郭耀泉

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,福建 龍巖 364021)

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接地電阻阻值遠程測量系統(tǒng)

郭耀泉

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,福建 龍巖 364021)

針對接地電阻測量儀無法實現(xiàn)接地電阻的遠程測量及阻值的實時監(jiān)控，設(shè)計了一種運用鉗表法進行遠程測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機MSP430F149為核心，利用SIM900A模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，使用VS2015編寫上位機管理軟件，從而實現(xiàn)了多節(jié)點接地電阻的遠程實時接入測量、監(jiān)控及數(shù)據(jù)的管理。與已有的測量系統(tǒng)相比，該測量系統(tǒng)消除了外部因素的影響，提高了測量精度，使用更加便捷。

接地電阻；MSP430F149；SIM900A；遠程測量

接地電阻是用來衡量接地狀態(tài)的一個重要參數(shù)，直接反映了接地狀態(tài)的好壞，它的大小是接地系統(tǒng)品質(zhì)優(yōu)劣的重要評判依據(jù)。精確、快速、簡捷、可靠的接地電阻測量方法，已成為防雷接地領(lǐng)域內(nèi)的迫切需要[1]。目前，對接地電阻的測量大部分都是依靠人工方式來進行測量的，常用的測量接地電阻的方法有三極法和鉗表法[2-6]。三極法的基本原理是采用三點式電壓落差法，測量過程中須斷開接地引下線，安裝兩根輔助測試極。用鉗表法測量時，不需斷開接地引下線，不需兩根輔助電極，用鉗表夾住接地引下線即可測量接地電阻，故廣泛應(yīng)用于三極法測量受阻的場合。但這兩種方法的自動化程度均低，工作強度大。此外，已有的接地電阻阻值遠程檢測系統(tǒng)的功能不完善，沒有考慮檢測節(jié)點受劇烈天氣變化(溫度、濕度及土壤電阻率等)的影響，測量值隨外部因素的變化而變化，且測量精度較低；檢測節(jié)點組網(wǎng)不便捷，不能隨時增、刪檢測節(jié)點[7-13]。本研究根據(jù)實際測量需要，設(shè)計了一個基于鉗表法的接地電阻阻值遠程測量系統(tǒng)，即應(yīng)用異頻法減少工作現(xiàn)場的干擾，采用線性差值法，增加溫濕度檢測模塊與檢測節(jié)點的位置、時間信息，用以調(diào)整季節(jié)系數(shù)，消除外部因素的影響，提高測量精度；并且通過上位機軟件實現(xiàn)接地電阻檢測節(jié)點的實時增加、刪除和季節(jié)系數(shù)的智能調(diào)整，實現(xiàn)檢測節(jié)點的智能化管理；而且還實時掌握接地電阻的阻值變化，當(dāng)其超過閥值時會自動報警，以確保電氣運行裝置的安全，從而提高了測量的自動化程度。

1 接地電阻阻值遠程測量系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1 接地電阻阻值遠程測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of remote measurement system of grounding resistance value

接地電阻阻值測量系統(tǒng)主要由檢測節(jié)點和數(shù)據(jù)處理上位機2部分組成，其系統(tǒng)如圖1所示。檢測節(jié)點作為一個獨立單元，可以實時通過網(wǎng)絡(luò)與上位機連接，實現(xiàn)節(jié)點的單獨控制；檢測節(jié)點接收上位機的命令后可進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置與接地電阻(包括溫度、濕度)的測量工作，命令完成后通過通信模塊將執(zhí)行結(jié)果傳送給上位機進行處理、存儲。同時，上位機接收數(shù)據(jù)后根據(jù)季節(jié)系數(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，從而實現(xiàn)檢測節(jié)點數(shù)據(jù)的智能管理、狀態(tài)監(jiān)視，完成數(shù)據(jù)的收集、存儲。上位機還可以對檢測節(jié)點實時進行增刪等操作。

2 檢測節(jié)點硬件設(shè)計

檢測節(jié)點主要由GPRS通信模塊、單片機MSP430F149、AD轉(zhuǎn)換模塊、信號激勵模塊、濾波模塊、溫濕度檢測電路及外圍電路構(gòu)成，具體如圖2所示。

圖2 檢測節(jié)點硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of detection node

檢測節(jié)點以單片機MSP430F149為核心對各模塊進行控制，并對檢測的數(shù)據(jù)進行處理；GPRS通信模塊由SIM900A及外圍電路構(gòu)成，用于與上位機的通信，完成數(shù)據(jù)與命令的無線傳輸；信號激勵模塊由AD9850及外圍電路構(gòu)成，采用異頻法產(chǎn)生1.687 kHz的正弦電壓測量信號；AD轉(zhuǎn)換模塊(ADS8345)完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，采集電流互感器的感應(yīng)電流和溫度、濕度參數(shù)。

2.1 信號激勵模塊

信號激勵模塊采用AD9850作為正弦電壓信號發(fā)生器，加上電壓幅值調(diào)整電路和功率放大電路組成頻率為1.687 kHz的正弦電壓激勵模塊。采用異頻法與系統(tǒng)的工作頻率完全區(qū)別開來，以減少測量中的頻率干擾，提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

AD9850是Analog公司生產(chǎn)的最高時鐘信號為125 MHz的直接頻率合成器，主要由可編程DDS系統(tǒng)、高性能模數(shù)變換器(DAC)和高速比較器3部分構(gòu)成，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成，并具有時鐘產(chǎn)生功能[14]。AD9850產(chǎn)生的正弦信號可通過編程進行頻率和相位的設(shè)置。AD9850包含40位的可編程控制字，其中32位用來控制頻率，5位用來控制相位。40位控制字通過并行或串行連接方式送入AD9850的數(shù)據(jù)輸入寄存器內(nèi)保存。

如圖3所示，AD9850的時鐘信號通過CLKIN引腳與125 MHz的晶體振蕩器連接；D0～D7與單片機MSP430F149的P2端口通過并行方式相連接，用來傳遞40位的控制字。AD9850在工作之前首先進行初始化工作，將P3.0(WLCK)與P3.1(FQ_UD)引腳設(shè)置為低電平，P3.2(RST)引腳設(shè)置為高電平，將AD9850復(fù)位；然后將P3.0(WLCK)引腳置高電平，形成上升沿信號，將控制字通過P2并行端口送入輸入寄存器，P3.0連續(xù)輸出5次上升沿，分5次將40位控制字依次裝入輸入寄存器內(nèi)。控制字輸入完畢之后再設(shè)置P3.1(FQ_UD)為高電平(形成上升沿信號)，將控制字裝入頻率/相位寄存器，AD9850根據(jù)頻率/相位寄存器的內(nèi)容更新輸出的相位與頻率，也將地址指針指向第一個輸入寄存器，等待下一次控制字的裝入。正弦信號通過AD9850的 IOUT端輸出，再經(jīng)過電壓幅值調(diào)整與去除直流偏置電路，得到完整的正弦輸出信號。

圖3 AD9850電路連接圖Fig.3 Circuit diagram of AD9850

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊

圖4 帶通濾波電路連接圖Fig.4 Circuit diagram of band pass filter

由于外界的電磁場對監(jiān)測儀的干擾較大，為了減小接地電阻的誤差值，需選用帶通濾波電路來濾除干擾信號，將采樣信號保持在一個較窄的頻率帶范圍內(nèi)，帶通濾波電路連接情況如圖4所示。在本系統(tǒng)中正弦電壓信號的頻率為1.687 kHz，因此中心頻率設(shè)定為1.687 kHz，增益為1，品質(zhì)因素為6，選擇濾波電容為0.01 μF，根據(jù)公式可計算出各電阻值。通過Multisim對本設(shè)計中的帶通濾波電路各參數(shù)進行仿真測試，在幅頻特性圖中可以看出該濾波電路可以有效濾除1.687 kHz之外的干擾信號。

經(jīng)過濾波電路濾除干擾信號后，再經(jīng)過線性整流電路將正弦交流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。該直流電壓信號是模擬信號，這個模擬量要輸入單片機內(nèi)進行計算才能得到接地電阻的阻值，因此要通過AD轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)為分辨率、轉(zhuǎn)換時間、精度等[15]。綜合考慮以上3個因素，選用TI的ADS8345作為AD轉(zhuǎn)換芯片。ADS8345是16位8通道輸入(或4通道的差分輸入)串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率為105次/s。ADS8345內(nèi)部不含基準(zhǔn)參考電壓，為了保證轉(zhuǎn)換的精度，減小誤差，采用REF192作為基準(zhǔn)參考電壓發(fā)生器。REF192基準(zhǔn)源芯片具有高精度、低溫漂、低功耗且兼有睡眠功能的特點，能滿足工作需要。

圖5 單片機工作流程圖Fig.5 Flowchart of SCM

2.3 GPRS通信模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，信號穩(wěn)定，可以滿足現(xiàn)場通信的要求。因此，接地電阻阻值遠程測量系統(tǒng)的通信模塊采用SIM900A。SIM900A內(nèi)置TCP/IP協(xié)議簇，采用標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，用戶可以通過AT命令對GPRS進行操作并完成數(shù)據(jù)傳輸，并且具有睡眠模式。SIM900A采用串口與MSP430F149進行連接，MSP430F149發(fā)出的AT命令通過串口以字符串的形式傳給SIM900A，SIM900A接收到AT命令后進行相應(yīng)的操作。

3 軟件設(shè)計

3.1 單片機軟件設(shè)計

單片機工作流程如圖5所示。單片機功能使用Keil C51來編碼實現(xiàn)。單片機上電復(fù)位后，首先對各部件進行初始化設(shè)置，當(dāng)初始化完成后，進行自檢，通過對已知電阻進行測量，作為參考基準(zhǔn)，用線性差值法進行校正，從而減小溫漂和零漂，獲得更為精確的阻值。自檢完成后，單片機進入待命狀態(tài)。上位機發(fā)出命令后，根據(jù)命令執(zhí)行不同的操作。單片機接收到測量命令后，將控制字寫入AD9850中，AD9850輸出正弦信號，被測電阻產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過電流互感器感應(yīng)電流，將電流信號進行放大，濾除干擾，轉(zhuǎn)換為直流信號，通過ADS8345輸入單片機內(nèi)進行阻值計算。在進行12次測量后去除最大、最小值，取10次測量的平均值作為待測量電阻阻值，阻值通過GPRS模塊上傳到上位機。單片機接收到網(wǎng)絡(luò)設(shè)置命令后，與上位機通信，進行網(wǎng)絡(luò)檢測與數(shù)據(jù)傳輸測試。

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機工作界面如圖6所示。上位機軟件以Visual Studio 2015為開發(fā)平臺，以C#為開發(fā)語言。Visual Studio 2015的C#界面設(shè)計快捷，代碼運行效率高，生成的程序在Windows平臺運行穩(wěn)定。該軟件主要完成各檢測節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、監(jiān)控與用戶命令傳輸，完成電阻阻值的實時處理，對測量結(jié)果進行監(jiān)控，對數(shù)據(jù)進行存儲、分析和預(yù)警。

圖6 上位機工作界面Fig.6 GUI of host computer

從圖6中可以看出，上位機軟件首先處理的是對檢測節(jié)點的管理工作，將需要測量的節(jié)點與上位機聯(lián)結(jié)起來，進行節(jié)點的初始化和通信測試。初始化完成后，進行數(shù)據(jù)傳輸測試，數(shù)據(jù)傳輸正確后發(fā)布測量命令，單片機接收命令后進行測量、計算，并將阻值傳回上位機。上位機接收數(shù)據(jù)后根據(jù)檢測節(jié)點的溫度、濕度與地理位置及系統(tǒng)時間，調(diào)用不同的季節(jié)系數(shù)對阻值進行校正，以減小誤差[16]；再通過工作界面進行顯示、預(yù)警并完成數(shù)據(jù)的存儲工作。新增檢測節(jié)點操作通過節(jié)點設(shè)置菜單進行，當(dāng)新增節(jié)點輸入對應(yīng)地址信息后，測試軟件與新增節(jié)點進行通信，確認新增節(jié)點命令，并對新增節(jié)點進行調(diào)試。

4 測試結(jié)果

對5個節(jié)點進行遠程檢測，并將檢測結(jié)果與ZC-8型搖表測量儀的測量結(jié)果(業(yè)界測量標(biāo)準(zhǔn))進行比較，結(jié)果如表1所示。通過表1可知，本系統(tǒng)能對接地電阻進行準(zhǔn)確測量，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的傳輸，在經(jīng)歷天氣劇烈變化后其測量值保持不變，測量的結(jié)果具有誤差小、測量精度高且受外界因素影響小的特點。

表1 測量結(jié)果比較Table 1 Comparison of experiment results

5 結(jié) 論

接地電阻阻值遠程測量系統(tǒng)可根據(jù)需要實時設(shè)置采集點，測量節(jié)點組網(wǎng)方便、快捷；實現(xiàn)了實時在線測量，測量誤差??；提高了測量的自動化程度，降低了工作強度。經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、不易受外界干擾的特點，還具有測量精度高、組網(wǎng)便捷的優(yōu)點，因此具有廣泛的應(yīng)用價值。

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A remote measurement system of grounding resistance value

GUO Yaoquan

(Department of Electrical Engineering, Minxi Vocational and Technical College, Longyan 364021, Fujian, China)

As the grounding resistance measurement instrument fails to measure the grounding resistance remotely and monitor the resistance value in real time, a remote measurement system has been designed by adopting the clamp meter measurement method. With the core of the SCM MSP430F149, the system applied the module SIM900A to transmit data and used VS2015 to write the management software running on host computer, which has made remote real-time measurement, monitoring and data management of the multi-node grounding resistance come true. Compared with the existing measurement systems, the new alternative has eliminated external effects and improved measuring accuracy, with easier access to use.

grounding resistance; MSP430F149; SIM900A; remote measurement

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.03.008

2016-12-31

郭耀泉(1974— )，男，福建省龍巖人，副教授，碩士，主要從事電子控制研究。E-mail:gyq918@163.com。

TP273.5；TM152

A

1671-8798(2017)03-0201-05