接地電阻在線測試及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張永超

(中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司，武漢 430074)

鐵路建筑、高層建筑的防雷設(shè)施，接地電阻是反映建筑物防止直擊雷、側(cè)擊雷和感應(yīng)雷的重要指標(biāo)，接地不良會直接導(dǎo)致建筑物受到雷擊損壞。為解決既有接地電阻測試手段的不足，實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)測接地電阻的功能，開發(fā)了一種帶遠(yuǎn)程通信的多路選通接地電阻在線測試系統(tǒng)，通過繼電器選通隔離測試，實時讀取測試結(jié)果，發(fā)送到遠(yuǎn)程主機，實現(xiàn)建筑物接地電阻的遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)測，可有效解決接地電阻不能實時、遠(yuǎn)程監(jiān)測等問題。

1 技術(shù)背景

由于地理環(huán)境復(fù)雜，地下磁場的變化等原因會引起建筑物的接地環(huán)境變化，在雷擊比較頻繁的地區(qū)，需要實時監(jiān)測建筑物接地電阻的變化。當(dāng)接地不良時，需要及時采取措施，防止建筑物被雷擊損壞。目前對接地電阻的測量儀表有手搖式搖表和電子類接地電阻測試儀等，手搖式搖表需手動搖動，全由人工操作；電子類接地電阻測試儀大都由電池供電，無防護(hù)雷電流措施，長期應(yīng)用于測試現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)測時，遭雷電流損壞的概率大大增加。上述兩種測試方法一次只能測試一路接地電阻，測試多路需要手動換線，且不支持自動在線測試。目前市場上大部分電子類接地電阻測試儀不支持實時在線監(jiān)測，也無自動測試功能。對需要頻繁測試接地電阻的應(yīng)用環(huán)境，要浪費很大的人力進(jìn)行測試，不適用于比較復(fù)雜的接地電阻測試領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由接地電阻測試儀、上位機、中心服務(wù)器及終端組成。中心服務(wù)器、上位機以及終端在同一個TCP/IP 網(wǎng)段中，采用基于C/S 模式的TCP/IP 通信方式，同一中心服務(wù)器最多支持200 個上位機接點接入。上位機和接地電阻測試儀采用MODBUS 協(xié)議通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System strucure diagram

2.1 中心服務(wù)器

中心服務(wù)器是系統(tǒng)的核心，采用小型機，Windows Server 操作系統(tǒng)，Oracle 數(shù)據(jù)庫。具有以下功能：各監(jiān)測點接入及通信管理功能；各監(jiān)測點歷史數(shù)據(jù)存儲功能；各監(jiān)測點自動測試計劃存儲及下發(fā)；各接地測試點預(yù)報警策略管理；系統(tǒng)設(shè)備故障判斷及推送、測試值預(yù)報警判斷及推送。

2.2 終端

終端是系統(tǒng)的人機交互界面，具有以下功能：以圖形化顯示各監(jiān)測點的狀態(tài)；以表格形式顯示各接地點的測試數(shù)值以及年月日報表；以曲線形式顯示各接地點值的趨勢變化；實時顯示中心服務(wù)器推送的故障及預(yù)報警信息；系統(tǒng)管理功能，提供操作界面配置各測試點的測試計劃以及預(yù)報警分析策略，并及時送給中心服務(wù)器。

2.3 上位機

上位機是接地電阻測試儀和中心服務(wù)器的中間件，硬件采用7 吋工業(yè)控制機，WinCE 操作系統(tǒng)，主要用于接收中心服務(wù)器的命令并控制接地電阻測試儀的工作。具有以下功能：接入中心服務(wù)器及通信管理功能；具備界面顯示及操作功能，實時顯示最新接地電阻的測試值和手動人工測試功能；按中心下達(dá)計劃執(zhí)行測試計劃并實時上送測試值；具有數(shù)據(jù)重傳機制，當(dāng)和中心服務(wù)器連接恢復(fù)后，及時發(fā)送未上傳的數(shù)據(jù)。

2.4 接地電阻測試儀

接地電阻測試儀是系統(tǒng)的直接測試裝置，也是系統(tǒng)的末端裝置，具有以下功能：與上位機的MODBUS 通信功能；接收上位機的測試命令，并完成測試任務(wù)，返回測試值；依據(jù)上位機傳送的測試編號，控制內(nèi)部選路繼電器，實現(xiàn)多路選測功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能需求

接地電阻在線測試及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱本系統(tǒng)）的主要目的是用于解決既有接地電阻測試手段只能手動測試，人工測試的缺陷，實現(xiàn)接地電阻的自動測試和遠(yuǎn)程診斷，其功能主要有以下幾點。

實時在線測試功能。系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)設(shè)的測試計劃，自動對每個接地點的電阻進(jìn)行測試，并把測試結(jié)果反饋給用戶。

自動選路功能。為節(jié)約成本，在一個測試區(qū)域，有多個接地電阻測試點時，只安裝一個接地電阻測試裝置，通過自動選路確定當(dāng)前測試的接地電阻。

遠(yuǎn)程監(jiān)測測試功能。在一些交通不便，以及無人值守區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測測試功能，由人員在遠(yuǎn)程控制端對接地電阻進(jìn)行測試，并把監(jiān)測結(jié)果實時返回控制端，便于管理人員實時了解接地電阻的情況，及時對不良接地點作出整改措施。

測試設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能。遠(yuǎn)程終端能夠?qū)崟r監(jiān)測各個測試點測試設(shè)備的工作狀態(tài)，對有異常的監(jiān)測設(shè)備給出故障提示。

接地不良預(yù)、報警功能。服務(wù)端對各監(jiān)測點實時測試的數(shù)據(jù)，進(jìn)行比對分析，按照一定的判斷邏輯，對超過標(biāo)準(zhǔn)值的接地電阻值進(jìn)行預(yù)警或報警，提醒管理人員進(jìn)行處置。

系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)需開放接口，對自動測試計劃、用戶權(quán)限以及預(yù)、報警策略等實現(xiàn)管理功能。

3.2 接地電阻測試儀設(shè)計

接地電阻測試儀由電阻測試儀表、控制板及繼電器選路系統(tǒng)組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。電阻測試儀表采用工業(yè)專用電阻測試儀表，測量精度為0.01 Ω，繼電器選路系統(tǒng)將測試公共端E 分路實現(xiàn)多路測量，同時起到隔離雷電流對裝置的破壞。測試裝置的測試結(jié)果通過8 段數(shù)碼管實時顯示，其單片機通過數(shù)碼管采集電路，實時采集8 段數(shù)碼管實時顯示的測試數(shù)組，并上傳給遠(yuǎn)程主機，實現(xiàn)自動或者手動的接地電阻在線測試。8 段數(shù)碼管采樣電路原理是分別判斷第1、2、5、6、7 路電平狀態(tài)實現(xiàn)采樣，利用MODBUS協(xié)議和上位機通信，上位機通過發(fā)送測試命令可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。

3.3 軟件流程設(shè)計

上位機的測試命令有兩種，第一種為接收到中心服務(wù)器的測試命令，及時執(zhí)行測試命令；第二種依據(jù)既定的測試策略來定時自動執(zhí)行測試工作，服務(wù)器在初始化測試策略時把相關(guān)測試計劃發(fā)送給上位機，由上位機自行存儲在掉電保持FLASH 存儲器中，并根據(jù)測試計劃執(zhí)行測試任務(wù)，其工作流程如圖3 所示。

圖2 接地電阻測試儀硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of grounding resistance tester

上位機及接地電阻測試儀，具備掉電保存測試數(shù)據(jù)功能，裝置的斷電、重啟不會丟失測試的數(shù)據(jù)，且不依賴與遠(yuǎn)程主機進(jìn)行工作。跟遠(yuǎn)程主機通信中斷恢復(fù)后，自動把未上傳的測試結(jié)果上傳給遠(yuǎn)程主機。發(fā)送測試結(jié)果流程如圖4 所示。

4 結(jié)束語

接地電阻在線測試及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)解決了建筑物防雷接地電阻測試時只能人工測試、單路測試的問題。本系統(tǒng)支持在線不間斷測試及遠(yuǎn)程監(jiān)測，極大減少了維護(hù)人員的工作量。本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場的需求，實現(xiàn)在線監(jiān)測及測試，并把設(shè)備狀態(tài)等信息在遠(yuǎn)程終端上進(jìn)行圖形化展示，解決接地電阻測試中的難點，受到使用者的青睞。目前該系統(tǒng)在杭長高鐵、哈大高鐵等線路批量使用，使用效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖3 上位機軟件流程圖Fig.3 Flow diagram of upper computer software

圖4 測試結(jié)果發(fā)送軟件流程圖Fig.4 Flow diagram of test data sending software