接地電阻在線測試及遠程監測系統的設計與實現

張永超

(中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司，武漢 430074)

鐵路建筑、高層建筑的防雷設施，接地電阻是反映建筑物防止直擊雷、側擊雷和感應雷的重要指標，接地不良會直接導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，實現遠程在線實時監測接地電阻的功能，開發了一種帶遠程通信的多路選通接地電阻在線測試系統，通過繼電器選通隔離測試，實時讀取測試結果，發送到遠程主機，實現建筑物接地電阻的遠程在線實時監測，可有效解決接地電阻不能實時、遠程監測等問題。

1 技術背景

由于地理環境復雜，地下磁場的變化等原因會引起建筑物的接地環境變化，在雷擊比較頻繁的地區，需要實時監測建筑物接地電阻的變化。當接地不良時，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，無防護雷電流措施，長期應用于測試現場進行實時監測時，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測，也無自動測試功能。對需要頻繁測試接地電阻的應用環境，要浪費很大的人力進行測試，不適用于比較復雜的接地電阻測試領域。

2 系統結構

系統由接地電阻測試儀、上位機、中心服務器及終端組成。中心服務器、上位機以及終端在同一個TCP/IP 網段中，采用基于C/S 模式的TCP/IP 通信方式，同一中心服務器最多支持200 個上位機接點接入。上位機和接地電阻測試儀采用MODBUS 協議通信。系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System strucure diagram

2.1 中心服務器

中心服務器是系統的核心，采用小型機，Windows Server 操作系統，Oracle 數據庫。具有以下功能：各監測點接入及通信管理功能；各監測點歷史數據存儲功能；各監測點自動測試計劃存儲及下發；各接地測試點預報警策略管理；系統設備故障判斷及推送、測試值預報警判斷及推送。

2.2 終端

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

2.3 上位機

上位機是接地電阻測試儀和中心服務器的中間件，硬件采用7 吋工業控制機，WinCE 操作系統，主要用于接收中心服務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；按中心下達計劃執行測試計劃并實時上送測試值；具有數據重傳機制，當和中心服務器連接恢復后，及時發送未上傳的數據。

2.4 接地電阻測試儀

接地電阻測試儀是系統的直接測試裝置，也是系統的末端裝置，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，返回測試值；依據上位機傳送的測試編號，控制內部選路繼電器，實現多路選測功能。

3 系統設計

3.1 系統功能需求

接地電阻在線測試及遠程監測系統（以下簡稱本系統）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，實現接地電阻的自動測試和遠程診斷，其功能主要有以下幾點。

實時在線測試功能。系統可根據預設的測試計劃，自動對每個接地點的電阻進行測試，并把測試結果反饋給用戶。

自動選路功能。為節約成本，在一個測試區域，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前測試的接地電阻。

遠程監測測試功能。在一些交通不便，以及無人值守區域，能夠實現遠程監測測試功能，由人員在遠程控制端對接地電阻進行測試，并把監測結果實時返回控制端，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。

測試設備狀態監測功能。遠程終端能夠實時監測各個測試點測試設備的工作狀態，對有異常的監測設備給出故障提示。

接地不良預、報警功能。服務端對各監測點實時測試的數據，進行比對分析，按照一定的判斷邏輯，對超過標準值的接地電阻值進行預警或報警，提醒管理人員進行處置。

系統管理功能。系統需開放接口，對自動測試計劃、用戶權限以及預、報警策略等實現管理功能。

3.2 接地電阻測試儀設計

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組成，硬件結構如圖2 所示。電阻測試儀表采用工業專用電阻測試儀表，測量精度為0.01 Ω，繼電器選路系統將測試公共端E 分路實現多路測量，同時起到隔離雷電流對裝置的破壞。測試裝置的測試結果通過8 段數碼管實時顯示，其單片機通過數碼管采集電路，實時采集8 段數碼管實時顯示的測試數組，并上傳給遠程主機，實現自動或者手動的接地電阻在線測試。8 段數碼管采樣電路原理是分別判斷第1、2、5、6、7 路電平狀態實現采樣，利用MODBUS協議和上位機通信，上位機通過發送測試命令可實現遠程實時監控。

3.3 軟件流程設計

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

圖2 接地電阻測試儀硬件結構圖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據功能，裝置的斷電、重啟不會丟失測試的數據，且不依賴與遠程主機進行工作。跟遠程主機通信中斷恢復后，自動把未上傳的測試結果上傳給遠程主機。發送測試結果流程如圖4 所示。

4 結束語

接地電阻在線測試及遠程監測系統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。本系統支持在線不間斷測試及遠程監測，極大減少了維護人員的工作量。本系統根據現場的需求，實現在線監測及測試，并把設備狀態等信息在遠程終端上進行圖形化展示，解決接地電阻測試中的難點，受到使用者的青睞。目前該系統在杭長高鐵、哈大高鐵等線路批量使用，使用效果良好，達到預期目標。

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

圖4 測試結果發送軟件流程圖Fig.4 Flow diagram of test data sending software