关键词：接地电阻 ;自动测量;多点监测
1 引言
各类建筑和设备，尤其电力系统终端，防雷地线必须可靠接地，以确保电流安全泄入大地。众多雷害事故的调查报告及电网的安全运行实践经验表明接地电阻的质量关系电力系统安全。工程上为提高防雷地线的抗雷击水平，必须降低地线的接地电阻。但是由于损伤，腐蚀，干旱等因素的影响，接地电阻很可能发生较大变化，因此，接地电阻阻值大小的实时监测对保证设备外壳静电以及雷击时避雷针强电流的安全泻入大地意义重大。
目前，接地电阻的常用测量方法有摇表法, 0. 618法和等腰三角形法。摇表法是基于测量纯电阻的原理的一类方法，不适宜测量大面积地网的接地电阻。0. 618法和等腰三角形法都属于电压电流法，两者都是通过电流测试极和电压测试极之间的相对位置补偿极间电势影响以测得真实阻值，区别仅在测试极的几何位置不同。本文将基于电压电流法设计防雷地线实时监测系统，该系统改变目前接地电阻靠人工手动测量的现状，实现自动测量，多点同时监测，提高了测试效率和的准确性。
2 本系统的接地电阻测量方法
电压电流法的测量方法如图1所示：
图1 电压电流法原理图
图2 0.618法和等腰三角形法极间位置比较图
其中，C2为待测接地点，P和C1为两个辅助桩。I为交流电流源，V为极间电势差。通过测量接地回路C1-C2电流和C2相对P的电势便可得到电阻值 。但实际测量环境复杂多变，有诸多影响电流电压测量的因素，比如大地的集肤效应，大地回路中的地电流干扰，特定自然环境的外加电场，测量环境温度，湿度，土质特性，接地桩测试点的接触状况都会对电阻测量造成影响。若不考虑这些影响，将导致测量误差大甚至完全错误。
电压电流法是以电场的方式来测量，插入地桩的电势的大小是决定测量结果的主要因素。为了屏蔽辅助桩和测试接地点间的极间电场影响，必须注意测试点和辅助桩间的相对位置。接地电阻的测量大都采用0.618法和等腰三角形法，它们适用于被测接地装置中心位置明确，接地装置周围地势平坦、土壤电阻率均匀的测试场合。三个接地桩的相对位置如图2：
0.618法中d1/d2在0.618附近,d1为测试点C2所在地网直径的4倍以上，等腰三角形法中d1与d2相等，为C2所在地网直径的3倍以上，辅助桩与测试点距离越远，极间电场叠加越弱，影响越小。0.618法和等腰三角形法都是以电压电流法为理论基础的具体实现方式。
3 系统组成
本文设计的系统由硬件和监测软件两部分组成。硬件部分称为下位机，主要负责接地电阻的自动测量，测量数据的计算，电阻值的显示以及与上位机（计算机）间的数据传送。下位机提供定时定点测量，手动按键测量和上位机命令测量三种方式，以满足自动测量，本地人工测量和远程监控测量三种需求。上位机安装监控所有下位机的监测软件，通过与下位机间的通信得到测量数据，发送测量命令，发送校时同步命令等。系统组成如图3：
图 3接地电阻自动监测系统框图
图4 下位机结构图
由图3可见，n路下位机的测量数据都可以经通信线路传给计算机监控中心，计算机中心也可以通过发送测量命令的方式对每路测量终端进行控制。这样就能实现远端多点测试。上位机装载的监测软件由VC++编写，有良好的人机交互界面，管理人员通过简单的操作就可以得到当前接地电阻值。也可以设置软件的工作方式实现每天定时定点指定号机或多台下位机自动测量电阻并将数据发给上位机自动储存，当测量数据超出正常范围时现场和监控中心自动报警。这样便可以省去工作人员观察计算机测量数据耗费时间体力的现状。通信线路根据具体测量场合可以改变形式，比如RJ45有线局域网，CDMA无线广域网，串口等。本系统在测试时采用有线方式通过RS485总线连接测量终端设备和计算机。
4 系统实现
4.1测试终端硬件结构
图4给出了下位机即终端测量设备的结构，测试回路得到的电压和电流模拟量通过滤波电路后到达放大模块，然后由A/D转换模块得到数字信号给后继数字信号处理单元计算得到接地电阻值，最后将结果传给显示模块，如果要求将数据传给上位机，将同时送数据到通信模块。各模块中，数字信号处理模块是整个下位机的核心模块，是下位机测量控制软件的载体，通过程序控制该模块的运行，由此实现数字滤波，电阻值的计算，整个测量终端外围所有硬件电路的控制，以及通过接口电路和其他功能模块的连接，该模块可以由多种处理器芯片承担，比如ARM,DSP,C8051F系列嵌入式单片机等。可控电源模块可以提供多频率的测试电源，以根据实际测量环境选用最不易受干扰的频率。时钟芯片提供下位机时间基准，掉电可以保持时钟。
将C程序下载到数字信号处理模块的flash中便可对整个下位机实现功能控制。上电后程序开始运行，若有测试命令到来将通过中断方式控制测试电流源开启，下位机按照图4工作自动测量出接地电阻值。当上位机工作于多点监测状态时，通过与下位机间的数据通信来下达测试命令和接收测量数据。
4.2测试终端软件流程
图5 下位机程序流程图
图6 上位机主动采集通信流程图
图5较为详细的描叙了下位机程序的主要流程，由图可见：下位机具有定点测试，等待测试命令两种测试方式，其中测试命令是广义命令，包括上位机发送的真实测试命令和现场手动按键测试两种情况。该程序在每次测量电阻后都能显示计算后的结果，并能自动比较电阻是否在正常范围以内，若越界便自动报警。该程序也能根据工作人员的要求选择发送测试数据与否，并能通过执行校时命令使多台测试终端的测试结果与同一时间标准相对应，这样监控中心便能得到测试结果——测试时间的表格，这对比较同一时间不同终端现场的接地电阻值很有意义。对于同一现场接地电阻值随时间的变化曲线可以通过多次记录测量数据实现，这些都可以通过设置上位机软件的工作方式来实现。
4.3监控中心和测试终端的通信机制
监控中心和测试终端间要实现数据和命令的通信，必须建立双方遵守的通信协议，并在协议基础上产生双方认可的通信机制，图6给出了本系统中的上位机主动采集的通信流程图。上位机在校准时间后发送采集命令并开始侦听通信接口等待测量数据的到来，如果能顺利收到正确数据便开始向下一号下位机发送采集命令，直到成功接收设定采集路数的所有下位机的测量数据。如果上位机某次发送采集命令后没有收到数据就进入错误处理单元。没有收到数据可能有多种原因，比如通信链路出现故障等。接收到数据但数据不正确也可能由多种影响因素，比如波特率偏移等。一个可靠的系统不但本身的稳定性要好，也要有应对突发问题的容错能力，这里的错误处理单元就是针对突发的通信故障而设计的。错误处理单元可以用来处理通信过程中的所有错误，由于本系统较高的稳定性这里可以采取简单的错误重传机制，对于比较复杂的测量和通信环境，可以改变错误处理机制。此外，通信协议的质量也直接影响通信的质量。
本系统还考虑了另一种测量情况，即，检测人员在现场按下下位机测试键。这种情况下，下位机测量完接地电阻值后会自动向上位机发送测量数据，上位机根据协议判断数据正确与否，正确接收，错误进行相应处理，此种情况通信过程流图和图6中相似，区别在于是下位机主动测量完后自动发送数据，不必等待上位机发送校时和采集命令。
多点监测依靠轮询方式实现，上位机按照图6的通信流程图对每台下位机依次发出采集命令，各下位机在测量完成后便依次将数据发送给上位机，上位机便可收到所有下位机的测量结果。
5 系统的测试
接地电阻自动监测系统可应用于各种需要监测接地电阻的电力系统，表1是在某电力系统接地电阻现场三台下位机在连续时间段内的测量数据，待测电阻真值依次是0.65,0.67,0.7欧姆，采用等腰三角形法测量。
表1 接地电阻现场测量值
由表1可见测量结果非常接近真值，且波动在+0.02～-0.02间，比较稳定。
表2为计量局鉴定时测得的数据，给出了一台下位机在非单一电阻值下测量值与真值的数据比较表，该表仅给出了本系统对部分电阻值的测量结果。由表2可见下位机在不同阻值时测量结果仍比较准确。本系统的通信环节也经过了严格测试，能够达到多点监测要求。
表2 电阻计量数据表
6 结束语
接地电阻的测量是电力系统中必不可少的检测工作。人工测量需要耗费大量人力和费用。本文设计的接地电阻自动监测系统将接地电阻测量技术、自动化技术和通信技术有机地结合起来，通过选择定时测量，现场按测试键测量和远程软件控制测量三种方式实现了接地电阻自动测量和多点同时监测。本文设计的系统不仅能在现场显示测量数据，还能将测量数据自动上传，保存到计算机，便于对数据积累和对比。其自动报警功能改变工作人员需经常观测接地电阻值耗时耗力的现状，减轻工作人员工作量。系统配套的操作软件有良好的人机交互界面，便于操作，替代了复杂的人工测试过程。不仅如此，该系统还具有稳定性好，功耗小，终端测量设备体积小等优点。大量实验和测试的结果表明，本文设计的接地电阻自动监测系统达到了设计要求。
本文的创新点：运用现代电子技术实现电力系统的自动、远程监测将是电力系统测量技术的一个主要发展方向。本文设计的接地电阻自动监测系统正是将自动化控制技术引入接地电阻测量领域以达到远程自动监测的一个具体实现。经济效益：100万元
参考文献
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