DETECCIÓN Y DIAGNÓSTICO DE FALLOS EN UNA PLANTA FOTOVOLTAICA
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- Mariano Padilla Lara
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1 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO EN INFORMÁTICA DETECCIÓN Y DIAGNÓSTICO DE FALLOS EN UNA PLANTA FOTOVOLTAICA Autor: Directores: Antonio Muñoz San Roque Miguel Ángel Sanz Bobi Madrid Septiembre de 2011
2 Autor: Directores: Miguel Ángel Sanz Bobi / Antonio Muñoz San Roque Entidad colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas RESUMEN DEL PROYECTO Palabras clave: fotovoltaica, fallo, anomalía, estadística, modelo, herramienta 1- Introducción Las plantas fotovoltaicas suelen localizarse en zonas no urbanas, ya que se tiende a situarlas en lugar donde se obtenga un bajo coste por metro cuadrado de parcela. Debido a esto, cada vez que se produce un fallo en uno de sus componentes, es necesario enviar a un técnico a evaluarlo y, en caso de ser necesario, repararlo. Esto supone un coste en tiempo de trabajo del técnico, así como un coste de desplazamiento. La detección de una anomalía no es excesivamente compleja, pero en el caso de que simplemente se detecte una anomalía, esto supondría: a) Desplazamiento del técnico b) Evaluación de la anomalía c) Retorno a la central de monitorización d) Encargo de los materiales requeridos para la reparación (si fuera necesario) e) Desplazamiento del técnico f) Sustitución de materiales 2- Objetivos El sistema que se pretende desarrollar supondrá la eliminación de los tres primeros pasos, reduciendo drásticamente los gastos asociados a desplazamiento y diagnóstico de fallos, los cuales serán diagnosticados por la herramienta a desarrollar a partir de una serie de modelos de comportamiento. Para desarrollar esta herramienta final será necesario realizar una serie de estudios, así como el citado desarrollo de modelos. La metodología a seguir tendrá la una estructura secuencial, la cual irá precedida por el estudio del funcionamiento de las plantas fotovoltaicas, así como el estudio del proyecto desarrollado el año 2009 por Álvaro de Marcos, el cual supone el punto de partida de este proyecto. I
3 3- Fases de desarrollo El desarrollo del proyecto sigue una estructura secuencial del siguiente modo: Estado del arte Estudio del proyecto anterior Estudio del funcionamiento de plantas fotovoltaicas Estudio de fallos Análisis de los modos de fallo FMEA Análisis estadístico Análisis unidimensional Análisis multidimensional Filtrado de los datos Desarrollo de modelos Creación del conjunto de entrenamiento Elaboración de los modelos Diagnóstico Evaluación de los datos Detección de anomalías Diagnóstico de fallos Herramienta informática Definición de las características principales Interfaz gráfica y funcionamiento Cierre del proyecto Conclusiones Desarrollos futuros II
4 Una vez realizada la herramienta de diagnóstico, la metodología de la monitorización consiste en un bucle de los siguientes pasos secuenciales: Obtención de datos: los datos son generados cada cuarto de hora, momento en el cual éstos son analizados y se predicen los valores de una serie de variables según los modelos de comportamiento normal. Detección de anomalías: cada vez que se analiza un dato, se analizan todos los modelos y se determina, en función de la desviación respecto al valor que se predice, si el dato se predice o no con suficiente exactitud. En caso de que se produzca un número elevado de datos inexactos en un corto espacio de tiempo se considerará detectada una anomalía. Diagnóstico de fallos: en función de las anomalías que se hayan detectado, y mediante un sistema experto, se analizan las reglas que se disparan en cada iteración, que serán las que lleven al diagnóstico de fallos exacto. 4- Fases del proyecto El estado del arte consiste en un estudio de las tecnologías existentes y de los estudios realizados con anterioridad. Se centrará en el estudio del proyecto fin de carrera elaborado por Álvaro de Marcos el año 2009, por ser el punto de partida del desarrollo de este proyecto. El estudio de fallos tiene como objetivo elaborar un cuadro de mando que contemple todos los posibles modos de fallo en una planta fotovoltaica, así como los motivos, soluciones, descripción e impacto de los mismos. También es en este punto en el que se definen los fallos que el sistema a desarrollar será capaz de detectar. El análisis estadístico consiste en el estudio unidimensional y multidimensional de los datos recogidos por el sistema de adquisición de datos en tiempo real, a partir del cual se puede definir qué variables son importantes y cuáles no a la hora de explicar el comportamiento de una planta fotovoltaica. Del mismo modo se estudiará si las muestras están desvirtuadas o no, con el fin de escoger un buen conjunto de entrenamiento. El desarrollo de modelos es el apartado consta de dos fases: 1. Creación del conjunto de entrenamiento: partiendo de los datos recogidos y apoyándose en el análisis estadístico, se crea un conjunto de entrenamiento suficiente amplio y variado para poder llevar a cabo el desarrollo de modelos. 2. Elaboración de modelos de comportamiento: se elaboran modelos de perceptrón multicapa y de función de transferencia para cinco modelos diferentes, cada uno de ellos analizado tanto en verano como en invierno. Para elaborar los modelos se hará uso de la herramienta IDAT proporcionada por el iit de la Universidad Pontificia de Comillas. III
5 El diagnóstico se apoya en el desarrollo de modelos y el estudio de fallos. Tiene dos partes: 1. Detección de anomalías: a partir de los modelos obtenidos se define un método para detectar anomalías en cada uno de ellos, las cuales son la base para el diagnóstico de fallos. 2. Diagnóstico de fallos: teniendo definida la detección de anomalías, el diagnóstico de fallos consiste en una serie de reglas de fallo que definen qué parte de la planta fotovoltaica está fallando en cada momento. El desarrollo de la herramienta de monitorización parte del desarrollo de modelos, los cuales serán introducidos en la herramienta. La herramienta, cada vez que recibe una nueva muestra, lo pasa por cada uno de modelos y compara el resultado obtenido para cada variable con el valor recibido como dato. En caso de que entre los valores predichos y reales se detecte una distancia significativa de forma frecuente se informará del fallo correspondiente al usuario. Dado que la herramienta no es capaz de detectar la totalidad de posibles fallos en una planta fotovoltaica, es necesario estudiar en qué aspectos se puede mejorar para conseguir un mayor alcance y una mayor precisión. Del mismo modo, una vez terminado el desarrollo, se analizará qué aporta respecto a las tecnologías previas a modo de conclusiones. 5- Conclusiones Los objetivos finales de este proyecto son dos: elaboración de una herramienta para monitorizar el comportamiento de una planta fotovoltaica en el nivel de abstracción posible actualmente y sentar las bases para, en un futuro, aumentar la variedad de fallos detectados y la precisión en el diagnóstico de los mismos. De este modo, gracias a este estudio, se define concretamente en qué aspectos se ha mejorado el estudio previo, así como qué posibles mejoras sería conveniente analizar en un futuro. IV
6 Failure detection and diagnosis in a photovoltaic plant Author: Supervisors: Miguel Ángel Sanz Bobi / Antonio Muñoz San Roque Affiliation: ICAI Universidad Pontificia Comillas ABSTRACT Keywords: photovoltaic, failure, anomaly, statistic, model, tool 1- Introduction PV plants are usually located in non-urban areas, as they tend to be in places where you get a low cost per square meter plot. Because of this, whenever a failure is detected in one of its components, it is necessary to send a technician to evaluate and, if necessary, repair the cracked parts. This involves a cost in labor of the technician, as well as a transport offset. The detection of an anomaly is not too complex, but in the case that an anomaly is simply detected and not solved, this would come into several costs: a) Technician transport b) Anomaly evaluation c) Technician returning d) Commissioning of the materials required to repair (if necessary) e) Technician transport f) Material replacement 2- Objectives The system to be developed will involve the removal of the first three steps, dramatically reducing the costs associated with displacement and failure diagnosis, which will be diagnosed by the tool to be developed from a series of models. To develop the final tool a series of studies will be required, as well as the aforementioned model development. The methodology will follow a sequential structure, which will be preceded by studying the operation of photovoltaic plants, and the study of the project developed in 2009 by Alvaro de Marcos, which is the starting point of this project. V
7 3- Development phases Project development follows a sequential structure as follows: State of art Studying last year's project Studying photovoltaic plant structure Failure analysis Failure mode analysis FMEA Statistical analysis Unidimensional analysis Multidimensional analysis Data filtering Model developing Training set creation Model developing Diagnosis Data evaluation Anomaly detection Failure diagnosis Software tool Definition of main software characteristics Graphic user inteface and user's manual Project closing Conclusions Future developments VI
8 Once the diagnosis tool is developed, the methodology of monitoring consists of a loop of the following sequential steps: Data Collection: data are generated every quarter hour, at which time they are analyzed and values are predicted for a number of variables depending on the model of normal behavior. Anomaly detection: whenever a data is analyzed, all models are analyzed and it is determined, based on the deviation from the predicted value, if the data are predicted with sufficient accuracy or not. If there is a large number of inaccuracies in a short space of time an anomaly will be raised. Failure diagnosis: based on anomalies have been detected, and by an expert system analyzes the rules that are fired at each iteration, which will be conducive to the accurate fault diagnosis. 4- Project phases The state of the art is a study of existing technologies and the earlier studies. It will focus on the study of last year s project developed by Alvaro de Marcos in 2009, being the starting point for the development of this project. The failure study aims to develop a scorecard that includes all potential failure modes in a photovoltaic plant and their causes, solutions, description and impact. It is also in this moment when the failure modes which we will be able to correctly detect are identified. Statistical analysis is the study of one-dimensional and multidimensional data collected from the real time data acquisition system, from which you can define which variables are important and which not to explaining the behavior of a photovoltaic plant. At the same time it will be considered whether the samples are distorted or not to choose a good training set. The model developing consists in two phases: 1. Creation of the training set: using the data collected and based on statistical analysis, it creates a set of broad and varied enough training data to carry out the development of models. 2. Development of behaviour models, are produced multilayer perceptron models and transfer function for five different models, each analyzed in both summer and winter. To develop the models will use the tool provided by the iit IDAT the Universidad Pontificia de Comillas VII
9 Diagnosis is based in failure analysis and model developing. It has two phases: 1. Anomaly Detection: from the obtained models define a put for abnormalities in each of them, which are the basis for fault diagnosis 2. Fault diagnosis: having defined anomaly detection, fault diagnosis is a series of rules that define what failure of the PV system is failing each time. The development of the monitoring tool is based on the previous models, which will be entered into the tool. The tool, every time it receives new data, passes it through each model and compares the result obtained for each variable with the value received as data. In case of predicted and actual values are significantly distant, anomalies will be raised and the failure will be reported to the user. Since the tool is not able to detect all possible faults in a solar system it is necessary to study which aspects can be improved to achieve greater range and greater accuracy. Also, once development is over, improvements from previous systems will be analyzed as conclusions. 5- Conclusions The ultimate goals of this project are: developing a tool to monitor the behavior of a photovoltaic plant in the level of abstraction possible today and lay the groundwork for, in the near future, increasing the range of detected faults and their diagnosis accuracy. Through this study, it is specifically defined in what ways it has improved the previous study, as well as what improvements should be analyzed in the future. VIII
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