摘 要：接地電阻可靠接地對電力系統(tǒng)的安全具有重要意義，目前接地電阻的測量主要靠人工手動測量，進行一次測量需要花費大量的時間和資金。針對這種現(xiàn)狀，本文基于自動測試理論，網(wǎng)絡通信和嵌入式技術(shù)設(shè)計出一套接地電阻自動監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的測試終端能夠自動測量接地電阻，多個終端的測量結(jié)果通過網(wǎng)絡自動上傳，監(jiān)測人員只需操作軟件即可完成測量過程。本系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提高了接地電阻的自動測量技術(shù)水平，系統(tǒng)已在鐵路系統(tǒng)的電力部門投入運行。 關(guān)鍵詞：接地電阻 ;自動測量;多點監(jiān)測 1 引言 　　各類建筑和設(shè)備，尤其電力系統(tǒng)終端，防雷地線必須可靠接地，以確保電流安全泄入大地。眾多雷害事故的調(diào)查報告及電網(wǎng)的安全運行實踐經(jīng)驗表明接地電阻的質(zhì)量關(guān)系電力系統(tǒng)安全。工程上為提高防雷地線的抗雷擊水平，必須降低地線的接地電阻。但是由于損傷，腐蝕，干旱等因素的影響，接地電阻很可能發(fā)生較大變化，因此，接地電阻阻值大小的實時監(jiān)測對保證設(shè)備外殼靜電以及雷擊時避雷針強電流的安全瀉入大地意義重大。 　　目前，接地電阻的常用測量方法有搖表法, 0. 618法和等腰三角形法。搖表法是基于測量純電阻的原理的一類方法，不適宜測量大面積地網(wǎng)的接地電阻。0. 618法和等腰三角形法都屬于電壓電流法，兩者都是通過電流測試極和電壓測試極之間的相對位置補償極間電勢影響以測得真實阻值，區(qū)別僅在測試極的幾何位置不同。本文將基于電壓電流法設(shè)計防雷地線實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)改變目前接地電阻靠人工手動測量的現(xiàn)狀，實現(xiàn)自動測量，多點同時監(jiān)測，提高了測試效率和的準確性。 2 本系統(tǒng)的接地電阻測量方法 　　電壓電流法的測量方法如圖1所示： [align=center] 圖1 電壓電流法原理圖 圖2 0.618法和等腰三角形法極間位置比較圖[/align] 　　其中，C2為待測接地點，P和C1為兩個輔助樁。I為交流電流源，V為極間電勢差。通過測量接地回路C1-C2電流和C2相對P的電勢便可得到電阻值 。但實際測量環(huán)境復雜多變，有諸多影響電流電壓測量的因素，比如大地的集膚效應，大地回路中的地電流干擾，特定自然環(huán)境的外加電場，測量環(huán)境溫度，濕度，土質(zhì)特性，接地樁測試點的接觸狀況都會對電阻測量造成影響。若不考慮這些影響，將導致測量誤差大甚至完全錯誤。 　　電壓電流法是以電場的方式來測量，插入地樁的電勢的大小是決定測量結(jié)果的主要因素。為了屏蔽輔助樁和測試接地點間的極間電場影響，必須注意測試點和輔助樁間的相對位置。接地電阻的測量大都采用0.618法和等腰三角形法，它們適用于被測接地裝置中心位置明確，接地裝置周圍地勢平坦、土壤電阻率均勻的測試場合。三個接地樁的相對位置如圖2： 　　0.618法中d1/d2在0.618附近,d1為測試點C2所在地網(wǎng)直徑的4倍以上，等腰三角形法中d1與d2相等，為C2所在地網(wǎng)直徑的3倍以上，輔助樁與測試點距離越遠，極間電場疊加越弱，影響越小。0.618法和等腰三角形法都是以電壓電流法為理論基礎(chǔ)的具體實現(xiàn)方式。 3 系統(tǒng)組成 　　本文設(shè)計的系統(tǒng)由硬件和監(jiān)測軟件兩部分組成。硬件部分稱為下位機，主要負責接地電阻的自動測量，測量數(shù)據(jù)的計算，電阻值的顯示以及與上位機（計算機）間的數(shù)據(jù)傳送。下位機提供定時定點測量，手動按鍵測量和上位機命令測量三種方式，以滿足自動測量，本地人工測量和遠程監(jiān)控測量三種需求。上位機安裝監(jiān)控所有下位機的監(jiān)測軟件，通過與下位機間的通信得到測量數(shù)據(jù)，發(fā)送測量命令，發(fā)送校時同步命令等。系統(tǒng)組成如圖3： [align=center] 圖 3接地電阻自動監(jiān)測系統(tǒng)框圖 圖4 下位機結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　由圖3可見，n路下位機的測量數(shù)據(jù)都可以經(jīng)通信線路傳給計算機監(jiān)控中心，計算機中心也可以通過發(fā)送測量命令的方式對每路測量終端進行控制。這樣就能實現(xiàn)遠端多點測試。上位機裝載的監(jiān)測軟件由VC++編寫，有良好的人機交互界面，管理人員通過簡單的操作就可以得到當前接地電阻值。也可以設(shè)置軟件的工作方式實現(xiàn)每天定時定點指定號機或多臺下位機自動測量電阻并將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機自動儲存，當測量數(shù)據(jù)超出正常范圍時現(xiàn)場和監(jiān)控中心自動報警。這樣便可以省去工作人員觀察計算機測量數(shù)據(jù)耗費時間體力的現(xiàn)狀。通信線路根據(jù)具體測量場合可以改變形式，比如RJ45有線局域網(wǎng)，CDMA無線廣域網(wǎng)，串口等。本系統(tǒng)在測試時采用有線方式通過RS485總線連接測量終端設(shè)備和計算機。 4 系統(tǒng)實現(xiàn) 　　4.1測試終端硬件結(jié)構(gòu) 　　圖4給出了下位機即終端測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)，測試回路得到的電壓和電流模擬量通過濾波電路后到達放大模塊，然后由A/D轉(zhuǎn)換模塊得到數(shù)字信號給后繼數(shù)字信號處理單元計算得到接地電阻值，最后將結(jié)果傳給顯示模塊，如果要求將數(shù)據(jù)傳給上位機，將同時送數(shù)據(jù)到通信模塊。各模塊中，數(shù)字信號處理模塊是整個下位機的核心模塊，是下位機測量控制軟件的載體，通過程序控制該模塊的運行，由此實現(xiàn)數(shù)字濾波，電阻值的計算，整個測量終端外圍所有硬件電路的控制，以及通過接口電路和其他功能模塊的連接，該模塊可以由多種處理器芯片承擔，比如ARM,DSP,C8051F系列嵌入式單片機等?？煽仉娫茨K可以提供多頻率的測試電源，以根據(jù)實際測量環(huán)境選用最不易受干擾的頻率。時鐘芯片提供下位機時間基準，掉電可以保持時鐘。 　　將C程序下載到數(shù)字信號處理模塊的flash中便可對整個下位機實現(xiàn)功能控制。上電后程序開始運行，若有測試命令到來將通過中斷方式控制測試電流源開啟，下位機按照圖4工作自動測量出接地電阻值。當上位機工作于多點監(jiān)測狀態(tài)時，通過與下位機間的數(shù)據(jù)通信來下達測試命令和接收測量數(shù)據(jù)。 　　4.2測試終端軟件流程 [align=center] 圖5 下位機程序流程圖[/align] [align=center] 圖6 上位機主動采集通信流程圖[/align] 　　圖5較為詳細的描敘了下位機程序的主要流程，由圖可見：下位機具有定點測試，等待測試命令兩種測試方式，其中測試命令是廣義命令，包括上位機發(fā)送的真實測試命令和現(xiàn)場手動按鍵測試兩種情況。該程序在每次測量電阻后都能顯示計算后的結(jié)果，并能自動比較電阻是否在正常范圍以內(nèi)，若越界便自動報警。該程序也能根據(jù)工作人員的要求選擇發(fā)送測試數(shù)據(jù)與否，并能通過執(zhí)行校時命令使多臺測試終端的測試結(jié)果與同一時間標準相對應，這樣監(jiān)控中心便能得到測試結(jié)果——測試時間的表格，這對比較同一時間不同終端現(xiàn)場的接地電阻值很有意義。對于同一現(xiàn)場接地電阻值隨時間的變化曲線可以通過多次記錄測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)，這些都可以通過設(shè)置上位機軟件的工作方式來實現(xiàn)。 　　4.3監(jiān)控中心和測試終端的通信機制 　　監(jiān)控中心和測試終端間要實現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的通信，必須建立雙方遵守的通信協(xié)議，并在協(xié)議基礎(chǔ)上產(chǎn)生雙方認可的通信機制，圖6給出了本系統(tǒng)中的上位機主動采集的通信流程圖。上位機在校準時間后發(fā)送采集命令并開始偵聽通信接口等待測量數(shù)據(jù)的到來，如果能順利收到正確數(shù)據(jù)便開始向下一號下位機發(fā)送采集命令，直到成功接收設(shè)定采集路數(shù)的所有下位機的測量數(shù)據(jù)。如果上位機某次發(fā)送采集命令后沒有收到數(shù)據(jù)就進入錯誤處理單元。沒有收到數(shù)據(jù)可能有多種原因，比如通信鏈路出現(xiàn)故障等。接收到數(shù)據(jù)但數(shù)據(jù)不正確也可能由多種影響因素，比如波特率偏移等。一個可靠的系統(tǒng)不但本身的穩(wěn)定性要好，也要有應對突發(fā)問題的容錯能力，這里的錯誤處理單元就是針對突發(fā)的通信故障而設(shè)計的。錯誤處理單元可以用來處理通信過程中的所有錯誤，由于本系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性這里可以采取簡單的錯誤重傳機制，對于比較復雜的測量和通信環(huán)境，可以改變錯誤處理機制。此外，通信協(xié)議的質(zhì)量也直接影響通信的質(zhì)量。 　　本系統(tǒng)還考慮了另一種測量情況，即，檢測人員在現(xiàn)場按下下位機測試鍵。這種情況下，下位機測量完接地電阻值后會自動向上位機發(fā)送測量數(shù)據(jù)，上位機根據(jù)協(xié)議判斷數(shù)據(jù)正確與否，正確接收，錯誤進行相應處理，此種情況通信過程流圖和圖6中相似，區(qū)別在于是下位機主動測量完后自動發(fā)送數(shù)據(jù)，不必等待上位機發(fā)送校時和采集命令。 　　多點監(jiān)測依靠輪詢方式實現(xiàn)，上位機按照圖6的通信流程圖對每臺下位機依次發(fā)出采集命令，各下位機在測量完成后便依次將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機便可收到所有下位機的測量結(jié)果。 5 系統(tǒng)的測試 　　接地電阻自動監(jiān)測系統(tǒng)可應用于各種需要監(jiān)測接地電阻的電力系統(tǒng)，表1是在某電力系統(tǒng)接地電阻現(xiàn)場三臺下位機在連續(xù)時間段內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，待測電阻真值依次是0.65,0.67,0.7歐姆，采用等腰三角形法測量。 　　表1 接地電阻現(xiàn)場測量值 　　由表1可見測量結(jié)果非常接近真值，且波動在+0.02～-0.02間，比較穩(wěn)定。 　　表2為計量局鑒定時測得的數(shù)據(jù)，給出了一臺下位機在非單一電阻值下測量值與真值的數(shù)據(jù)比較表，該表僅給出了本系統(tǒng)對部分電阻值的測量結(jié)果。由表2可見下位機在不同阻值時測量結(jié)果仍比較準確。本系統(tǒng)的通信環(huán)節(jié)也經(jīng)過了嚴格測試，能夠達到多點監(jiān)測要求。 　　表2 電阻計量數(shù)據(jù)表 6 結(jié)束語 　　接地電阻的測量是電力系統(tǒng)中必不可少的檢測工作。人工測量需要耗費大量人力和費用。本文設(shè)計的接地電阻自動監(jiān)測系統(tǒng)將接地電阻測量技術(shù)、自動化技術(shù)和通信技術(shù)有機地結(jié)合起來，通過選擇定時測量，現(xiàn)場按測試鍵測量和遠程軟件控制測量三種方式實現(xiàn)了接地電阻自動測量和多點同時監(jiān)測。本文設(shè)計的系統(tǒng)不僅能在現(xiàn)場顯示測量數(shù)據(jù)，還能將測量數(shù)據(jù)自動上傳，保存到計算機，便于對數(shù)據(jù)積累和對比。其自動報警功能改變工作人員需經(jīng)常觀測接地電阻值耗時耗力的現(xiàn)狀，減輕工作人員工作量。系統(tǒng)配套的操作軟件有良好的人機交互界面，便于操作，替代了復雜的人工測試過程。不僅如此，該系統(tǒng)還具有穩(wěn)定性好，功耗小，終端測量設(shè)備體積小等優(yōu)點。大量實驗和測試的結(jié)果表明，本文設(shè)計的接地電阻自動監(jiān)測系統(tǒng)達到了設(shè)計要求。 　　本文的創(chuàng)新點：運用現(xiàn)代電子技術(shù)實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動、遠程監(jiān)測將是電力系統(tǒng)測量技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。本文設(shè)計的接地電阻自動監(jiān)測系統(tǒng)正是將自動化控制技術(shù)引入接地電阻測量領(lǐng)域以達到遠程自動監(jiān)測的一個具體實現(xiàn)。經(jīng)濟效益：100萬元 參考文獻 　　1、 羅智佳 狄琤，基于以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的應用，微計算機信息，2006年01期第29頁 　　2、 沈連豐 宋鐵成等，嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)應用，北京：電子工業(yè)出版社，2005。 　　3、 張崘32位嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計與調(diào)試.北京：機械工業(yè)出版社，2005。 　　4、 國家標準GBJ65 —83，工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范。 　　5、童詩白，華成英，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2001。 　　6、馬忠梅，馬巖，張凱，籍順心，單片機的C語言應用程序設(shè)計，北京：北京航空航天大學出版社，1997。