CN116298720A - 一种电缆老化状态测试装置、方法、设备、终端及评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电缆系统诊断技术领域，公开了一种电缆老化状态测试装置、方法、设备、终端及评估系统，提取声学信号，设计超声信号采集卡、A/D转换器并确定主控器件，实现超声检测硬件系统分析；利用采样控制模块、数字信号处理模块、数据存储模块、数据传输模块和辅助模块构建超声检测系统软件平台；利用未老化交联聚乙烯电缆制备老化试样，进行介电响应特性测试、力学性能测试、体积电阻率测试和声学特性测试；根据隐马尔可夫模型和LSTM模型，利用主成分分析与特征提取算法进行特征处理，构建电缆老化评估系统，实现电缆状态预测与分析。本发明基于大数据与人工智能算法，实现对电缆老化状态的科学评估与预测，提高电力系统的运维水平。
Description
技术领域
本发明涉及电缆系统诊断技术领域，具体是一种电缆老化状态测试装置、方法、设备、终端及评估系统。
背景技术
对于电缆系统的诊断，现场应用的试验方法参见电缆预防性试验，一般分为两类，一类为绝缘耐压试验，另一类为绝缘特性试验。但电缆绝缘中存在的缺陷并不是都能通过试验暴露出来。而且上述试验又称破坏性试验，其本身就被认为是造成电缆绝缘损伤的潜在原因。
超声检测是一种无损检测方法，它特别适用于材料内部缺陷的检测，并且可以在一定程度上对缺陷进行检出、定位和评估。按照超声检测中所使用超声波的类型，可以分为横波检测法和纵波检测法两大类。其中，横波法检测灵敏度高，但缺陷定位复杂；纵波法使用直探头将超声纵波垂直于工件表面射入工件中，检测灵敏度相对较高，但缺陷定位容易，结果明晰直观，适合对缺陷进行深入分析与评估。纵波法主要分为透射法和脉冲回波法两种，其中透射法使用两个探头分别收发超声波，对两个探头的相对位置要求较高，不适合自动化检测；脉冲回波法使用一个探头收发超声波，实现方法简单，适用于自动化检测。
目前，国内外普遍采用超低频0.1Hz正弦电压激励下的相关介质值来对XLPE电缆的整体绝缘老化、受潮和水树劣化等特性进行检测。但是现有技术受测试系统精度及外界环境波动的影响较大，测试结果通常并不能准确反应绝缘材料真实的绝缘状态。因此，亟需设计一种新的电缆老化状态测试方法。
通过上述分析，申请人发现现有技术存在的问题或缺陷为：
1)现有技术在进行检测时多具有不可逆转的破坏性
2)超声波定位方法复杂或具有极高的限制性，智能化程度低；
(3)检测受环境影响较大，检测结果不准确。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无破坏性，不受环境干扰且能够自动检测的电缆老化状态测试装置、方法、设备、终端及评估系统。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种电缆老化状态测试评估系统，电缆老化状态评估系统包括：采样控制模块、数字信号处理模块、数据存储模块、数据传输模块和辅助模块。
采样控制模块，用于在差分信号在进入AD芯片内部后，依次通过六级ADC模块的采样保持放大器缓冲；
数字信号处理模块，用于使用FIR带通滤波器模型对采样信号进行滤波处理；其中，数字信号处理包括有限冲击响应和无限冲击响应；
数据存储模块，用于基于Block Design环境通过DDR模块实现数据缓存、DDR模块读写控制以及PS-PL交互的功能；
数据传输模块，包括UDP模块、FIFO缓存模块以及信号跨时钟域同步模块，用于采用UDP协议进行数据传输业务；
辅助模块，包括复位模块、时钟管理模块、在线调试模块以及各功能模块之间的桥接交互模块，用于辅助整个软件系统的顺利运行。
进一步，在所述采样控制模块中，差分信号在进入AD采集模块内部之后，依次通过六级ADC模块缓冲。
当CLK为低电平时，差分输入信号直接被采样到一级ADC模块的输入采样保持电容器上，当CLK的上升沿到来时，采样保持电容器上的数据被保持，当CLK的电平为高时，采样保持电容器上的数据进入S/H放大器进行缓冲，经过缓冲后的数据进入SHIFT REGISTERAND CORRECTION模块中进行最后的矫正逻辑工作，以修复闪存和放大器偏移误差；同时一级ADC模块捕获SHIFT REGISTER AND CORRECTION模块的输出；当CLK回到低水平时，一级ADC模块捕获的数据被采样到第二级ADC模块的输入采样保持电容器上同时一级ADC模块重新采集下一个差分输入信号；
同理，在差分输入信号被一级ADC模块捕获后，依次经过二级ADC模块、三级ADC模块、四级ADC模块、五级ADC模块以及六级ADC模块的缓冲，最后六级ADC模块输出该模块在SHIFT REGISTER AND CORRECTION模块中捕获的输出。
进一步，所述数字信号处理模块使用FIR带通滤波器模型对采样信号进行滤波处理，其中FIR带通滤波器的开发平台为基于MATLAB的filterDesigner平台，设计时采用通带频率为1MHz到8MHz，截止频率为截止频率分别为0.5MHz和9MHz的FIR带通滤波器；使用Kaiser窗函数同时调整主瓣宽度特性与旁瓣宽度特性，采用Kaiser窗的窗函数进行滤波，阶数为149；而ZYNQ模块中FIR带通滤波器的IP核的工作模式则是通过FIR带通滤波器信道来选择的；利用奇次项滤波器脉冲响应的对称性的特点在MATLAB中将FIR带通滤波器中的浮点数类型数据转为定点数类型数据，生成滤波器抽头系数，将滤波器抽头系数导入ZYNQ模块中带通滤波器的IP核中；最后将MATLAB生成的混频波波形导成支持FPGA识别的16进制COE类型文件并存入RAM中；
其中，ZYNQ模块中FIR带通滤波器的IP核工作模式包括单速率FIR、插值FIR、解码FIR以及Hilbert变换；ZYNQ模块中FIR带通滤波器的IP核支持加载多个滤波器系数。
进一步，所述数据存储模块中，DDR模块挂载在ZYNQ模块的PS端口，而其他模块均在PL端口运行编译；数据存储模块基于Block Design的环境设计实现数据缓存、DDR模块读写控制以及在PS端口和PL端口之间数据交互交互；ZYNQ模块中PS端口和PL端口之间的数据通信通过AXI接口实现，AXI协议包括读数据、读地址、写数据、写地址以及写响应共五个独立通道；在执行读操作时，主机通过读地址通道发出控制信息和读地址信息，从机从读数据通道返回读数据；在写数据后，从机向主机返回写响应信号，表示成功向从机写入数据，每次读写均是突发传输，传输量由在控制信息中给出；
DDR模块的读写控制是由自定义封装的IP核完成；DDR模块的每次读写操作均是以突发传输进行，设定的突发传输长度为256，每个地址对应32bit位宽的数据，单包数据量为1024Byte；对于写侧，数据通过DDR模块写数据缓存FIFO，通过判断FIFO中的数据个数判定是否写入DDR模块；每突发写数据一次，跳转至空闲状态，写地址加上1024，当连续写入200次后则停止写操作，直到下一次脉冲使能有效后再次进入写状态；对于读侧，写操作完成后，通过判断DDR模块的读写地址以及以太网的指令信息以判定是否进入读DDR模块状态，每突发读完一次，读地址加1024，直到检测到以太网发包完成计数200个后进入空闲状态；等待下一次写数据有效后，将计数器清零，至此完成一次读写过程。
进一步，所述数据传输模块包括UDP模块、FIFO缓存模块以及信号跨时钟域同步模块；
以太网MAC层和PHY之间通过RGMII接口进行数据传输；RGMII接口为双沿采样模式；当FPGA作为发送端，PHY作为接收端时，在TXC上升沿发送字节的低4位，在TXC下降沿发送字节的高4位；在接收端一侧，PHY内部自动对发送端时钟TXC进行调整，使之与发送数据中心对齐；当PHY作为发送端，FPGA作为接收端时，PHY侧通过内部电路直接产生与数据中心对齐的RXC时钟，故FPGA侧除添加时序约束命令外无需添加额外的逻辑；
采样控制模块对控制命令包进行解析，根据接收到的命令字符串与内部状态机寄存器的值做比较，从而进行状态的跳转和切换；当接收到的命令为aa时，数据传输模块的内部状态机跳转至单次发包状态；确定两包间的时隙为40us时，使得连续发送200个数据包不会出现掉包的情况，同时发送指令到采样控制模块，采集200个包共51200个点的数据。
进一步，所述辅助模块采用C++语言进行设计完成人机交互界面设计；人机交互界面分为命令控制区和波形显示区，命令控制区使用UDP协议通过千兆网口发送控制命令字符串到下位机，实现对ZYNQ模块侧的采样控制以及波形数据的保存；波形显示区坐标轴的横轴上图形的数据为200个数据包共计51200个数据点，每间隔1s刷新一次波形数据；
上位机的主线程在启动后，通信子线程需要完成数据的接收工作、解析工作以及控制命令的发送工作，通过控制命令符进入通信子线程；当子线程判定报文有效后，将接收到的数据送至数据缓冲区进行缓存，同时通过调用MATLAB动态链接库完成FFT变换，随后绘制时域波形图和频域波形图；通过判断发送指令是否完成来作为数据波形的刷新和程序结束命令的依据；
其中，接收端和发送端均包括各自独立的线程。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的电缆老化状态评估系统的电缆老化状态测试方法，电缆老化状态测试方法包括以下步骤：
步骤一，提取声学信号，设计超声信号采集卡、A/D转换器并确定主控器件，进而实现超声检测硬件系统分析；
步骤二，利用采样控制模块、数字信号处理模块、数据存储模块、数据传输模块和辅助模块构建超声检测系统软件平台；
步骤三，利用未老化交联聚乙烯电缆制备老化试样，并分别进行介电响应特性测试、力学性能测试、体积电阻率测试和声学特性测试；
步骤四，根据隐马尔可夫模型和LSTM模型，利用主成分分析与特征提取算法进行特征处理，构建电缆老化评估系统，实现电缆状态预测与分析。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的电缆老化状态测试方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的电缆老化状态测试方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的电缆老化状态评估系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体内容如下：
本发明提供的电缆老化状态测试方法实现了以下目标：
(1)基于电缆老化状态无损检测的超声样机开发
基于超声波的时域反射原理，开发适用于XLPE电缆及其附件的超声检测样机，样机具备完善的硬件测试系统与数据处理能力，可用于检测超声波在电缆及其附件中的传播特性，从超声信号的时域特性、频域特性、声速特性入手，建立材料老化特性与超声特性之间的内在联系，并根据测试结果实现电缆内部的结构成像。
(2)聚乙烯老化特性的试验分析
分析电热老化条件下聚乙烯的老化特性，着眼于老化前后材料理化特性、电学特性、力学特性、声学特性的变化规律，获得相应的老化特性参数与特征指标，并结合实际系统中不同服役年限电缆的特性参数，完成原始数据积累。
(3)电缆老化智能评估系统开发
利用前期获得的电缆老化试验结果以及实际服役电缆的运行数据，完成特征指标的数据清洗、特征优选与数据降维，并利用隐马尔可夫模型和LSTM模型，开发适用于不同电压等级的电缆老化状态智能评估系统，实现对电缆状态的预测与分析。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明搭建用于测试电缆老化状态的超声样机，并根据人工老化试验获得的基本老化特性参数，建立基于LSTM模型的电缆寿命预测模型，为电力电缆的智能运维提供保障与技术支持，完成基于超声无损检测的电缆老化状态分析样机一套，从声学的角度建立电缆老化与超声传播特性间的内在联系，并同时实现电缆内部结构的精确成像；结合老化电缆的理化特性、电学特性、力学特性与声学特性，基于大数据与人工智能算法，开发电缆老化状态智能分析系统一套，实现对电缆老化状态的科学评估与预测，切实提高电力系统的运维水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的电缆老化状态测试方法流程图；
图2是本发明实施例提供的硬件系统结构框图；
图3是本发明实施例提供的软件系统功能框图；
图4是本发明实施例提供的数据存储模块原理图；
图5是本发明实施例提供的以太网传输系统框图；
图6是本发明实施例提供的辅助模块原理图；
图7是本发明实施例提供的介电谱测试等效电路图；
图8是本发明实施例提供的拉伸试验中哑铃状试样尺寸示意图；
图9是本发明实施例提供的超声波反射与透射示意图；
图10是本发明实施例提供的超声波在界面处折射示意图；
图11是本发明实施例提供的脉冲回波法示意图；
图12是本发明实施例提供的A扫描显示示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电缆老化状态测试装置、方法、设备、终端及评估系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，本实施例是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的电缆老化状态测试方法包括以下步骤：
S101，提取声学信号，设计超声信号采集卡、A/D转换器并确定主控器件，进行超声检测硬件系统分析。
S102，利用采样控制模块、数字信号处理模块、数据存储模块、数据传输模块和辅助模块构建超声检测系统软件平台。
S103，利用未老化交联聚乙烯电缆制备老化试样，并分别进行介电响应特性测试、力学性能测试、体积电阻率测试和声学特性测试。
S104，根据隐马尔可夫模型和LSTM模型，利用主成分分析与特征提取算法进行特征处理，构建电缆老化评估系统，进行电缆状态预测与分析。
作为优选实施例，本发明实施例提供的电缆老化状态测试方法具体包括：
(1)提取声学信号，设计超声信号采集卡、A/D转换器并确定主控器件，进行超声检测硬件系统分析：
本发明的设计思路如下：
如图2所示，在超声检测中，对超声信号的提取至关重要，为了能够提取到有效的信号，首先从超声波的波源着手，超声换能器具备作用距离远、频带宽的特点，能够将电压信号加载在内部的压电晶片上，利用压电效应使电能转换成声能，以机械波的形式传播。而要想获得高幅值的超声波，发送端超声换能器的压电常数需要选用压电常数高的晶体材料，除此之外还需要使用高压脉冲激励模块。
其中，超声换能器包括发送端超声环能器以及接收端超声换能器。发送端超声换能器用于向待测设备发送超声波，接收端超声换能器用于接收从待测设备侧反射回的超声波。
其中，高压脉冲激励模块包括脉冲驱动子模块以及升压子模块。脉冲驱动子模块用于初步将ZYNQ模块核心模块发送的激励脉冲串放大，升压子模块用于将脉冲放大模块输出的信号进行二次放大并发送给发送端超声换能器。
在接收端超声换能器接收到超声波后，为提高超声波的检测质量，要对信号进行预处理，因此需要设置信号预处理模块，其中信号预处理模块包括如下内容：
1)为避免接收端超声换能器接收的超声波信号中存在高强度信号或干扰有可能损坏系统内部件。因此需要设置输入限幅子模块；
2)为增强本系统的抗干扰能力，需要在信号采集电路中设置单端转差分子模块，不仅提高了共模噪声的抑制能力，降低二次谐波失真，实现了更高的信噪比，还能够提提供较大的信号幅度；
3)由于超声波在传播途中，会造成很大程度的衰减，因此需要在信号采集电路中设置增益放大子模块进一步放大接收端超声换能器接收到的信号。
在信号采集方面方面，本发明设计了100MSPS的超声信号采集模块，以满足信号频带要求。更为具体的，信号采集模块的设计思路在于：
超声波中的信号分量相较于基频信号来说十分微弱，为了能够更好的捕捉到超声信号以及提高精度，本发明选取ADI公司LTC2252作为AD采集模块，最高105MSPS采样率的无漏失码的12位高速并行A/D转化器，微分非线性为±0.15LSB，积分非线性为±0.3LSB。工作时钟可根据FPGA的可拓展IO灵活调节，正常工作状态下功耗低至320mW，其低功耗、高频、宽动态范围的工作特性，极适用于应用在工业超声领域提取频带中幅值较小的信号分量。
时钟信号的质量决定了LTC2252的噪声性能与模拟输入信号的品质，时钟信号线上的任何噪声都会导致额外的孔径抖动，从而造成源端的宽带噪声以及形成失真产物，因此，本发明将时钟线和信号线分别布在电路板的顶层和底层，中间层用地隔开，在保证等长的情况下，尽可能缩短与ZYNQ模块的走线。采用的A/D转换器采样率较高，由12位并行信号线进行传输，为了尽可能减少高频信号直接的相互耦合引入的串扰，信号线之间的距离保持3倍线宽的布线规则。
ZYNQ模块的PL端口通过扩展I/O口发出激励脉冲串，经过脉冲激励发生器进一步驱动和放大后，激励2.5MHz的发送端超声换能器，产生一束超声波，射入待测设备。
在接收端用5MHz的超声换能器接收其高次谐波信号，信号经过AD采集电路，送至ZYNQ模块核心模块进行数字信号处理，之后再送入DDR模块中进行存储，最后通过以太网发送至上位机。
在主控电路方面，本发明采用正点原子的ZYNQ模块核心模块作为超声检测系统的主控器件，ZYNQ模块是Xilinx公司的一款全可编程片上系统，该系统集成了一个28nm工艺的7系列FPGA和双核ARM Cortex-A9处理器，系统性能、灵活性及可扩展性相较于传统FPGA有了大幅提升。除此之外，ZYNQ模块底层嵌入了一个DSP内核，能够满足设计的超声检测系统中对数字信号进行处理的需求。该核心板上还搭载了2片NANYA的2GbitDDR模块3存储器，能够满足本设计所需要的硬件逻辑门阵列资源和存储要求。
(2)超声检测系统软件平台开发：
本发明设计的系统功能划分为采样控制模块、数字信号处理模块、数据存储模块、数据传输模块和辅助模块五大功能模块，具体功能框图如图3所示。
采样控制模块：
差分信号在进入AD采集模块内部之后，依次通过六级ADC模块缓冲。
差分信号进入一级ADC模块缓冲的过程如下：当CLK为低电平时，差分输入信号直接被采样到一级ADC模块的输入采样保持电容器上，当CLK的上升沿到来时，采样保持电容器上的数据被保持，当CLK的电平为高时，采样保持电容器上的数据进入S/H放大器进行缓冲，经过缓冲后的数据进入SHIFT REGISTER AND CORRECTION模块中进行最后的矫正逻辑工作，以修复闪存和放大器偏移误差。同时一级ADC模块捕获SHIFT REGISTER ANDCORRECTION模块的输出。当CLK回到低水平时，一级ADC模块捕获的数据被采样到第二级ADC模块的输入采样保持电容器上，与此同时，一级ADC模块重新采集下一个差分输入信号；
与差分信号进入一级ADC模块缓冲的过程相同，当差分输入信号被一级ADC模块捕获后，依次经过二级ADC模块、三级ADC模块、四级ADC模块、五级ADC模块以及六级ADC模块的缓冲，最后六级ADC模块输出其在SHIFT REGISTER AND CORRECTION模块中捕获的输出。
数字信号处理模块：
数字信号处理可分为有限冲击响应和无限冲击响应，IIR相较于FIR滤波器，在实现相同滤波参数的情况下，阶数更低，结构更为简单，消耗的硬件资源也更少，其相位也呈非线性，需要通过全通网络实现相位校正，若仅从频域角度考虑本项目需要，为了节省资源，应当使用IIR滤波器进行数字信号处理。但是从时域角度考虑，应当保证信号波形在传输过程中不能有明显的失真，并且用FPGA实现IIR滤波器比FIR滤波器相对复杂度更高，综合考量之后，本发明采用FIR滤波器模型对采样信号进行滤波处理。
本发明基于MATLAB的filterDesigner平台，拟设计一个通带频率为1MHz到8MHz的FIR带通滤波器，截止频率分别为0.5MHz和9MHz，基于Kaiser窗函数可以同时调整主瓣宽度特性与旁瓣宽度的特性，本项目选用Kaiser窗的窗函数进行滤波，阶数为149。
在ZYNQ模块中FIR带通滤波器的IP核的工作模式包括单速率FIR、插值FIR、解码FIR、Hilbert变换，ZYNQ模块中FIR带通滤波器的IP核支持加载多个滤波器系数。，通过选择响应的信道，实现不同滤波器的选择。本发明通过奇次项滤波器脉冲响应的对称性，试图简化计算量的同时节约ZYNQ模块中的DSP硬核资源。由于FPGA不支持浮点数运算，所以在MATLAB中将FIR带通滤波器中的相关参数由浮点数类型数据转为定点数类型数据，生成滤波器抽头系数，将滤波器抽头系数导入ZYNQ模块中带通滤波器的IP核中；最后将MATLAB生成的混频波波形导成支持FPGA识别的16进制COE类型文件并存入RAM中；存入RAM中，完成设计FIR带通滤波器的可靠性验证。
数据存储模块：
本发明中的数据存储是通过DDR模块实现的，而DDR模块是挂载在ZYNQ模块的PS端口的，而其他模块都是在PL端口运行编译的，因此需要用到PS端口的开发环境。为此，数据存储模块基于Block Design的环境设计实现，其原理框图如图4所示。该设计主要实现数据缓存、DDR模块读写控制、PS-PL交互的功能。
ZYNQ模块中PS端口和PL端口之间的数据通信需要通过AXI接口实现，AXI协议是一种高性能、高带宽、低延迟的片内总线，由读数据、读地址、写数据、写地址和写响应共五个独立通道组成，在执行读操作时，主机通过读地址通道发出控制和读地址信息，从机从读数据通道返回读数据；写操作流程类似于读操作，不同的是在写数据之后，从机会向主机返回一个写响应信号，表示成功向从机写入数据，每次读写都是突发传输，传输量由在控制信息中给出。
DDR模块的读写控制是由自定义封装的IP核完成。DDR模块的每次读写操作都是以突发传输进行的，考虑到以太网发包计算便捷度以及单包数据长度，设定的突发传输长度为256，每个地址对应32bit位宽的数据，单包数据量为1024Byte。对于写侧，数据通过DDR模块写数据缓存FIFO，通过判断FIFO中的数据个数，来判定是否写入DDR模块，每突发写数据一次，跳转至空闲状态，写地址就会加上1024，当连续写入200次之后，停止写操作，直到下一次脉冲使能有效后，再次进入写状态。对于读侧，写操作完成后，此时的读写地址是不相等的，通过判断DDR模块的读写地址以及以太网的指令信息以判定是否进入读DDR模块状态，每突发读完一次，读地址加1024，直到检测到以太网发包完成计数200个之后，进入空闲状态，等待下一次写数据有效后，将计数器清零，至此完成一次读写过程。
数据传输模块：
数据传输模块主要由UDP模块、FIFO缓存模块以及信号跨时钟域同步模块，其功能框图如图5所示。
以太网是目前应用最为广泛的局域网通信方式，常见的有TCP协议和UDP协议，TCP相较于UDP具有更高的稳定性和可靠性，考虑到TCP协议最初是基于软件灵活性设计的，若通过硬件逻辑电路设计，工程繁琐之外，其可靠性和稳定性也得不到保障，而且目前也极少有成功应用的RTL级TCP协议设计，因此选用UDP协议进行数据传输业务。
以太网MAC层和PHY之间通过RGMII接口进行数据传输。RGMII接口为双沿采样模式。当FPGA作为发送端，PHY作为接收端时，在TXC上升沿发送字节的低4位，在TXC下降沿发送字节的高4位，在接收端一侧，PHY内部会自动对发送端时钟TXC进行调整，使之与发送数据中心对齐，保障建立、保持时间不会出现时序违例，从而确保接收端采集到正确的数据。当PHY作为发送端，FPGA作为接收端时，PHY侧通过内部电路直接产生与数据中心对齐的RXC时钟，所以FPGA侧除了添加set_input_delay时序约束命令外，无需添加额外的逻辑，来保证接收数据的正确性。
采样控制模块对控制命令包进行解析，根据接收到的命令字符串与内部状态机寄存器的值做比较，从而进行状态的跳转和切换。当接收到的命令为aa时，数据传输模块的内部状态机跳转至单次发包状态，由于UDP协议只管发包而不理会接收方是否接收到该包，存在掉包的风险。确定两包间的时隙为40us时，能够保证连续发送200个数据包不会出现掉包的情况，同时发送指令到采样控制模块，采集200个包共51200个点的数据。
辅助模块：
除去上述功能模块，设计中还包含其它一些模块以辅助整个软件系统的顺利运行。如复位模块、时钟管理模块、在线调试模块以及各功能模块之间的桥接交互模块。其RTL级视图如图6所示。
上位机平台：
为了能够直观的观察到超声检测系统采集到的信号波形以及实现更为简单、便捷的人机交互控制，基于QT的图形用户界面应用程序的开发，采用C++语言进行设计，完成人机交互界面的设计。人机交互界面主要分为命令控制区和波形显示区，其中命令控制区实现的主要功能是使用UDP协议通过千兆网口发送控制命令字符串到下位机来实现对ZYNQ模块侧的采样控制以及波形数据的保存。在波形显示区坐标轴的横轴上一幅图形的数据为200个数据包共计51200个数据点，每间隔1s刷新一次波形数据。
上位机需要长时间接收并处理大量的数据，为了不让主线程耗费在数据的接收和解析上，需要使用子线程来完成这项费时的任务。主线程在启动之后，通过控制命令符，进入通信子线程，当子线程判定报文有效后，会将接收到的数据送至数据缓冲区进行缓存，与此同时，通过调用MATLAB动态链接库，完成FFT变换，最后绘制时、频域波形图。通过判断发送指令，进行数据波形的刷新和程序结束命令。通信子线程主要完成数据的接收工作、解析工作和控制命令的发送工作，接收端和发送端都有各自独立的线程，以防在接收数据时，发送控制命令所造成的界面卡顿现象。
(3)老化试样制备、测试与分析
对电缆施加电压后，其内导体会有电流通过，产生大量热量，该热量沿电缆径向向外扩散。因此热是运行的电缆绝缘长期老化的重要因素之一。本发明首先选用110kV未老化交联聚乙烯电缆，沿电缆轴向切片，制备片状试样。根据国际电工委员会提供的参考温度IEC-60811-1-2(2000-07)，分别对片状试样进行100℃、120℃、140℃热老化，得到一系列热老化试样。而电老化则是在热老化的基础上，施加以10kV的交流电压。
傅里叶红外光谱测试：
介质老化过程中会伴随着分子链的断裂和化学反应，因此导致分子层次上化学键和官能团的变化。XLPE电缆绝缘在老化过程中会受到环境、电场的作用，化学键发生断裂，在O2、热和水分的环境下随之发生化学组分的变化。而不同的化学键、官能团，其振动能级从基态跃迁到激发态需要吸收不同波长λ的红外光。不同的化学键、官能团都具有特定的能级，当红外光照射到物质上时，不同化学键和官能团选择性地吸收不同波长(波数)的红外光，从而该波长的透射光能量降低。因此可采用百分透过率(T％)表征不同波长的红外光吸收程度。在具体测试时，采用红外光谱仪记录红外光百分透过率与波数之间的关系，通过红外光谱测量可以得到物质分子振动光谱，分子基团与其红外吸收带之间存在着对应关系，利用FTIR谱线提供丰富的分子结构信息。
微观形貌观测：
对于交联聚乙烯表面微观形貌，本发明采用扫描电子显微镜观测XLPE试样中球晶形态。为了更清晰地观察XLPE试样中球晶的大小及形态，需要对试样进行预处理。预处理的方法如下：
1)将98％浓硫酸和高锰酸钾粉末(质量比为20：1)配制成混合溶液；
2)混合溶液置于1.5L烧杯中，并将试样完全浸没在混合溶液里进行腐蚀处理。腐蚀时间通过多次尝试后最终确定。与此同时，为了使得试样腐蚀均匀，在腐蚀的过程中每隔0.5h用玻璃棒搅拌一次；
3)待腐蚀结束后，将试样从腐蚀液中取出，先用清水冲洗，再用超声波清洗器清洗5～10mins，然后在室温下晾干；
4)最后采用离子溅射仪在XLPE试样的待测面上溅射金电极，并最终完成试样的观测。
介电响应特性测试：
介电谱可以有效表征绝缘介质微观性质。本发明使用宽频介电谱测试系统，对试样进行介电频谱测试。试验用宽带介电谱测试系统的测试电路原理图如图7所示，图中Cedge和Cs分别表示边缘电容和杂散电容。测试前先将平板试样两面真空溅射电极，确保试样与系统电极接触良好。在测试过程中，试样两端加偏压幅值为1V。试验测试温度为20℃，试验频率范围为0.1～106Hz。
力学性能测试：
拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料力学特性的试验方法。利用拉伸试验得到的应力-应变曲线可以确定材料的断裂伸长率、弹性模量、拉伸强度及屈服强度等指标。本发明依照国标GB/T 1040-2006对XLPE试样进行拉伸试验，拉伸试验速率为100mm/min。拉伸试验所用哑铃状试样尺寸如图8所示。
体积电阻率测试：
绝缘电阻是表征介质阻止电流流通能力的基本参数之一，绝缘电阻过小，会引起泄漏电流过大，使得介质发热严重，可能导致介质老化甚至被破坏。体积电阻率是介质的本征参数，与试样的几何尺寸无关，直观地表征材料的绝缘性能。本发明采用标准三电极系统测试体积电阻率，测试环境为室温，测试电压为0.9kV，每组试样测试5片，取平均值作为测试结果。
声学特性测试：
本发明利用开发的超声样机，对电缆主绝缘中老化的交联聚乙烯的声学特性进行测试，获得老化前后超声声速在交联聚乙烯中的变化情况。考虑到超声信号固有的非平稳特性以及在老化电缆传播中所产生的随机性，采用短时傅里叶变换对超声信号进行分析。提取信号的时频特征，以便有效反映信号的频率随时间的变化规律，获取时频域内回波信号特征的变化规律。
(4)电缆老化评估系统的开发：根据隐马尔可夫模型和LSTM模型，利用前期试验获得的电缆老化的理化特性、机械特性、电气特性、超声特性参数，利用主成分分析与特征提取算法首先对上述特征进行降维与特征提取，并结合实际不同服役年限电缆的实际特性，开发电缆老化评估系统。
二、实施例2
本实施例为实施例1的应用。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
本发明使用纵波检测法中的脉冲回波法用于电缆材料的检测。
声波以机械波的形式在介质中传播，当质点的振动频率高于20KHz时，称为超声波，其本质仍然是振动在介质中的传播，是弹性介质的机械振动。
因此，在传播过程中，其波速和频率满足以下关系：
式中，λ表示波长，m；c表示波速，m·s-1；f表示频率，Hz。从上式中可知，波长与频率成反比，在同一均匀介质中，波速一定，频率越大，波长越小。
介质中有超声波存在的区域称为超声场。在介质不受任何外力时，其本身具有的压强称为静压强，在超声场中，由于质点的振动，导致平衡区压强时弱时强，这个变化的压强与静压强之差称为超声波的声压。介质中的声压为：
P＝ρcv
式中，P表示介质中的声压，Pa；ρ表示介质的密度，kg·m-3；c表示介质声速，m·s-1；v表示介质中质点振动速度，m·s-1。
超声场中任意一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗Z，即：
式中，Z表示声阻抗，kg·m-2s-1；P表示声压，Pa；v表示质点振动速度，m·s-1。显然，在同一声压下，ρc越大，质点振动速度越小；反之，ρc越小，质点振动速度越大。因此也将ρc称为介质的特性声阻抗，即：
Z＝ρc
式中，Z表示声阻抗，kg·m-2s-1；ρ表示介质的密度，kg·m-3；c表示介质中超声波波速，m·s-1。
超声波在介质中传播时，会遇到许多界面。这里的界面指的是声阻抗不同的材料的交界处。当平面波遇到一个与之传播方向垂直的界面时，一部分波会穿过界面进入另外一个介质，另一部分则会在界面处发生反射，如图9所示。
通过界面的声压反射系数和声压透射系数建立反射波声压与入射波声压的关系：
式中，R表示界面声压反射系数；PR表示反射波声压，Pa；P表示入射波声压，Pa；T表示界面声压透射系数；PT表示透射波声压，Pa。
同时，界面的反射系数R与透射系数T能通过形成界面的介质的声阻抗定义：
式中，Z1表示介质1的声阻抗，kg·m-2s-1；Z2表示介质2的声阻抗，kg·m-2s-1。
如图10所示，当声波斜射入界面时，折射波将以某一角度离开界面。入射角与折射角的关系由形成界面的介质的声速决定：
式中，α表示入射角，°；β表示折射角，°；c1表示介质1中的声速，m·s-1；c2表示介质2中的声速，m·s-1。
此外，当声波通过界面时，会发生波形转换。当一束纵波斜通过液固界面时，在固体中会同时产生纵波与横波，由于固体介质中纵波声速cL与横波声速cT不同，导致两种声波的折射角不同，这使得声波的传播情况变得相当复杂。但本项目使用纵波检测法，不考虑介质中横波的传播情况，因此关于超声横波在介质中的传播特性将不做进一步介绍。
超声波的衰减指超声波在介质中传播时，随传播距离的增大，垂直于声路上的声压逐渐减小。超声波在介质中的衰减机理很复杂，很难逐一地进行因素分析，因此在超声检测中是以视在衰减系数来表征。考虑声波在介质中的衰减时，声压与传播距离的关系为：
P＝P0exp(-αx)
式中，P表示距声源x处的声压，Pa；P0表示声源处的声压，Pa；α表示衰减系数，m-1；x表示距离，m。
以α表示的衰减系数是一个材料的综合性参数，它可以分为两部分，即：
α＝αs+αa
式中，α表示衰减系数，m-1；αs表示散射衰减系数，m-1；αa表示吸收衰减系数，m-1。
如图11～12所示，脉冲回波法的理论基础是超声波在不同声阻抗材料界面处的反射行为。超声波从超声探头中发射，经过耦合剂(声阻抗Z0)进入被检试样(声阻抗Z1)中，当超声波遇到界面(声阻抗Z2)时，会发生透射与反射，透射波将沿着入射波方将继续传播，反射波将沿与入射波相反的方向返回，并被超声探头所接收，并得到一条电压—时间曲线，该电压与探头上接收到的反射回波声压成正比，称为A扫描显示，简称A波。通过分析A波可以得到各个反射回波的幅值与时间，结合材料声速便能够计算出缺陷及界面所在的位置。
在本发明中，由于目前国际国内少有研究机构利用超声声速分析材料的老化特性，因而本发明的关键点在于如何建立起材料内部超声波的声学特性与材料老化特性之间的内在联系，进而为评估电缆老化提供理论依据。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所做出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电缆老化状态测试评估系统，其特征在于，包括：采样控制模块、数字信号处理模块、数据存储模块、数据传输模块以及辅助模块；所述采样控制模块用于在差分信号进入AD芯片内部后，依次通过六级ADC模块的采样保持放大器缓冲；所述数字信号处理模块用于使用FIR带通滤波器模型对采样信号进行滤波处理；其中，数字信号处理包括有限冲击响应和无限冲击响应；
所述数据存储模块用于基于Block Design环境通过DDR模块实现数据缓存、DDR模块读写控制以及在PS端口和PL端口之间数据交互的功能；所述数据传输模块用于进行数据传输；所述辅助模块，包括复位模块、时钟管理模块、在线调试模块以及各功能模块之间桥接的交互模块，用于辅助整个系统运行。
2.如权利要求1所述的一种电缆老化状态测试评估系统，其特征在于，在所述采样控制模块中，在差分信号进入AD采集模块内部之后，依次通过六级ADC模块缓冲；
当CLK为低电平时，差分输入信号直接被采样到一级ADC模块的输入采样保持电容器上，当CLK的上升沿到来时，采样保持电容器上的数据被保持，当CLK的电平为高时，采样保持电容器上的数据进入S/H放大器进行缓冲，经过缓冲后的数据进入SHIFT REGISTER ANDCORRECTION模块中进行最后的矫正逻辑工作，以修复闪存和放大器偏移误差；同时一级ADC模块捕获SHIFT REGISTER AND CORRECTION模块的输出；当CLK回到低水平时，一级ADC模块捕获的数据被采样到第二级ADC模块的输入采样保持电容器上同时一级ADC模块重新采集下一个差分输入信号；
同理，在差分输入信号被一级ADC模块捕获后，依次经过二级ADC模块、三级ADC模块、四级ADC模块、五级ADC模块以及六级ADC模块的缓冲，最后六级ADC模块输出该模块在SHIFTREGISTER AND CORRECTION模块中捕获的输出。
3.如权利要求1所述的一种电缆老化状态测试评估系统，其特征在于，所述数字信号处理模块使用FIR带通滤波器模型对采样信号进行滤波处理，其中FIR带通滤波器的开发平台为基于MATLAB的filterDesigner平台，设计时采用通带频率为1MHz到8MHz，截止频率为截止频率分别为0.5MHz和9MHz的FIR带通滤波器；使用Kaiser窗函数同时调整主瓣宽度特性与旁瓣宽度特性，采用Kaiser窗的窗函数进行滤波，阶数为149；而ZYNQ模块中FIR带通滤波器的IP核的工作模式则是通过FIR带通滤波器信道来选择的；利用奇次项滤波器脉冲响应的对称性的特点，在MATLAB中将FIR带通滤波器中的相关参数由浮点数类型数据转为定点数类型数据，生成滤波器抽头系数，将滤波器抽头系数导入ZYNQ模块中带通滤波器的IP核中；最后将MATLAB生成的混频波波形导成支持FPGA识别的16进制COE类型文件并存入RAM中；
其中，ZYNQ模块中FIR带通滤波器的IP核工作模式包括单速率FIR、插值FIR、解码FIR以及Hilbert变换；ZYNQ模块中FIR带通滤波器的IP核支持加载多个滤波器系数。
4.如权利要求1所述的一种电缆老化状态测试评估系统，其特征在于，所述数据存储模块中，DDR模块挂载在ZYNQ模块的PS端口，而其他模块均在PL端口运行编译；数据存储模块基于Block Design的环境设计实现数据缓存、DDR模块读写控制以及在PS端口和PL端口之间数据交互交互；ZYNQ模块中PS端口和PL端口之间的数据通信通过AXI接口实现，AXI协议包括读数据、读地址、写数据、写地址以及写响应共五个独立通道；在执行读操作时，主机通过读地址通道发出控制信息和读地址信息，从机从读数据通道返回读数据；在写数据后，从机向主机返回写响应信号，表示成功向从机写入数据，每次读写均是突发传输，传输量由在控制信息中给出；
DDR模块的读写控制是由自定义封装的IP核完成；DDR模块的每次读写操作均是以突发传输进行，设定的突发传输长度为256，每个地址对应32bit位宽的数据，单包数据量为1024Byte；对于写侧，数据通过DDR模块写数据缓存FIFO，通过判断FIFO中的数据个数判定是否写入DDR模块；每突发写数据一次，跳转至空闲状态，写地址加上1024，当连续写入200次后则停止写操作，直到下一次脉冲使能有效后再次进入写状态；对于读侧，写操作完成后，通过判断DDR模块的读写地址以及以太网的指令信息以判定是否进入读DDR模块状态，每突发读完一次，读地址加1024，直到检测到以太网发包完成计数200个后进入空闲状态；等待下一次写数据有效后，将计数器清零，至此完成一次读写过程。
5.如权利要求1所述的一种电缆老化状态测试评估系统，其特征在于，所述数据传输模块包括UDP模块、FIFO缓存模块以及信号跨时钟域同步模块；
以太网MAC层和PHY之间通过RGMII接口进行数据传输；RGMII接口为双沿采样模式；当FPGA作为发送端，PHY作为接收端时，在TXC上升沿发送字节的低4位，在TXC下降沿发送字节的高4位；在接收端一侧，PHY内部自动对发送端时钟TXC进行调整，使之与发送数据中心对齐；当PHY作为发送端，FPGA作为接收端时，PHY侧通过内部电路直接产生与数据中心对齐的RXC时钟，故FPGA侧除添加时序约束命令外无需添加额外的逻辑；
采样控制模块对控制命令包进行解析，根据接收到的命令字符串与内部状态机寄存器的值做比较，从而进行状态的跳转和切换；当接收到的命令为aa时，数据传输模块的内部状态机跳转至单次发包状态；确定两包间的时隙为40us时，使得连续发送200个数据包不会出现掉包的情况，同时发送指令到采样控制模块，采集200个包共51200个点的数据。
6.如权利要求1所述的一种电缆老化状态测试评估系统，其特征在于，所述辅助模块采用C++语言进行设计完成人机交互界面设计；人机交互界面分为命令控制区和波形显示区，命令控制区使用UDP协议通过千兆网口发送控制命令字符串到下位机，实现对ZYNQ模块侧的采样控制以及波形数据的保存；波形显示区坐标轴的横轴上图形的数据为200个数据包共计51200个数据点，每间隔1s刷新一次波形数据；
上位机的主线程在启动后，通信子线程需要完成数据的接收工作、解析工作以及控制命令的发送工作，通过控制命令符进入通信子线程；当子线程判定报文有效后，将接收到的数据送至数据缓冲区进行缓存，同时通过调用MATLAB动态链接库完成FFT变换，随后绘制时域波形图和频域波形图；通过判断发送指令是否完成来作为数据波形的刷新和程序结束命令的依据；
其中，接收端和发送端均包括各自独立的线程。
7.一种电缆老化状态测试方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一，提取声学信号，设计超声信号采集卡、A/D转换器并确定主控器件，进行超声检测硬件系统分析；
步骤二，利用采样控制模块、数字信号处理模块、数据存储模块、数据传输模块以及辅助模块构建超声检测系统；
步骤三，利用未老化交联聚乙烯电缆制备老化试样，分别进行介电响应特性测试、力学性能测试、体积电阻率测试和声学特性测试；
步骤四，根据隐马尔可夫模型和LSTM模型，利用主成分分析与特征提取算法进行特征处理，构建电缆老化评估系统，进行电缆状态预测与分析。
8.一种计算机设备，其特征在于，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求7所述电缆老化状态测试方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求7所述电缆老化状态测试方法的步骤。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，信息数据处理终端用于实现如权利要求1～6任意一项所述电缆老化状态评估系统。
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