核電站數字化儀控系統電磁兼容仿真預測技術的研究

北京廣利核系統工程有限公司 楊凱生，石桂連，張春雷，金成日

1 引言

核電站儀控系統是核電站的“神經中樞”，是確保核電站安全、可靠運行的重要設備。目前無論是在建核電站還是在運核電站的設備改造中，采用的多為基于計算機的數字化儀控系統或高級模擬系統，然而相對于現有的模擬儀控系統，這些數字化設備可能更容易受到核電站電磁和射頻干擾環境的影響。

根據美國核管理委員會的研究報告：電磁干擾（EMI）、射頻干擾（RFI）和電源浪涌已經被確認是會影響安全級電設備性能的環境因素，而且EMI已經成為核級設備選址環境鑒定的一部分，因此保證數字化儀控系統的電磁兼容性是滿足核電站的安全可靠運行的重要步驟。

由于電磁兼容設計是保證系統內外電磁兼容性的重要環節，利用電磁兼容仿真預測技術準確把握系統的電磁兼容設計有助于保障核電站儀控系統運行的安全可靠性。

2 電磁兼容仿真預測的重要性

電磁兼容技術主要包括電磁兼容預測分析、電磁兼容設計、電磁兼容測試、電磁兼容管理，它涉及到信息、電工、電子、通信、材料、結構等跨學科的多種技術領域。

電磁兼容設計作為電磁兼容技術的基礎，它的發展經歷了幾個階段：

問題整改階段；

規范設計技術階段；

系統法階段；

仿真與測試協同階段。

最后這個階段利用系統的方法論，將電磁兼容仿真設計與測試驗證有效地結合起來，建立一種符合產品實際情況的模型，為產品的整個設計過程中的電磁兼容特性提供可視化、可量化的參考。仿真軟件實現了方法論的計算機輔助設計，大大減少了人工的投入，并有效地保證了產品電磁兼容要求的一次成功率。

3 電磁兼容仿真預測技術在核電站數字化儀控系統中的應用

3.1 電磁兼容仿真流程理論

電磁兼容仿真預測的研究內容主要是建立電磁兼容三要素：電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備的數學模型，并采用適當的數值計算方法求解這些模型，以評估系統各設備是否滿足預定的電磁兼容性能的裕量要求。

建立正確的仿真模型是電磁兼容仿真預測最重要的一步，所建立的模型與實際樣機的匹配程度將直接決定仿真結果的精度與實用性，而且建模往往占據整個仿真過程70%以上的時間。針對不同類型的電磁兼容問題，建模也要有針對性。但不論是何種模型，核心都是要先確定潛在的干擾源、敏感設備及耦合路徑，然后再對這三要素一一建模。

建立模型后，采用易于得到測量結果的簡單例子進行仿真，將仿真結果與測量結果進行比較，并根據比較結果對模型進行反復修正，增強模型的匹配程度。

基于上面的理論說明，一般的電磁仿真理論流程如圖 1所示。

根據上面的仿真理論流程，結合系統設計的過程，建議的電

圖1 電磁仿真理論流程

電磁兼容仿真輔助設計與驗證流程如圖 2所示。

圖2 現代系統設計中的電磁兼容仿真輔助設計與驗證流程

3.2 電磁兼容仿真預測技術應用的難點

由于電磁兼容技術的跨學科、跨領域特點，上文的電磁兼容仿真預測技術在實際應用過程中，可能存在兩方面的困難。

（1）仿真設計的復雜性

EMC設計和仿真，離不開對EMC的三要素，即干擾源、耦合路徑和敏感設備的分析和研究。對于電子設計系統，干擾源有可能是系統中的天線等電磁輻射體，也有可能是工作的PCB；敏感設備可能是空間中的天線、電纜，也可能是PCB上的器件或者走線；而耦合路徑既有傳導性的，也有空間耦合和輻射的。

針對不同方式的干擾源和耦合途徑，采取的措施也不一樣。比如，通常對天線的干擾，可以采取降低輻射功率，采用方向性或極化方向設計，提高前后比等；對PCB上的干擾，常采取控制信號反射，降低電源平面阻抗等措施；而如果從耦合路徑入手，也分為濾波、屏蔽或者隔離等。理論分析和實踐都表明，單純的從輻射源入手，抑制干擾源的輻射，或者從耦合路徑入手，依賴濾波和屏蔽，不僅代價巨大，而且都不能很好地解決EMC問題。

EMC三要素的復雜性，注定了單一的工具和一次性的仿真設計不能完成對所有因素的考察。EMC仿真，必須結合電磁場仿真和電路仿真工具、天線仿真和PCB仿真工具，必須能夠實現“場到路”、“路到場”、以及“場到場”的分析流程，在干擾源、耦合路徑和敏感設備之間取得平衡，才能真正解決系統中的EMC問題，如圖 3所示。

（2）仿真軟件的靈活性和適應性

隨著現代電路的復雜性不斷增加，電路的模擬部分和數字部分的相互作用越來越強，而且半導體工藝已進入納米階段，提高了電磁兼容仿真對軟件功能性能的要求。

圖3 仿真設計的復雜性

仿真精度：在實際的設計應用中，仿真速度和仿真能力不能通過犧牲精度來獲得。

仿真速度：電路設計者們尋求更短的設計周期使得仿真速度成為另一個關鍵因素。

求解適應性：隨著電路規模的擴大，諧波數量的增加以及電路非線性效應的增強，使很多EDA工具的仿真收斂性成為一個問題。因此，在所有的仿真域（直流、時域和頻域）中，良好的適應性和收斂性對于現代電路設計是至關重要的。

多域求解結果的一致性：當今的設計人員往往采用多種電路仿真工具，例如一個時域仿真工具和一個頻域仿真工具，增加自己在電路設計時的信心，因此利用同樣的電路網表和同樣的器件模型用于所有的仿真和分析能夠很好地處理這個問題，對于現代電路設計是必須的。

模型的兼容性：電路仿真工具不僅必須和當前標準的器件模型和網表格式相兼容，還要能夠允許設計者將他們自己獨有的器件模型快速地應用到仿真中，而且其運行效率應當和軟件工具內建的模型相匹配，從而不損失仿真性能。

與最新的電磁場分析工具集成：電路仿真工具必須能夠和最新的電磁場求解器無縫地集成，精確仿真實際電路中復雜的電磁效應。

與系統級設計工具的集成：在系統級設計流程中，設計者要快速對片上系統的結構進行評估并進行概念設計，新的仿真器必須要能夠將電路級仿真和系統級仿真結合起來。

3.3 建立系統級的電磁兼容仿真預測平臺

根據上述對仿真流程理論的研究，基于商業化的電磁場仿真軟件，對于數字化儀控系統的研發過程，可以建立系統級的電磁兼容仿真預測平臺來進行輔助設計與驗證，如圖4所示。主要的仿真一般包含如下幾個層次：

分析三維結構的諧振、屏蔽效能和電磁泄漏（如通風板、縫隙的設計，及屏蔽材料如屏蔽襯墊、導電橡膠、屏蔽簧墊等的設計分析），輻射源的場分布以及干擾源與受干擾對象間的隔離度分析，對三維結構進行參數提取和仿真；

分析PCB上的信號完整性和電源完整性（如去耦電容的性能分析），提取PCB互連參數做電路仿真，仿真單板的近場和遠場的輻射特性，對PCB做參數提取和仿真；

將PCB輻射的和三維結構仿真鏈接在一起，考察系統的EMI指標，做場到場的鏈接，在輻射源和屏蔽之間權衡。

圖4 系統級的電磁兼容仿真預測平臺

利用建立的系統級電磁兼容仿真預測平臺，可以充分把握設計中的各種電磁效應，從根本上仿真并解決電磁兼容/電磁干擾和信號完整性/電源完整性設計中的諸多實際問題。

除去上述的電磁兼容仿真內容外，還可以進行系統間的電磁兼容的耦合度分析，以及系統的電磁抗擾度仿真預測如電磁脈沖分析、雷擊分析、靜電放電分析等。

國內外大量的實踐證明，電磁場仿真工具的采用大大縮短了研制周期，降低了設計成本，減少了不確定性，大大提高了設計質量。

4 結語

本文提出了利用商業化電磁兼容仿真預測軟件在核電站數字化儀控系統設計過程中的應用理論和應用方法，將電磁兼容仿真預測技術與電路設計、系統設計和測試驗證進行有效地結合，可以進一步減少設計中的不確定性和設計風險，提高設計水平和設計質量，對提高數字化儀控系統的電磁兼容可靠性有重要意義。