接地电阻是用来衡量接地状态的一个重要参数,直接反映了接地状态的好坏,它的大小是接地系统品质优劣的重要评判依据。精确、快速、简捷、可靠的接地电阻测量方法,已成为防雷接地领域内的迫切需要^[1]。目前,对接地电阻的测量大部分都是依靠人工方式来进行测量的,常用的测量接地电阻的方法有三极法和钳表法^[2-6]。三极法的基本原理是采用三点式电压落差法,测量过程中须断开接地引下线,安装两根辅助测试极。用钳表法测量时,不需断开接地引下线,不需两根辅助电极,用钳表夹住接地引下线即可测量接地电阻,故广泛应用于三极法测量受阻的场合。但这两种方法的自动化程度均低,工作强度大。此外,已有的接地电阻阻值远程检测系统的功能不完善,没有考虑检测节点受剧烈天气变化(温度、湿度及土壤电阻率等)的影响,测量值随外部因素的变化而变化,且测量精度较低; 检测节点组网不便捷,不能随时增、删检测节点^[7-13]。本研究根据实际测量需要,设计了一个基于钳表法的接地电阻阻值远程测量系统,即应用异频法减少工作现场的干扰,采用线性差值法,增加温湿度检测模块与检测节点的位置、时间信息,用以调整季节系数,消除外部因素的影响,提高测量精度; 并且通过上位机软件实现接地电阻检测节点的实时增加、删除和季节系数的智能调整,实现检测节点的智能化管理; 而且还实时掌握接地电阻的阻值变化,当其超过阀值时会自动报警,以确保电气运行装置的安全,从而提高了测量的自动化程度。

接地电阻阻值测量系统主要由检测节点和数据处理上位机2部分组成,其系统如图1所示。检测节点作为一个独立单元,可以实时通过网络与上位机连接,实现节点的单独控制; 检测节点接收上位机的命令后可进行网络设置与接地电阻(包括温度、湿度)的测量工作,命令完成后通过通信模块将执行结果传送给上位机进行处理、存储。同时,上位机接收数据后根据季节系数对数据进行处理,从而实现检测节点数据的智能管理、状态监视,完成数据的收集、存储。上位机还可以对检测节点实时进行增删等操作。

图1 接地电阻阻值远程测量系统示意图
Fig.1 Schematic diagram of remote measurement system of grounding resistance value

检测节点主要由GPRS通信模块、单片机MSP430F149、AD转换模块、信号激励模块、滤波模块、温湿度检测电路及外围电路构成,具体如图2所示。

图2 检测节点硬件框图
Fig.2 Hardware block diagram of detection node

检测节点以单片机MSP430F149为核心对各模块进行控制,并对检测的数据进行处理; GPRS通信模块由SIM900A及外围电路构成,用于与上位机的通信,完成数据与命令的无线传输; 信号激励模块由AD9850及外围电路构成,采用异频法产生1.687 kHz的正弦电压测量信号; AD转换模块(ADS8345)完成数据采集任务,采集电流互感器的感应电流和温度、湿度参数。

信号激励模块采用AD9850作为正弦电压信号发生器,加上电压幅值调整电路和功率放大电路组成频率为1.687 kHz的正弦电压激励模块。采用异频法与系统的工作频率完全区别开来,以减少测量中的频率干扰,提高测量数据的准确性。

AD9850是Analog公司生产的最高时钟信号为125 MHz的直接频率合成器,主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器(DAC)和高速比较器3部分构成,能实现全数字编程控制的频率合成,并具有时钟产生功能^[14]。AD9850产生的正弦信号可通过编程进行频率和相位的设置。AD9850包含40位的可编程控制字,其中32位用来控制频率,5位用来控制相位。40位控制字通过并行或串行连接方式送入AD9850的数据输入寄存器内保存。

如图3所示,AD9850的时钟信号通过CLKIN引脚与125 MHz的晶体振荡器连接; D0～D7与单片机MSP430F149的P2端口通过并行方式相连接,用来传递40位的控制字。AD9850在工作之前首先进行初始化工作,将P3.0(WLCK)与P3.1(FQ_UD)引脚设置为低电平,P3.2(RST)引脚设置为高电平,将AD9850复位; 然后将P3.0(WLCK)引脚置高电平,形成上升沿信号,将控制字通过P2并行端口送入输入寄存器,P3.0连续输出5次上升沿,分5次将40位控制字依次装入输入寄存器内。控制字输入完毕之后再设置P3.1(FQ_UD)为高电平(形成上升沿信号),将控制字装入频率/相位寄存器,AD9850根据频率/相位寄存器的内容更新输出的相位与频率,也将地址指针指向第一个输入寄存器,等待下一次控制字的装入。正弦信号通过AD9850的 IOUT端输出,再经过电压幅值调整与去除直流偏置电路,得到完整的正弦输出信号。

图3 AD9850电路连接图
Fig.3 Circuit diagram of AD9850

由于外界的电磁场对监测仪的干扰较大,为了减小接地电阻的误差值,需选用带通滤波电路来滤除干扰信号,将采样信号保持在一个较窄的频率带范围内,带通滤波电路连接情况如图4所示。

图4 带通滤波电路连接图
Fig.4 Circuit diagram of band pass filter

在本系统中正弦电压信号的频率为1.687 kHz,因此中心频率设定为1.687 kHz,增益为1,品质因素为6,选择滤波电容为0.01 μF,根据公式可计算出各电阻值。通过Multisim对本设计中的带通滤波电路各参数进行仿真测试,在幅频特性图中可以看出该滤波电路可以有效滤除1.687 kHz之外的干扰信号。

经过滤波电路滤除干扰信号后,再经过线性整流电路将正弦交流信号转换为直流电压信号。该直流电压信号是模拟信号,这个模拟量要输入单片机内进行计算才能得到接地电阻的阻值,因此要通过AD转换器将模拟量转换为数字量。AD转换器的主要技术指标为分辨率、转换时间、精度等^[15]。综合考虑以上3个因素,选用TI的ADS8345作为AD转换芯片。ADS8345是16位8通道输入(或4通道的差分输入)串行输出的模数转换器,采样速率为10⁵次/s。ADS8345内部不含基准参考电压,为了保证转换的精度,减小误差,采用REF192作为基准参考电压发生器。REF192基准源芯片具有高精度、低温漂、低功耗且兼有睡眠功能的特点,能满足工作需要。

GPRS网络覆盖范围广,信号稳定,可以满足现场通信的要求。因此,接地电阻阻值远程测量系统的通信模块采用SIM900A。SIM900A内置TCP/IP协议簇,采用标准AT命令接口,用户可以通过AT命令对GPRS进行操作并完成数据传输,并且具有睡眠模式。SIM900A采用串口与MSP430F149进行连接,MSP430F149发出的AT命令通过串口以字符串的形式传给SIM900A,SIM900A接收到AT命令后进行相应的操作。

单片机工作流程如图5所示。单片机功能使用Keil C51来编码实现。单片机上电复位后,首先对各部件进行初始化设置,当初始化完成后,进行自检,通过对已知电阻进行测量,作为参考基准,用线性差值法进行校正,从而减小温漂和零漂,获得更为精确的阻值。自检完成后,单片机进入待命状态。上位机发出命令后,根据命令执行不同的操作。单片机接收到测量命令后,将控制字写入AD9850中,AD9850输出正弦信号,被测电阻产生感应电流,通过电流互感器感应电流,将电流信号进行放大,滤除干扰,转换为直流信号,通过ADS8345输入单片机内进行阻值计算。在进行12次测量后去除最大、最小值,取10次测量的平均值作为待测量电阻阻值,阻值通过GPRS模块上传到上位机。单片机接收到网络设置命令后,与上位机通信,进行网络检测与数据传输测试。

图5 单片机工作流程图
Fig.5 Flowchart of SCM

上位机工作界面如图6所示。上位机软件以Visual Studio 2015为开发平台,以C#为开发语言。Visual Studio 2015的C#界面设计快捷,代码运行效率高,生成的程序在Windows平台运行稳定。该软件主要完成各检测节点的网络设置、监控与用户命令传输,完成电阻阻值的实时处理,对测量结果进行监控,对数据进行存储、分析和预警。

图6 上位机工作界面
Fig.6 GUI of host computer

从图6中可以看出,上位机软件首先处理的是对检测节点的管理工作,将需要测量的节点与上位机联结起来,进行节点的初始化和通信测试。初始化完成后,进行数据传输测试,数据传输正确后发布测量命令,单片机接收命令后进行测量、计算,并将阻值传回上位机。上位机接收数据后根据检测节点的温度、湿度与地理位置及系统时间,调用不同的季节系数对阻值进行校正,以减小误差^[16]; 再通过工作界面进行显示、预警并完成数据的存储工作。新增检测节点操作通过节点设置菜单进行,当新增节点输入对应地址信息后,测试软件与新增节点进行通信,确认新增节点命令,并对新增节点进行调试。

对5个节点进行远程检测,并将检测结果与ZC-8型摇表测量仪的测量结果(业界测量标准)进行比较,结如表1所示。通过表1可知,本系统能对接地电阻进行准确测量,通过GPRS网络进行数据的传输,在经历天气剧烈变化后其测量值保持不变,测量的结果具有误差小、测量精度高且受外界因素影响小的特点。

表1 测量结果比较
Table 1 Comparison of experiment results

接地电阻阻值远程测量系统可根据需要实时设置采集点,测量节点组网方便、快捷; 实现了实时在线测量,测量误差小; 提高了测量的自动化程度,降低了工作强度。经过实际测试,该系统具有工作稳定可靠、不易受外界干扰的特点,还具有测量精度高、组网便捷的优点,因此具有广泛的应用价值。