摘 要：接地電阻可靠接地對(duì)電力系統(tǒng)的安全具有重要意義，目前接地電阻的測(cè)量主要靠人工手動(dòng)測(cè)量，進(jìn)行一次測(cè)量需要花費(fèi)大量的時(shí)間和資金。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文基于自動(dòng)測(cè)試?yán)碚?，網(wǎng)絡(luò)通信和嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)出一套接地電阻自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的測(cè)試終端能夠自動(dòng)測(cè)量接地電阻，多個(gè)終端的測(cè)量結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)上傳，監(jiān)測(cè)人員只需操作軟件即可完成測(cè)量過(guò)程。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提高了接地電阻的自動(dòng)測(cè)量技術(shù)水平，系統(tǒng)已在鐵路系統(tǒng)的電力部門(mén)投入運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：接地電阻 ;自動(dòng)測(cè)量;多點(diǎn)監(jiān)測(cè) 1 引言 　　各類(lèi)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(bào)告及電網(wǎng)的安全運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)保證設(shè)備外殼靜電以及雷擊時(shí)避雷針強(qiáng)電流的安全瀉入大地意義重大。 　　目前，接地電阻的常用測(cè)量方法有搖表法, 0. 618法和等腰三角形法。搖表法是基于測(cè)量純電阻的原理的一類(lèi)方法，不適宜測(cè)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(guò)電流測(cè)試極和電壓測(cè)試極之間的相對(duì)位置補(bǔ)償極間電勢(shì)影響以測(cè)得真實(shí)阻值，區(qū)別僅在測(cè)試極的幾何位置不同。本文將基于電壓電流法設(shè)計(jì)防雷地線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)改變目前接地電阻靠人工手動(dòng)測(cè)量的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了測(cè)試效率和的準(zhǔn)確性。 2 本系統(tǒng)的接地電阻測(cè)量方法 　　電壓電流法的測(cè)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(cè)接地點(diǎn)，P和C1為兩個(gè)輔助樁。I為交流電流源，V為極間電勢(shì)差。通過(guò)測(cè)量接地回路C1-C2電流和C2相對(duì)P的電勢(shì)便可得到電阻值 。但實(shí)際測(cè)量環(huán)境復(fù)雜多變，有諸多影響電流電壓測(cè)量的因素，比如大地的集膚效應(yīng)，大地回路中的地電流干擾，特定自然環(huán)境的外加電場(chǎng)，測(cè)量環(huán)境溫度，濕度，土質(zhì)特性，接地樁測(cè)試點(diǎn)的接觸狀況都會(huì)對(duì)電阻測(cè)量造成影響。若不考慮這些影響，將導(dǎo)致測(cè)量誤差大甚至完全錯(cuò)誤。 　　電壓電流法是以電場(chǎng)的方式來(lái)測(cè)量，插入地樁的電勢(shì)的大小是決定測(cè)量結(jié)果的主要因素。為了屏蔽輔助樁和測(cè)試接地點(diǎn)間的極間電場(chǎng)影響，必須注意測(cè)試點(diǎn)和輔助樁間的相對(duì)位置。接地電阻的測(cè)量大都采用0.618法和等腰三角形法，它們適用于被測(cè)接地裝置中心位置明確，接地裝置周?chē)貏?shì)平坦、土壤電阻率均勻的測(cè)試場(chǎng)合。三個(gè)接地樁的相對(duì)位置如圖2： 　　0.618法中d1/d2在0.618附近,d1為測(cè)試點(diǎn)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(cè)試點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，極間電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)方式。 3 系統(tǒng)組成 　　本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由硬件和監(jiān)測(cè)軟件兩部分組成。硬件部分稱(chēng)為下位機(jī)，主要負(fù)責(zé)接地電阻的自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算，電阻值的顯示以及與上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）間的數(shù)據(jù)傳送。下位機(jī)提供定時(shí)定點(diǎn)測(cè)量，手動(dòng)按鍵測(cè)量和上位機(jī)命令測(cè)量三種方式，以滿(mǎn)足自動(dòng)測(cè)量，本地人工測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)量三種需求。上位機(jī)安裝監(jiān)控所有下位機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件，通過(guò)與下位機(jī)間的通信得到測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)送測(cè)量命令，發(fā)送校時(shí)同步命令等。系統(tǒng)組成如圖3： [align=center] 圖 3接地電阻自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖 圖4 下位機(jī)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　由圖3可見(jiàn)，n路下位機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)都可以經(jīng)通信線路傳給計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，計(jì)算機(jī)中心也可以通過(guò)發(fā)送測(cè)量命令的方式對(duì)每路測(cè)量終端進(jìn)行控制。這樣就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端多點(diǎn)測(cè)試。上位機(jī)裝載的監(jiān)測(cè)軟件由VC++編寫(xiě)，有良好的人機(jī)交互界面，管理人員通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就可以得到當(dāng)前接地電阻值。也可以設(shè)置軟件的工作方式實(shí)現(xiàn)每天定時(shí)定點(diǎn)指定號(hào)機(jī)或多臺(tái)下位機(jī)自動(dòng)測(cè)量電阻并將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)自動(dòng)儲(chǔ)存，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控中心自動(dòng)報(bào)警。這樣便可以省去工作人員觀察計(jì)算機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)耗費(fèi)時(shí)間體力的現(xiàn)狀。通信線路根據(jù)具體測(cè)量場(chǎng)合可以改變形式，比如RJ45有線局域網(wǎng)，CDMA無(wú)線廣域網(wǎng)，串口等。本系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)采用有線方式通過(guò)RS485總線連接測(cè)量終端設(shè)備和計(jì)算機(jī)。 4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 　　4.1測(cè)試終端硬件結(jié)構(gòu) 　　圖4給出了下位機(jī)即終端測(cè)量設(shè)備的結(jié)構(gòu)，測(cè)試回路得到的電壓和電流模擬量通過(guò)濾波電路后到達(dá)放大模塊，然后由A/D轉(zhuǎn)換模塊得到數(shù)字信號(hào)給后繼數(shù)字信號(hào)處理單元計(jì)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(jī)，將同時(shí)送數(shù)據(jù)到通信模塊。各模塊中，數(shù)字信號(hào)處理模塊是整個(gè)下位機(jī)的核心模塊，是下位機(jī)測(cè)量控制軟件的載體，通過(guò)程序控制該模塊的運(yùn)行，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，電阻值的計(jì)算，整個(gè)測(cè)量終端外圍所有硬件電路的控制，以及通過(guò)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(dān)，比如ARM,DSP,C8051F系列嵌入式單片機(jī)等?？煽仉娫茨K可以提供多頻率的測(cè)試電源，以根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境選用最不易受干擾的頻率。時(shí)鐘芯片提供下位機(jī)時(shí)間基準(zhǔn)，掉電可以保持時(shí)鐘。 　　將C程序下載到數(shù)字信號(hào)處理模塊的flash中便可對(duì)整個(gè)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)功能控制。上電后程序開(kāi)始運(yùn)行，若有測(cè)試命令到來(lái)將通過(guò)中斷方式控制測(cè)試電流源開(kāi)啟，下位機(jī)按照?qǐng)D4工作自動(dòng)測(cè)量出接地電阻值。當(dāng)上位機(jī)工作于多點(diǎn)監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)與下位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信來(lái)下達(dá)測(cè)試命令和接收測(cè)量數(shù)據(jù)。 　　4.2測(cè)試終端軟件流程 [align=center] 圖5 下位機(jī)程序流程圖[/align] [align=center] 圖6 上位機(jī)主動(dòng)采集通信流程圖[/align] 　　圖5較為詳細(xì)的描敘了下位機(jī)程序的主要流程，由圖可見(jiàn)：下位機(jī)具有定點(diǎn)測(cè)試，等待測(cè)試命令兩種測(cè)試方式，其中測(cè)試命令是廣義命令，包括上位機(jī)發(fā)送的真實(shí)測(cè)試命令和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)按鍵測(cè)試兩種情況。該程序在每次測(cè)量電阻后都能顯示計(jì)算后的結(jié)果，并能自動(dòng)比較電阻是否在正常范圍以?xún)?nèi)，若越界便自動(dòng)報(bào)警。該程序也能根據(jù)工作人員的要求選擇發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)與否，并能通過(guò)執(zhí)行校時(shí)命令使多臺(tái)測(cè)試終端的測(cè)試結(jié)果與同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)，這樣監(jiān)控中心便能得到測(cè)試結(jié)果——測(cè)試時(shí)間的表格，這對(duì)比較同一時(shí)間不同終端現(xiàn)場(chǎng)的接地電阻值很有意義。對(duì)于同一現(xiàn)場(chǎng)接地電阻值隨時(shí)間的變化曲線可以通過(guò)多次記錄測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，這些都可以通過(guò)設(shè)置上位機(jī)軟件的工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 　　4.3監(jiān)控中心和測(cè)試終端的通信機(jī)制 　　監(jiān)控中心和測(cè)試終端間要實(shí)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(rèn)可的通信機(jī)制，圖6給出了本系統(tǒng)中的上位機(jī)主動(dòng)采集的通信流程圖。上位機(jī)在校準(zhǔn)時(shí)間后發(fā)送采集命令并開(kāi)始偵聽(tīng)通信接口等待測(cè)量數(shù)據(jù)的到來(lái)，如果能順利收到正確數(shù)據(jù)便開(kāi)始向下一號(hào)下位機(jī)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(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)。如果上位機(jī)某次發(fā)送采集命令后沒(méi)有收到數(shù)據(jù)就進(jìn)入錯(cuò)誤處理單元。沒(méi)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(gè)可靠的系統(tǒng)不但本身的穩(wěn)定性要好，也要有應(yīng)對(duì)突發(fā)問(wèn)題的容錯(cuò)能力，這里的錯(cuò)誤處理單元就是針對(duì)突發(fā)的通信故障而設(shè)計(jì)的。錯(cuò)誤處理單元可以用來(lái)處理通信過(guò)程中的所有錯(cuò)誤，由于本系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性這里可以采取簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤重傳機(jī)制，對(duì)于比較復(fù)雜的測(cè)量和通信環(huán)境，可以改變錯(cuò)誤處理機(jī)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(cè)量情況，即，檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)按下下位機(jī)測(cè)試鍵。這種情況下，下位機(jī)測(cè)量完接地電阻值后會(huì)自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，上位機(jī)根據(jù)協(xié)議判斷數(shù)據(jù)正確與否，正確接收，錯(cuò)誤進(jìn)行相應(yīng)處理，此種情況通信過(guò)程流圖和圖6中相似，區(qū)別在于是下位機(jī)主動(dòng)測(cè)量完后自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，不必等待上位機(jī)發(fā)送校時(shí)和采集命令。 　　多點(diǎn)監(jiān)測(cè)依靠輪詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)按照?qǐng)D6的通信流程圖對(duì)每臺(tái)下位機(jī)依次發(fā)出采集命令，各下位機(jī)在測(cè)量完成后便依次將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)便可收到所有下位機(jī)的測(cè)量結(jié)果。 5 系統(tǒng)的測(cè)試 　　接地電阻自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用于各種需要監(jiān)測(cè)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(chǎng)三臺(tái)下位機(jī)在連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)，待測(cè)電阻真值依次是0.65,0.67,0.7歐姆，采用等腰三角形法測(cè)量。 　　表1 接地電阻現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值 　　由表1可見(jiàn)測(cè)量結(jié)果非常接近真值，且波動(dòng)在+0.02～-0.02間，比較穩(wěn)定。 　　表2為計(jì)量局鑒定時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，給出了一臺(tái)下位機(jī)在非單一電阻值下測(cè)量值與真值的數(shù)據(jù)比較表，該表僅給出了本系統(tǒng)對(duì)部分電阻值的測(cè)量結(jié)果。由表2可見(jiàn)下位機(jī)在不同阻值時(shí)測(cè)量結(jié)果仍比較準(zhǔn)確。本系統(tǒng)的通信環(huán)節(jié)也經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格測(cè)試，能夠達(dá)到多點(diǎn)監(jiān)測(cè)要求。 　　表2 電阻計(jì)量數(shù)據(jù)表 6 結(jié)束語(yǔ) 　　接地電阻的測(cè)量是電力系統(tǒng)中必不可少的檢測(cè)工作。人工測(cè)量需要耗費(fèi)大量人力和費(fèi)用。本文設(shè)計(jì)的接地電阻自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將接地電阻測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)選擇定時(shí)測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)按測(cè)試鍵測(cè)量和遠(yuǎn)程軟件控制測(cè)量三種方式實(shí)現(xiàn)了接地電阻自動(dòng)測(cè)量和多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅能在現(xiàn)場(chǎng)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，還能將測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，保存到計(jì)算機(jī)，便于對(duì)數(shù)據(jù)積累和對(duì)比。其自動(dòng)報(bào)警功能改變工作人員需經(jīng)常觀測(cè)接地電阻值耗時(shí)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(jī)交互界面，便于操作，替代了復(fù)雜的人工測(cè)試過(guò)程。不僅如此，該系統(tǒng)還具有穩(wěn)定性好，功耗小，終端測(cè)量設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)。大量實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的接地電阻自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)：運(yùn)用現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)將是電力系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)的接地電阻自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是將自動(dòng)化控制技術(shù)引入接地電阻測(cè)量領(lǐng)域以達(dá)到遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。經(jīng)濟(jì)效益：100萬(wàn)元 參考文獻(xiàn) 　　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(yīng)用，微計(jì)算機(jī)信息，2006年01期第29頁(yè) 　　2、 沈連豐 宋鐵成等，嵌入式系統(tǒng)及其開(kāi)發(fā)應(yīng)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(jì)與調(diào)試.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005。 　　4、 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ65 —83，工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范。 　　5、童詩(shī)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(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997。