshore [2-4 nel PDF].
Nonostante il miglioramento di efficienza, affidabilità e disponibilità dei parchi eolici, regimi di vento intermittenti generano fluttuazioni dell'immissione di potenza e problemi di instabilità, nell'equilibrio tra domanda e offerta, in grado di rendere difficile la gestione del loro contributo [5, 6 nel PDF].
Questo quadro dimostra che, più che in altri ambiti, dati ad alta frequenza sulle condizioni operative possono diventare uno strumento chiave per un esercizio efficiente e prolungato di asset eolici.
Il compito del monitoraggio operativo viene affidato a reti di sensori in sistemi di Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA), progettati per registrare e visualizzare i parametri rilevati da singole turbine, sottostazioni e stazioni meteorologiche.
I dati, memorizzati ogni 10 minuti, forniscono misure statistiche (media, deviazione standard, massimo e minimo) di centinaia di segnali da cui derivare la produzione energetica, disponibilità e registri di guasto [7 nel PDF].
I sistemi SCADA generano, quindi, enormi quantità di dati caratterizzati da un certo grado di inaffidabilità (registrazioni inaccurate, incomplete o mancanti, misurazioni rumorose), che può influenzare il controllo della potenza eolica oltre che la sua previsione [8 nel PDF].
Gestire questi dati può risultare complesso a causa di problemi di overfitting, eterogeneità e costo computazionale [9 nel PDF].
Il loro pieno sfruttamento, in ambito eolico, dipende dallo sviluppo di metodi di predizione più efficaci per le operazioni di turbine e parchi eolici.
Gli strumenti di previsione emergono come elementi chiave nella gestione dell'integrità degli asset costituiti da numerosi componenti individuali (turbine), la cui operatività può differenziarsi.
Ogni strategia di estensione della vita utile richiede caratteristiche specifiche possibili solo se data-driven, progettate per integrare tecniche di previsione e caratterizzazione dell'operatività normale [6].
Tale capacità può conferire alla generazione eolica la flessibilità necessaria, consentendo esercizio e manutenzione economicamente efficienti, oltre a supportare la valutazione delle condizioni degli asset.
La rapida evoluzione dell'industria eolica ha portato una espansione della domanda di tecniche data-driven avanzate. Di conseguenza, i metodi di apprendimento basati sull'intelligenza artificiale sono al centro dell'attenzione e i dati SCADA possono essere usati come base per alimentare strumenti di anticipazione delle anomalie o di previsione della producibilità.
2 CARATTERISTICHE DEL SISTEMA SCADA IN TURBINE EOLICHE AD ASSE ORIZZONTALE
Il sistema SCADA è dedicato al monitoraggio di molteplici parametri ed include i sensori del sistema di trasmissione della potenza, di velocità e direzione del vento, di velocità di rotazione dell'albero oltre ad altri parametri per il controllo in tempo reale il profilo di generazione.
Un elenco tipo dei parametri monitorati è riportato in Tabella 1 nel PDF , mentre la Figura 1 nel PDF mostra una tipica configurazione di turbina eolica ad asse orizzontale di classe 2-IEC 61400 [10], con riduttore epicicloidale a tre stadi.
Numerosi studi hanno analizzato l'uso dei dati SCADA nel monitoraggio delle condizioni operative [13, 14].
Tali approcci sono oggetto di continua ricerca, al fine di sfruttare appieno il potenziale dell'infrastruttura dati integrata in ottica di manutenzione Condition-Based e predittiva.
I sistemi SCADA forniscono, inoltre, allarmi utilizzati come indicatori di eventi anomali. Questi allarmi, tuttavia, sono di difficile elaborazione perchè il verificarsi di un guasto genera floods di allarmi, con decine o centinaia di eventi attivati in un breve intervallo di tempo [15], o una significativa percentuale di falsi allarmi, e.g. chattering alarms [16, 17], dovuti a relazioni causali semplificate. Anche la classificazione disambigua degli allarmi può essere rafforzata dallo sviluppo di tecniche data-driven multivariate.
3 ATTIVITÀ DI FUNZIONAMENTO E MANUTENZIONE DELLE TURBINE EOLICHE
Le attività O&M (Operation and Maintenance) rappresentano uno dei compiti più critici per turbine eoliche, e le sfide ad esse associate derivano da una molteplicità di fattori. I costi di manutenzione delle turbine eoliche, sia onshore che offshore, risultano, infatti, superiori rispetto a quelli di altre tecnologie.
La tendenza di aumento del diametro del rotore e della potenza, combinata con condizioni operative più severe, velocità del vento e carichi strutturali maggiori, si traduce in un incremento del tasso di guasto dei componenti delle turbine
eoliche.
In considerazione del ruolo che l'energia eolica è destinata a svolgere negli scenari energetici entro il 2050 [18], è prevedibile che le strategie di manutenzione e riparazione subiscano una trasformazione guidata dai dati [19]. L'obiettivo complessivo di una strategia di manutenzione è bilanciare redditività ed estensione della vita utile degli asset.
Le attività O&M delle turbine eoliche coprono un ampio spettro di problematiche. Sebbene ciascun sottoproblema (manutentivo) sia stato oggetto di studio in contesti specifici, manca ancora un autentico approccio interdisciplinare per il quale i metodi data-driven si propongono come l'ecosistema di integrazione più promettente.
Con riferimento alle strategie di manutenzione (Figura 2), possono essere classificate come correttive (o reattive), sia opportunistica che proattiva in base alla pianificazione temporale, e preventive.
Quest'ultima comprendente l'ampia famiglia di strategie basate su sensori a loro volta distinte in condition based e predittive [20].
L'obiettivo di questa sezione è fornire un quadro esaustivo delle modalità di guasto delle turbine eoliche e delle strategie di manutenzione più recenti, con particolare attenzione alla manutenzione Condition-Based (CBM), che rappresenta l'approccio basato su sensori più avanzato.
3.1 MODALITÀ DI GUASTO
I guasti possono essere classificati in base alla loro scala temporale, correlati nel lungo periodo ad esercizio ed invecchiamento, e nel breve periodo a sovraccarichi e rotture improvvise dei componenti [21].
Mentre le prime modalità si manifestano nei componenti della trasmissione e strutturali, come conseguenza di usura e fatica, le seconde possono verificarsi in modo casuale, senza tendenze nei segnali o precursori evidenti. Una possibile, seppur non esaustiva, lista dei principali guasti è qui riassunta per componente.
1. Rotore e pale: deterioramento, errore di regolazione, squilibrio del rotore, corrosione pale e mozzo, crepe e gravi deformazioni aeroelastiche [22];
2. Albero: squilibrio, disallineamento, danno e rottura dell'albero [23];
3. Gearbox: usura, fatica, pitting, danni ai denti degli ingranaggi, eccentricità ruotismi, spostamenti, perdita e lubrificazione insufficiente [24];
4. Generatore: sovra-velocità, surriscaldamento, usura, vibrazioni, asimmetrie del rotore, rottura barre, problemi elettrici, danni all'isolamento, problemi agli anelli collettori, danni avvolgimenti [25];
5. Cuscinetti: surriscaldamento, spalling, usura, difetti delle bussole e danni ai cuscinetti [26];
6. Navicella: incendio ed errore di imbardata [27];
7. Torre: fatica, vibrazioni, debolezza delle fondamenta e formazione di crepe [28, 29, 30];
8. Sistema elettrico: cortocircuito, cattiva connessione, contaminazione e archi elettrici [23].
Come evidente da tale rassegna, le modalità di guasto riguardano diversi componenti critici, con tassi di guasto funzione della taglia della turbina, posizione nel parco eolico, tipo di fondazioni e struttura.
Per quanto riguarda l'alternatore, le turbine a trasmissione diretta e quelle a trasmissione indiretta presentano tassi di guasto comparabili [31].
La configurazione del drive-train influenza, invece, la natura del componente critico più soggetto a guasto, e.g. i moltiplicatori nelle turbine a trasmissione diretta e gli inverter e l'elettronica in quelle a trasmissione indiretta.
3.2 MANUTENZIONE BASATA SU SENSORI
Continua nel PDF
Leggi tutto
Fonte: La Termotecnica novembre 2025
Settori: Asset Management, Automazione industriale, Manutenzione industriale, Scada, Sistemi di controllo, Sistemi di monitoraggio e supervisione industriale
Mercati: Manutenzione industriale
