張 杰，高方明，郭 琳，王智東，馮瑞玨，梁振洪，林旭朗

（1. 廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006； 2. 廣州城市理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；3. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)小水電事業(yè)蓬勃發(fā)展［1］。小水電作為一種可再生清潔能源，成為了地方負(fù)荷供電的重要保障，在實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)村電氣化和減碳目標(biāo)方面發(fā)揮著重要作用［2，3］。然而，現(xiàn)有農(nóng)村小水電普遍自動(dòng)化水平較低，不像風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電裝置具有成熟的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與并網(wǎng)能力［4］。傳統(tǒng)的小水電多數(shù)都以跟蹤最大發(fā)電功率為目標(biāo)，基本處于“無(wú)序”的粗放式管理狀態(tài)，信息“孤島”現(xiàn)象頻發(fā)，如將其直接接入配電網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)造成較大沖擊［5，6］。為保障小水電有序接入配電網(wǎng)，提高區(qū)域內(nèi)分布式小水電和其他發(fā)電資源的綜合利用效率，必須對(duì)分布式小水電配置專(zhuān)門(mén)的控制器，并且要求這類(lèi)控制器具備本地信息處理能力和很強(qiáng)的通信能力。現(xiàn)有小水電控制器主要考慮發(fā)電控制和設(shè)備保護(hù)，缺少?gòu)?qiáng)大的信息處理和通信安全保障能力［7-10］，尚不具備接入微電網(wǎng)或更高層級(jí)的配電網(wǎng)參與統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)行的能力。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM+DSP 雙核異構(gòu)芯片AM2732 的分布式小水電控制器。該控制器利用ARM 完成小水電的控制管理、網(wǎng)絡(luò)傳輸和通信信息的完整性認(rèn)證，利用DSP 完成小水電機(jī)組數(shù)據(jù)采集和分析處理，借助雙核間的信息交互功能充分發(fā)揮了AM2732 芯片內(nèi)部ARM 的網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)勢(shì)和DSP 強(qiáng)大的信息處理能力，不僅實(shí)現(xiàn)了發(fā)電單元設(shè)備層與微電網(wǎng)系統(tǒng)決策層之間快速安全的信息交互，還大大減輕了微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，從而助力小水電微電網(wǎng)整體優(yōu)化運(yùn)行。所設(shè)計(jì)的控制器在韶關(guān)某偏遠(yuǎn)山區(qū)分布式小水電微電網(wǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該控制器不僅能有效管理本地小水電機(jī)組運(yùn)行，還能參與微電網(wǎng)能量管理，協(xié)助微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)多個(gè)小水電、光伏、柴油機(jī)組、儲(chǔ)能和負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行，保障了網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷供電。

1 分布式小水電控制器總體設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足分布式小水電控制器的功能需求，需要選擇一款合適的芯片作為中央處理器。單核ARM 芯片和單核DSP 芯片均難以完全支撐其功能需求，而單核芯片的組合結(jié)構(gòu)在通信協(xié)同、硬件兼容等方面會(huì)帶來(lái)問(wèn)題，增加了開(kāi)發(fā)難度。因此，本控制器選用TI 公司高度集成的ARM+DSP 雙核異構(gòu)芯片AM2732作為中央處理器，在滿(mǎn)足分布式小水電控制器功能需求的同時(shí)有效增加了控制器的可靠性，降低了開(kāi)發(fā)難度。

基于雙核AM2732 的分布式小水電控制器整體框圖如圖1所示，主要由ARM+DSP 雙核異構(gòu)芯片AM2732、模擬量采集電路、開(kāi)關(guān)量采集電路、輸出調(diào)控電路、4G 無(wú)線通信模塊、電源穩(wěn)壓模塊、人機(jī)交互模塊和控制器間通信模塊等組成。分布式小水電控制器的具體設(shè)計(jì)功能如下。

圖1 基于雙核AM2732的分布式小水電控制器整體框圖Fig.1 Block diagram of small distributed hydropower controller based on dual-core AM2732

（1）信息采集、處理和分析。分布式小水電控制器通過(guò)DSP采集小水電機(jī)組的模擬量和開(kāi)關(guān)量信息并根據(jù)相關(guān)算法進(jìn)行處理和分析，減輕微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的信息處理壓力；

（2）信息的完整性認(rèn)證。ARM 利用SM3國(guó)密算法雜湊值的不可逆性和唯一性的特點(diǎn)，從而驗(yàn)證傳輸信息的完整性，保障微電網(wǎng)系統(tǒng)傳輸信息的完整性和安全性；

（3）通信交互。DSP 與ARM 通過(guò)處理器間通信（IPC）的Mailbox 機(jī)制進(jìn)行信息交互，而ARM 與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)則在輕量化的MQTT 協(xié)議下通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)通信保障信息交互的實(shí)時(shí)性；

（4）指令中轉(zhuǎn)與就地決策。常態(tài)下，ARM 負(fù)責(zé)將微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)控指令輸出到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。而當(dāng)遇到緊急情況或者與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)通信中斷形成短時(shí)信息“孤島”時(shí)，分布式小水電控制器通過(guò)就地決策實(shí)施停機(jī)保護(hù)或下發(fā)調(diào)控指令，保障小水電機(jī)組及其負(fù)荷用戶(hù)的安全。

2 硬件設(shè)計(jì)

控制器主要是通過(guò)模擬量采集電路和開(kāi)關(guān)量采集電路采集小水電的運(yùn)行信息，通過(guò)輸出調(diào)控電路對(duì)小水電下達(dá)調(diào)控指令。

2.1 模擬量采集電路的設(shè)計(jì)

小水電模擬量的采集主要是發(fā)電機(jī)出口的三相電流、三相電壓和機(jī)組設(shè)備溫度等。小水電三相電流與電壓采集電路主要由互感器、信號(hào)調(diào)理電路組成，信號(hào)調(diào)理電路包括低通濾波電路、放大電路、偏置電路、反向跟隨電路、防雷鉗位二極管電路。圖2是小水電電壓與電流采集電路原理圖。電壓（流）模擬量經(jīng)電壓（流）互感器后輸出最大幅值不超過(guò)1.036 V 的交流電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路將雙極交流電壓信號(hào)中的高頻部分濾除并轉(zhuǎn)換為單極直流電壓信號(hào)。

圖2 小水電電壓與電流采集電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of voltage and current acquisition circuit for small hydropower

2.2 開(kāi)關(guān)量采集電路的設(shè)計(jì)

小水電開(kāi)關(guān)量信號(hào)主要包括小水電機(jī)組啟停狀態(tài)、斷路器的分合閘狀態(tài)、過(guò)壓或過(guò)流保護(hù)動(dòng)作等［11］。圖3 是控制器的開(kāi)關(guān)量輸入通道電路，采用光電隔離器件避免惡劣環(huán)境對(duì)控制器帶來(lái)干擾。控制器通過(guò)對(duì)GPIOINx 引腳的高低電平狀態(tài)的判斷獲得相應(yīng)得開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信息。

圖3 開(kāi)關(guān)量采集電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of switch data acquisition circuit

2.3 輸出調(diào)控電路的設(shè)計(jì)

分布式小水電控制器輸出的調(diào)控指令主要包括小水電機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度指令、斷路器分合閘指令、告警信號(hào)指令、自動(dòng)解列指令、水閥分合閘指令等［11-13］，其輸出調(diào)控電路原理如圖4 所示。ARM 的GPIOOUTx 引腳輸出執(zhí)行控制器下發(fā)的調(diào)控指令，經(jīng)光電耦合隔離后由三極管驅(qū)動(dòng)繼電器給出相應(yīng)的調(diào)控信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)機(jī)組有功功率的調(diào)節(jié)和保障小水電機(jī)組及負(fù)荷用戶(hù)的設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

圖4 輸出調(diào)控電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of output control circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

AM2732 作為一款A(yù)RM+DSP 雙核異構(gòu)芯片， 其中ARM 和DSP 都以Linux 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這就大大提高了后期軟件維護(hù)效率。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

基于雙核AM2732芯片的分布式小水電控制器工作流程如圖5 所示?？刂破魃想姾筮M(jìn)入自檢程序，完成各類(lèi)硬件接口、Mailbox機(jī)制等的初始化。接著DSP通過(guò)GPIO 口采集小水電開(kāi)關(guān)量信息，通過(guò)GPADC 通道采集小水電模擬量信息，采用EDMA 控制器完成信息存儲(chǔ)并通過(guò)快速傅里葉算法進(jìn)行信息預(yù)處理，并判斷小水電是否處于緊急狀態(tài)（小水電機(jī)組、勵(lì)磁設(shè)備故障等）。如果處于緊急狀態(tài)，DSP立刻執(zhí)行就地決策并通過(guò)芯片中IPC 的Mailbox 機(jī)制與ARM 進(jìn)行信息交互，由ARM 下達(dá)本地調(diào)控指令，保障小水電機(jī)組及負(fù)荷用戶(hù)的設(shè)備安全。而正常狀態(tài)下，DSP 與ARM 進(jìn)行信息交互，ARM 采用SM3 國(guó)密算法對(duì)需要上送的信息產(chǎn)生一個(gè)雜湊值，然后ARM將雜湊值和需要上送的信息一起打包送到微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，ARM 與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)之間采用4G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)MQTT 協(xié)議進(jìn)行信息交互。在這里，ARM 首先需要對(duì)信息狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)判斷信息異常時(shí)選擇實(shí)時(shí)上送，否則采取定時(shí)上送的方式。最后，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)搜集到的全網(wǎng)信息實(shí)施全局優(yōu)化調(diào)度并向小水電控制器下達(dá)帶有雜湊值的遠(yuǎn)程調(diào)控指令。ARM 對(duì)收到的遠(yuǎn)程調(diào)控指令進(jìn)行完整性認(rèn)證，當(dāng)調(diào)控指令是準(zhǔn)確完整時(shí)，則下發(fā)到小水電機(jī)組；否則DSP 立刻執(zhí)行就地決策并通知微電網(wǎng)能量系統(tǒng)調(diào)控指令被干擾。特別地，當(dāng)4G 無(wú)線通信發(fā)生中斷，DSP同樣會(huì)進(jìn)入就地決策程序。

圖5 分布式小水電控制器的工作流程圖Fig.5 Work flow chart of distributed small hydropower controller

3.2 控制器的通信設(shè)計(jì)

分布式小水電控制器的通信包括其內(nèi)部的核間通信及其與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的通信。

AM2732 芯片專(zhuān)門(mén)提供了一種Mailbox 機(jī)制作為DSP 與ARM 之間的通信通道，并且ARM 和DSP 都有對(duì)應(yīng)的Mailbox 信息存儲(chǔ)空間和通信使用的寄存器，在這種機(jī)制下，ARM 和DSP可以通過(guò)芯片的IPC 進(jìn)行高效的異步信息交互。當(dāng)DSP 與ARM 進(jìn)行核間信息交互時(shí)，首先，DSP 將需要發(fā)送到ARM 的信息寫(xiě)入Mailbox 內(nèi)存空間，并向ARM 發(fā)起中斷；接著，在ARM 確認(rèn)中斷后從Mailbox 內(nèi)存空間讀取信息并清除中斷；最后，ARM向DSP發(fā)起中斷通知信息已被讀取，DSP進(jìn)行確認(rèn)并清除中斷。

因分布式小水電地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在此類(lèi)地區(qū)占有優(yōu)勢(shì)，因此控制器選用EC20 4G 無(wú)線通信模塊作為與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)通信的器件。利用該模塊內(nèi)置的TCP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議作為更輕量化的MQTT 協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議，通過(guò)使用簡(jiǎn)易的代碼就能驅(qū)動(dòng)。

3.3 基于SM3國(guó)密算法的完整性認(rèn)證設(shè)計(jì)

本控制器借助公網(wǎng)的4G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，存在因通信信號(hào)受到干擾或第三方的惡意入侵從而導(dǎo)致報(bào)文遭到篡改、偽造等網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。鑒于微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)信息交互的安全性有著很高的要求，本文采用SM3 國(guó)密算法對(duì)信息完整性進(jìn)行校驗(yàn)，從而確保信息的完整性和準(zhǔn)確性。利用SM3 國(guó)密算法產(chǎn)生的雜湊值具有不可逆性和唯一性的特性［14］，發(fā)送方和接收方采用SM3 國(guó)密算法對(duì)信息產(chǎn)生雜湊值（摘要）。通過(guò)對(duì)發(fā)送方和接受方的摘要對(duì)比，當(dāng)發(fā)送方和接受方的摘要完全相同時(shí)，則說(shuō)明接收到的信息是準(zhǔn)確完整的；否則說(shuō)明接收到的信息是不準(zhǔn)確或不完整。SM3 國(guó)密算法及信息完整性校驗(yàn)過(guò)程如圖6所示。

4 分布式小水電控制器的實(shí)際應(yīng)用

4.1 韶關(guān)某分布式小水電微電網(wǎng)系統(tǒng)框架

所設(shè)計(jì)的分布式小水電控制器已投入韶關(guān)某山區(qū)小水電微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，圖7 是該微電網(wǎng)系統(tǒng)框架。該微電網(wǎng)由系統(tǒng)決策層、分布式單元控制層和單元設(shè)備層構(gòu)成。系統(tǒng)決策層主要是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，分布式單元控制層包括分布式小水電控制器、光伏控制器、可控機(jī)組控制器、儲(chǔ)能控制器和負(fù)荷控制器，而單元設(shè)備層包括分布式小水電、光伏發(fā)電、柴油機(jī)組、儲(chǔ)能和負(fù)荷。

圖7 某含分布式小水電控制器的微電網(wǎng)系統(tǒng)框架Fig.7 A microgrid system framework with distributed small hydropower controller

微電網(wǎng)系統(tǒng)決策層通過(guò)分布式單元控制層匯集全網(wǎng)信息并做出優(yōu)化決策，通過(guò)分布式單元控制層下達(dá)調(diào)控指令到單元設(shè)備層，從而實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化運(yùn)行。分布式單元控制層作為中間環(huán)節(jié)，保障微電網(wǎng)系統(tǒng)整體信息流通和安全可靠運(yùn)行。

4.2 控制器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可從分布式小水電控制器獲取現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行信息，該信息主要包含了開(kāi)關(guān)量信息（導(dǎo)葉開(kāi)度、開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)等）、告警信息（低壓、低頻告警等）、模擬量信息（三相電流與電壓等）等。圖8 給出了某小水電的A 相電流信息界面?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，小水電控制器設(shè)計(jì)功能運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

4.3 MQTT報(bào)文的完整性驗(yàn)證

根據(jù)SM3 國(guó)密算法產(chǎn)生的雜湊值（摘要）具有不可逆性和唯一性的特點(diǎn)，可通過(guò)對(duì)MQTT報(bào)文隨機(jī)進(jìn)行篡改和信息刪減，并進(jìn)行雜湊值對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證SM3國(guó)密算法的有效性。表1給出了采用SM3 國(guó)密算法對(duì)原報(bào)文、篡改報(bào)文和刪減報(bào)文進(jìn)行加密產(chǎn)生的摘要示例。測(cè)試表明，一旦報(bào)文遭到篡改和刪減，其經(jīng)過(guò)國(guó)密算法獲得的摘要與原始信息的摘要都不相同，由此可判定報(bào)文已被惡意篡改或遭到刪減，從而驗(yàn)證了算法的有效性。

表1 SM3國(guó)密算法完整性認(rèn)證示例Tab.1 Example of integrity authentication of SM3 national secret algorithm

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于雙核AM2732 芯片的分布式小水電控制器，該控制器利用ARM 完成小水電信息傳輸、調(diào)控和信息的完整性認(rèn)證功能，利用DSP 完成小水電運(yùn)行信息的采集、處理和分析等功能。在韶關(guān)某小水電微電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的分布式控制器不僅滿(mǎn)足了小水電的基本控制功能需求，還助力微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，保障了重要負(fù)荷供電。