接地电阻在线测试及远程监测系统的设计与实现

张永超

(中铁建电气化局集团南方工程有限公司，武汉 430074)

铁路建筑、高层建筑的防雷设施，接地电阻是反映建筑物防止直击雷、侧击雷和感应雷的重要指标，接地不良会直接导致建筑物受到雷击损坏。为解决既有接地电阻测试手段的不足，实现远程在线实时监测接地电阻的功能，开发了一种带远程通信的多路选通接地电阻在线测试系统，通过继电器选通隔离测试，实时读取测试结果，发送到远程主机，实现建筑物接地电阻的远程在线实时监测，可有效解决接地电阻不能实时、远程监测等问题。

1 技术背景

由于地理环境复杂，地下磁场的变化等原因会引起建筑物的接地环境变化，在雷击比较频繁的地区，需要实时监测建筑物接地电阻的变化。当接地不良时，需要及时采取措施，防止建筑物被雷击损坏。目前对接地电阻的测量仪表有手摇式摇表和电子类接地电阻测试仪等，手摇式摇表需手动摇动，全由人工操作；电子类接地电阻测试仪大都由电池供电，无防护雷电流措施，长期应用于测试现场进行实时监测时，遭雷电流损坏的概率大大增加。上述两种测试方法一次只能测试一路接地电阻，测试多路需要手动换线，且不支持自动在线测试。目前市场上大部分电子类接地电阻测试仪不支持实时在线监测，也无自动测试功能。对需要频繁测试接地电阻的应用环境，要浪费很大的人力进行测试，不适用于比较复杂的接地电阻测试领域。

2 系统结构

系统由接地电阻测试仪、上位机、中心服务器及终端组成。中心服务器、上位机以及终端在同一个TCP/IP 网段中，采用基于C/S 模式的TCP/IP 通信方式，同一中心服务器最多支持200 个上位机接点接入。上位机和接地电阻测试仪采用MODBUS 协议通信。系统结构如图1 所示。

图1 系统结构图Fig.1 System strucure diagram

2.1 中心服务器

中心服务器是系统的核心，采用小型机，Windows Server 操作系统，Oracle 数据库。具有以下功能：各监测点接入及通信管理功能；各监测点历史数据存储功能；各监测点自动测试计划存储及下发；各接地测试点预报警策略管理；系统设备故障判断及推送、测试值预报警判断及推送。

2.2 终端

终端是系统的人机交互界面，具有以下功能：以图形化显示各监测点的状态；以表格形式显示各接地点的测试数值以及年月日报表；以曲线形式显示各接地点值的趋势变化；实时显示中心服务器推送的故障及预报警信息；系统管理功能，提供操作界面配置各测试点的测试计划以及预报警分析策略，并及时送给中心服务器。

2.3 上位机

上位机是接地电阻测试仪和中心服务器的中间件，硬件采用7 吋工业控制机，WinCE 操作系统，主要用于接收中心服务器的命令并控制接地电阻测试仪的工作。具有以下功能：接入中心服务器及通信管理功能；具备界面显示及操作功能，实时显示最新接地电阻的测试值和手动人工测试功能；按中心下达计划执行测试计划并实时上送测试值；具有数据重传机制，当和中心服务器连接恢复后，及时发送未上传的数据。

2.4 接地电阻测试仪

接地电阻测试仪是系统的直接测试装置，也是系统的末端装置，具有以下功能：与上位机的MODBUS 通信功能；接收上位机的测试命令，并完成测试任务，返回测试值；依据上位机传送的测试编号，控制内部选路继电器，实现多路选测功能。

3 系统设计

3.1 系统功能需求

接地电阻在线测试及远程监测系统（以下简称本系统）的主要目的是用于解决既有接地电阻测试手段只能手动测试，人工测试的缺陷，实现接地电阻的自动测试和远程诊断，其功能主要有以下几点。

实时在线测试功能。系统可根据预设的测试计划，自动对每个接地点的电阻进行测试，并把测试结果反馈给用户。

自动选路功能。为节约成本，在一个测试区域，有多个接地电阻测试点时，只安装一个接地电阻测试装置，通过自动选路确定当前测试的接地电阻。

远程监测测试功能。在一些交通不便，以及无人值守区域，能够实现远程监测测试功能，由人员在远程控制端对接地电阻进行测试，并把监测结果实时返回控制端，便于管理人员实时了解接地电阻的情况，及时对不良接地点作出整改措施。

测试设备状态监测功能。远程终端能够实时监测各个测试点测试设备的工作状态，对有异常的监测设备给出故障提示。

接地不良预、报警功能。服务端对各监测点实时测试的数据，进行比对分析，按照一定的判断逻辑，对超过标准值的接地电阻值进行预警或报警，提醒管理人员进行处置。

系统管理功能。系统需开放接口，对自动测试计划、用户权限以及预、报警策略等实现管理功能。

3.2 接地电阻测试仪设计

接地电阻测试仪由电阻测试仪表、控制板及继电器选路系统组成，硬件结构如图2 所示。电阻测试仪表采用工业专用电阻测试仪表，测量精度为0.01 Ω，继电器选路系统将测试公共端E 分路实现多路测量，同时起到隔离雷电流对装置的破坏。测试装置的测试结果通过8 段数码管实时显示，其单片机通过数码管采集电路，实时采集8 段数码管实时显示的测试数组，并上传给远程主机，实现自动或者手动的接地电阻在线测试。8 段数码管采样电路原理是分别判断第1、2、5、6、7 路电平状态实现采样，利用MODBUS协议和上位机通信，上位机通过发送测试命令可实现远程实时监控。

3.3 软件流程设计

上位机的测试命令有两种，第一种为接收到中心服务器的测试命令，及时执行测试命令；第二种依据既定的测试策略来定时自动执行测试工作，服务器在初始化测试策略时把相关测试计划发送给上位机，由上位机自行存储在掉电保持FLASH 存储器中，并根据测试计划执行测试任务，其工作流程如图3 所示。

图2 接地电阻测试仪硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of grounding resistance tester

上位机及接地电阻测试仪，具备掉电保存测试数据功能，装置的断电、重启不会丢失测试的数据，且不依赖与远程主机进行工作。跟远程主机通信中断恢复后，自动把未上传的测试结果上传给远程主机。发送测试结果流程如图4 所示。

4 结束语

接地电阻在线测试及远程监测系统解决了建筑物防雷接地电阻测试时只能人工测试、单路测试的问题。本系统支持在线不间断测试及远程监测，极大减少了维护人员的工作量。本系统根据现场的需求，实现在线监测及测试，并把设备状态等信息在远程终端上进行图形化展示，解决接地电阻测试中的难点，受到使用者的青睐。目前该系统在杭长高铁、哈大高铁等线路批量使用，使用效果良好，达到预期目标。

图3 上位机软件流程图Fig.3 Flow diagram of upper computer software

图4 测试结果发送软件流程图Fig.4 Flow diagram of test data sending software