基于雙核AM2732 芯片的分布式小水電控制器設計

張 杰，高方明，郭 琳，王智東，馮瑞玨，梁振洪，林旭朗

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

0 引 言

近年來，我國偏遠地區(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，成為了地方負荷供電的重要保障，在實現(xiàn)我國農村電氣化和減碳目標方面發(fā)揮著重要作用［2，3］。然而，現(xiàn)有農村小水電普遍自動化水平較低，不像風電、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，基本處于“無序”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)域內分布式小水電和其他發(fā)電資源的綜合利用效率，必須對分布式小水電配置專門的控制器，并且要求這類控制器具備本地信息處理能力和很強的通信能力?，F(xiàn)有小水電控制器主要考慮發(fā)電控制和設備保護，缺少強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)或更高層級的配電網(wǎng)參與統(tǒng)一協(xié)調運行的能力。

本文設計了一種基于ARM+DSP 雙核異構芯片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)絡傳輸和通信信息的完整性認證，利用DSP 完成小水電機組數(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 芯片內部ARM 的網(wǎng)絡通信優(yōu)勢和DSP 強大的信息處理能力，不僅實現(xiàn)了發(fā)電單元設備層與微電網(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)的計算負擔，從而助力小水電微電網(wǎng)整體優(yōu)化運行。所設計的控制器在韶關某偏遠山區(qū)分布式小水電微電網(wǎng)進行了長期現(xiàn)場試驗，試驗數(shù)據(jù)表明該控制器不僅能有效管理本地小水電機組運行，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)調區(qū)域內多個小水電、光伏、柴油機組、儲能和負荷，實現(xiàn)了微電網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)運行，保障了網(wǎng)內重要負荷供電。

1 分布式小水電控制器總體設計

為了滿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構在通信協(xié)同、硬件兼容等方面會帶來問題，增加了開發(fā)難度。因此，本控制器選用TI 公司高度集成的ARM+DSP 雙核異構芯片AM2732作為中央處理器，在滿足分布式小水電控制器功能需求的同時有效增加了控制器的可靠性，降低了開發(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 雙核異構芯片AM2732、模擬量采集電路、開關量采集電路、輸出調控電路、4G 無線通信模塊、電源穩(wěn)壓模塊、人機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計功能如下。

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DSP采集小水電機組的模擬量和開關量信息并根據(jù)相關算法進行處理和分析，減輕微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的信息處理壓力；

（2）信息的完整性認證。ARM 利用SM3國密算法雜湊值的不可逆性和唯一性的特點，從而驗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 通過處理器間通信（IPC）的Mailbox 機制進行信息交互，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4G 網(wǎng)絡通信保障信息交互的實時性；

（4）指令中轉與就地決策。常態(tài)下，ARM 負責將微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)下發(fā)的調控指令輸出到現(xiàn)場設備。而當遇到緊急情況或者與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)通信中斷形成短時信息“孤島”時，分布式小水電控制器通過就地決策實施停機保護或下發(fā)調控指令，保障小水電機組及其負荷用戶的安全。

2 硬件設計

控制器主要是通過模擬量采集電路和開關量采集電路采集小水電的運行信息，通過輸出調控電路對小水電下達調控指令。

2.1 模擬量采集電路的設計

小水電模擬量的采集主要是發(fā)電機出口的三相電流、三相電壓和機組設備溫度等。小水電三相電流與電壓采集電路主要由互感器、信號調理電路組成，信號調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1.036 V 的交流電壓信號，經(jīng)信號調理電路將雙極交流電壓信號中的高頻部分濾除并轉換為單極直流電壓信號。

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 開關量采集電路的設計

小水電開關量信號主要包括小水電機組啟停狀態(tài)、斷路器的分合閘狀態(tài)、過壓或過流保護動作等［11］。圖3 是控制器的開關量輸入通道電路，采用光電隔離器件避免惡劣環(huán)境對控制器帶來干擾?？刂破魍ㄟ^對GPIOINx 引腳的高低電平狀態(tài)的判斷獲得相應得開關量狀態(tài)信息。

圖3 開關量采集電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of switch data acquisition circuit

2.3 輸出調控電路的設計

分布式小水電控制器輸出的調控指令主要包括小水電機組導葉開度指令、斷路器分合閘指令、告警信號指令、自動解列指令、水閥分合閘指令等［11-13］，其輸出調控電路原理如圖4 所示。ARM 的GPIOOUTx 引腳輸出執(zhí)行控制器下發(fā)的調控指令，經(jīng)光電耦合隔離后由三極管驅動繼電器給出相應的調控信號，進而達到對機組有功功率的調節(jié)和保障小水電機組及負荷用戶的設備安全可靠運行。

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

3 軟件設計

AM2732 作為一款ARM+DSP 雙核異構芯片， 其中ARM 和DSP 都以Linux 作為開發(fā)平臺，這就大大提高了后期軟件維護效率。

3.1 主程序設計

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入自檢程序，完成各類硬件接口、Mailbox機制等的初始化。接著DSP通過GPIO 口采集小水電開關量信息，通過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并通過快速傅里葉算法進行信息預處理，并判斷小水電是否處于緊急狀態(tài)（小水電機組、勵磁設備故障等）。如果處于緊急狀態(tài)，DSP立刻執(zhí)行就地決策并通過芯片中IPC 的Mailbox 機制與ARM 進行信息交互，由ARM 下達本地調控指令，保障小水電機組及負荷用戶的設備安全。而正常狀態(tài)下，DSP 與ARM 進行信息交互，ARM 采用SM3 國密算法對需要上送的信息產(chǎn)生一個雜湊值，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 無線通信網(wǎng)絡通過MQTT 協(xié)議進行信息交互。在這里，ARM 首先需要對信息狀態(tài)進行判斷，當判斷信息異常時選擇實時上送，否則采取定時上送的方式。最后，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)搜集到的全網(wǎng)信息實施全局優(yōu)化調度并向小水電控制器下達帶有雜湊值的遠程調控指令。ARM 對收到的遠程調控指令進行完整性認證，當調控指令是準確完整時，則下發(fā)到小水電機組；否則DSP 立刻執(zhí)行就地決策并通知微電網(wǎng)能量系統(tǒng)調控指令被干擾。特別地，當4G 無線通信發(fā)生中斷，DSP同樣會進入就地決策程序。

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 控制器的通信設計

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

AM2732 芯片專門提供了一種Mailbox 機制作為DSP 與ARM 之間的通信通道，并且ARM 和DSP 都有對應的Mailbox 信息存儲空間和通信使用的寄存器，在這種機制下，ARM 和DSP可以通過芯片的IPC 進行高效的異步信息交互。當DSP 與ARM 進行核間信息交互時，首先，DSP 將需要發(fā)送到ARM 的信息寫入Mailbox 內存空間，并向ARM 發(fā)起中斷；接著，在ARM 確認中斷后從Mailbox 內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進行確認并清除中斷。

因分布式小水電地處偏遠山區(qū)，4G無線網(wǎng)絡在此類地區(qū)占有優(yōu)勢，因此控制器選用EC20 4G 無線通信模塊作為與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)通信的器件。利用該模塊內置的TCP 網(wǎng)絡通信協(xié)議作為更輕量化的MQTT 協(xié)議的應用層協(xié)議，通過使用簡易的代碼就能驅動。

3.3 基于SM3國密算法的完整性認證設計

本控制器借助公網(wǎng)的4G 無線通信網(wǎng)絡進行信息交互，存在因通信信號受到干擾或第三方的惡意入侵從而導致報文遭到篡改、偽造等網(wǎng)絡風險。鑒于微電網(wǎng)系統(tǒng)對信息交互的安全性有著很高的要求，本文采用SM3 國密算法對信息完整性進行校驗，從而確保信息的完整性和準確性。利用SM3 國密算法產(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 國密算法對信息產(chǎn)生雜湊值（摘要）。通過對發(fā)送方和接受方的摘要對比，當發(fā)送方和接受方的摘要完全相同時，則說明接收到的信息是準確完整的；否則說明接收到的信息是不準確或不完整。SM3 國密算法及信息完整性校驗過程如圖6所示。

4 分布式小水電控制器的實際應用

4.1 韶關某分布式小水電微電網(wǎng)系統(tǒng)框架

所設計的分布式小水電控制器已投入韶關某山區(qū)小水電微電網(wǎng)系統(tǒng)運行，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備層構成。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、可控機組控制器、儲能控制器和負荷控制器，而單元設備層包括分布式小水電、光伏發(fā)電、柴油機組、儲能和負荷。

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，通過分布式單元控制層下達調控指令到單元設備層，從而實現(xiàn)整體優(yōu)化運行。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行。

4.2 控制器的現(xiàn)場應用數(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)場運行信息，該信息主要包含了開關量信息（導葉開度、開關機狀態(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)場應用數(shù)據(jù)表明，小水電控制器設計功能運行良好，達到了預期效果。

4.3 MQTT報文的完整性驗證

根據(jù)SM3 國密算法產(chǎn)生的雜湊值（摘要）具有不可逆性和唯一性的特點，可通過對MQTT報文隨機進行篡改和信息刪減，并進行雜湊值對比試驗驗證SM3國密算法的有效性。表1給出了采用SM3 國密算法對原報文、篡改報文和刪減報文進行加密產(chǎn)生的摘要示例。測試表明，一旦報文遭到篡改和刪減，其經(jīng)過國密算法獲得的摘要與原始信息的摘要都不相同，由此可判定報文已被惡意篡改或遭到刪減，從而驗證了算法的有效性。

表1 SM3國密算法完整性認證示例Tab.1 Example of integrity authentication of SM3 national secret algorithm

5 結 論

本文設計了基于雙核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、調控和信息的完整性認證功能，利用DSP 完成小水電運行信息的采集、處理和分析等功能。在韶關某小水電微電網(wǎng)現(xiàn)場進行了長期的運行試驗，結果表明所設計的分布式控制器不僅滿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)實現(xiàn)了微電網(wǎng)整體協(xié)調優(yōu)化運行，保障了重要負荷供電。