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Akustik als Frühwarnsystem für Wasserkraftwerke
Forschungspartnerschaft von ICV-HSG und illwerke vkw verbessert die Überwachung von Wasserkraftwerken durch intelligente Anomalie-Erkennung.
Wasserkraftwerke zählen aufgrund der topografischen Gegebenheiten zu den wichtigsten Säulen der Energieversorgung in Vorarlberg. Um ihren zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, müssen Störungen möglichst früh erkannt werden. Ein gemeinsames Forschungsprojekt des Instituts für Computer Science in Vorarlberg (ICV-HSG) der Universität St. Gallen und der illwerke vkw, Vorarlbergs führendem Energie- und Infrastrukturunternehmen, geht daher neue Wege in der Überwachung von Wasserkraftwerken. Im Mittelpunkt steht eine zustandsbasierte Lösung, die ungewöhnliche Ereignisse im Anlagenbetrieb frühzeitig erkennt und lokalisiert. Neben klassischen Betriebsdaten dient dabei erstmals Luftakustik als zusätzliche Informationsquelle.
Das gemeinsame Forschungsprojekt zwischen dem ICV-HSG und der illwerke vkw nutzt akustische Signale aus dem Kraftwerk, um Störungen frühzeitig zu erkennen.
Vom Geräusch zur verwertbaren Information
„Die Idee ist, Anlagen gewissermaßen hören zu lassen“, erklärt Prof. Dr. Bruno Rodrigues, Assistenzprofessor Embedded Sensing Systems am ICV-HSG. „Mithilfe kostengünstiger Luftschallmikrofone, die wir im Kraftwerk installiert haben, sollen mechanische Defekte, Leckagen oder andere Anomalien erkannt werden, bevor sie zu größeren Problemen führen.“ Die technische Herausforderung ist beträchtlich: Wasserkraftwerke sind äußerst laute Umgebungen. Um relevante Informationen zu gewinnen und für die weitere Analyse nutzbar zu machen, müssen die Signale erfasst, aufwendig vorverarbeitet und mithilfe komplexer Filterverfahren von Hintergrundgeräuschen getrennt werden.
Prof. Dr. Bruno Rodrigues, Assistenzprofessor Embedded Sensing Systems mit dem Team des ICV-HSG
Wir konnten nachweisen, dass Anomalien in einem Laborprototyp zuverlässig erkannt und lokalisiert werden können. Für den Einsatz in realen Kraftwerken kombinieren wir die akustischen Erkenntnisse mit bestehenden Betriebsdaten. Dadurch lassen sich die Stärken einfacher Sensorik mit denen intelligenter Software verbinden und die Zuverlässigkeit der Überwachung weiter erhöhen.
Neue Wege in der Anlagenüberwachung
Die Innovation des Projekts liegt im Zusammenspiel einfacher Sensorik und intelligenter Software. Während klassische Überwachungssysteme vor allem auf sogenannten SCADA-Daten (Supervisory Control and Data Acquisition) basieren – technischen Betriebsdaten wie Turbinendrehzahl, Durchflussmengen oder Druckwerten –, erweitert der neue Ansatz diese Informationen um akustische Signale. Die komplexe Erkennung und Lokalisierung von Anomalien erfolgt softwaregestützt. „Wir konnten nachweisen, dass Anomalien in einem Laborprototyp zuverlässig erkannt und lokalisiert werden können“, so Rodrigues. „Für den Einsatz in realen Kraftwerken kombinieren wir die akustischen Erkenntnisse mit bestehenden Betriebsdaten. Dadurch lassen sich die Stärken beider Ansätze verbinden und die Zuverlässigkeit der Überwachung weiter erhöhen.“ Wie die Technologie nun unter realen Bedingungen funktioniert, wird aktuell im Rodundwerk II erprobt. „Aktuell nehmen wir das neue Messsystem in Betrieb und erfassen verschiedene Betriebszustände der Maschine, um den Normalbetrieb eindeutig zu identifizieren. Anschließend werden Anomalien an der Anlage simuliert, mit dem System analysiert und durch weitere Sensoren validiert“, erklärt Dr. Arne Schacht, Leiter des Kraftwerks Rodund.
Dr. Arne Schacht, Leiter des Kraftwerks Rodund, illwerke vkw
Aktuell nehmen wir das neue Messsystem in Betrieb und erfassen verschiedene Betriebszustände der Maschine, um den Normalbetrieb eindeutig zu identifizieren. Anschließend werden Anomalien an der Anlage simuliert, mit dem System analysiert und durch weitere Sensoren validiert.
Potenzial weit über das Projekt hinaus
Ein wesentlicher Erfolgsfaktor ist die enge Zusammenarbeit zwischen Forschung und Unternehmen. In kontinuierlichem Austausch werden Lösungen weiterentwickelt und an die Anforderungen des praktischen Betriebs angepasst. Für Bernhard Fäßler PhD, Leiter Innovationsmanagement bei der illwerke vkw, liegt genau darin der Mehrwert solcher Kooperationen: „Gerade bei komplexen Problemstellungen können Technologien oft nicht einfach am Markt gekauft werden, sondern müssen erst gezielt entwickelt werden. Hier entsteht hohes Synergiepotenzial, wenn konkretes Praxiswissen aus der Industrie mit der wissenschaftlichen Expertise und den methodischen Ansätzen der Forschung zusammengeführt wird.“
Bernhard Fäßler PhD, Leiter Innovationsmanagement, illwerke vkw
Kooperationen zwischen Forschung und Wirtschaft bringen einen großen Mehrwert mit sich. Gerade bei komplexen Problemstellungen können Technologien oft nicht einfach am Markt gekauft werden, sondern müssen erst gezielt entwickelt werden. Hier entsteht hohes Synergiepotenzial, wenn konkretes Praxiswissen aus der Industrie mit der wissenschaftlichen Expertise und den methodischen Ansätzen der Forschung zusammengeführt wird.
Unterstützt wird das Projekt durch regionale Fördermittel über das ICV-HSG sowie die Partnerschaft mit dem Land Vorarlberg. Das Potenzial der entwickelten Lösung reicht über die aktuelle Anwendung hinaus. Vorarlberg betreibt große Kraftwerksanlagen ebenso wie kleinere, abgelegene Wasserkraftwerke. Eine kostengünstige Überwachungslösung, die mechanische Defekte oder Wasserlecks frühzeitig erkennt und präzise lokalisiert, ermöglicht rasches Eingreifen und kann ungeplante Ausfälle sowie Wartungskosten deutlich reduzieren. Darüber hinaus sehen die Projektpartner Einsatzmöglichkeiten in weiteren Kraftwerken und industriellen Großanlagen. Künftig könnten etwa Leitschaufeln, Leckagen oder einzelne mechanische Komponenten automatisiert überwacht werden. Geplant sind zudem intelligente Schwellenwertanpassungen und der Aufbau einer Wissensdatenbank.
© illwerke vkw | © ICV-HSG | © Broell Fotografie
