AP1000無線通信系統電磁兼容性試驗設計

嚴振杰,俞 磊,周鵬成

(1.國核工程有限公司，上海 200233；2.上海工業自動化儀表研究院，上海 200233；3.國家能源核電站儀表研發(實驗)中心，上海 200233)

AP1000無線通信系統電磁兼容性試驗設計

嚴振杰1,俞 磊2,3,周鵬成2,3

(1.國核工程有限公司，上海 200233；2.上海工業自動化儀表研究院，上海 200233；3.國家能源核電站儀表研發(實驗)中心，上海 200233)

AP1000核電站無線通信系統主要用于主控室操作人員、遠距離停堆室操作員、巡視和應急操作的維護和巡檢人員之間的通信聯系，包括日常維護、啟停堆操作、裝料操作以及在應急或事故工況下等進行操作。無線通信系統要求覆蓋整個廠區范圍，且無盲區。介紹了AP1000無線通信系統通過采用WiFi設計以及系統架構，減少電纜敷設量和管道布線，實現了全面的電廠壽期管理；設計了AP1000電磁兼容性(EMC)標準以及模型；對AP1000無線通信系統的模型設計原理、建立原則及現場試驗方法與驗收標準進行了說明。對AP1000核島內各個房間的限制區劃分提出建議方案，以保證無線通信系統的應用范圍，同時便于核電站運行和維護，滿足業主的使用功能需求，并為將來設備的升級優化提供經驗數據支持，也為其在后續堆型中的繼續推廣起示范作用。該方案也可以推廣到國內外其他核電堆型，具有廣闊的應用前景。

核電； AP1000； 無線通信； 電磁兼容性； 儀表； 模型； 測試

0 引言

目前，國內投入運行的核電站主要采用有線通信，運行、調試、維修人員無法擺脫線纜的束縛，工作的靈活性和高效性受到限制[1]。而在事故工況下和實施應急計劃時，無線通信系統作為安全、可靠的通信手段之一，已成為應急通信的必要手段，發揮了組織調度作用。但是，無線通信系統比較容易受到電磁干擾，同時也易成為干擾源。

目前，無線通信系統的無線射頻對周圍儀表、控制設備的干擾是核電、航空等應用的一大難點。AP1000通信手段的設計理念以無線為主[2]，對于三門建造的世界上第一個AP1000核電站，尚無成熟的核電無線通信系統實例可供參考。本文主要針對AP1000應用環境，依據美國核管會RG1.180、美軍標MIL-STD-461E等標準，對AP1000核島內各個房間的限制區域進行劃分并提出建議方案，以保證無線通信系統的應用范圍，便于核電站運行和維護，滿足業主的使用功能需求，并且為將來設備的升級優化提供經驗數據支持[3]。

1 AP1000無線通信系統簡介

目前，國內在役核電站的通信手段主要為有線通信，運行、調試、維修人員無法擺脫線纜的束縛，工作的靈活性和高效性因此受到限制。如在核電站中采用電磁輻射可控的無線通信系統，可以有效解決上述問題。

AP1000無線通信系統首次用于主控室操作人員、遠距離停堆室操作員、巡視和應急操作的維護和巡檢人員之間的通信，包括日常維護、啟停堆操作、裝料操作以及在應急或事故工況下的操作，并且無線通信系統覆蓋全廠。根據美國的經驗，使用無線通信后可以有效縮短部分房間的調試周期。目前全球應用無線通信系統的核電站很少，僅有的案例也劃出了大量的禁區，禁止或限制無線通信的使用。

無線通信系統采用WiFi技術。這項無線接入技術的特點在于使用2.4 GHz的開放頻段，在使用設備的時候無需以往繁瑣的頻段申請程序[4]。無線通信系統應用于AP1000設計，可以有效地減少電纜采購量，優化管道管線工程布置，降低維護與檢修人員的輻照劑量，實現全面的電廠壽期管理。無線通信系統能覆蓋整個廠區，并且沒有明顯的盲區。攜帶便攜式無線電話的工作人員可以在廠區的主要區域內被呼叫。該系統由中央控制單元、便攜式手持機、便攜式頭戴耳機、基站、天線及其他相關設備等組成。AP1000無線通信系統結構如圖1所示。

圖1 AP1000無線通信系統結構圖

如圖1所示，基于IP調度通信服務器的系統架構，獲得了許多以往有線調度通信系統無法實現的語音通信功能，如呼叫保持、呼叫等待、呼叫轉移、電話會議；同時還可以實現基于IP的相關功能，如操作管理維護級配置、遠程管理、自動配置、即插即用、軟件升級、VoIP等[5]。

基于無線網絡的特點，適宜在核電前期設置一套無線系統設備，在電廠建設期間投運，以滿足建設期的語音通信需求。電廠建成投產以后，可方便地增加相關設備對系統進行擴容，滿足電廠運行期間的通信需求，并可與電廠前期系統無縫連接。這種靈活配置方式既節省了業主的投資，又能滿足電廠運行不同時期對通信的需求。

2 電磁兼容性試驗的意義

核電站等特殊行業在建立無線通信系統時，首先要考慮電磁干擾問題。核電站電磁環境差，干擾源眾多，可能影響系統的語音質量等。更重要的是，AP1000核電站采用了全數字化的儀控系統和機電設備，這些設備容易受到電磁干擾的影響，可能產生誤動作，造成不必要的經濟損失[6]。

在NRC規程10CFR Part 50“國內生產許可和適用范圍(domestic licensing of production and utilization facilities)”中明確指出，電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)、射頻干擾(radio frequency interference,RFI)和浪涌承受能力(surge withstand capability,SWC)被視為可能影響安全相關電氣設備的環境條件，需要在設計中考慮相關的控制措施。在核電廠中，由于存在很多安全級相關的電氣與儀控設備，因此無線技術的電磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)要求非常嚴格。如何解決電磁干擾問題主要取決于設備以及所遵循的EMC標準，但是要完全將電磁干擾消除是不可能的，只能盡可能降低或減少。

為確保無線通信系統不影響關鍵設備的正常工作，在確定無線通信系統設備之前，儀控設備生產廠家搭建模擬系統，進行了實際場強及電磁兼容性測試，檢驗了無線通信系統在其射頻配置符合、低于和高于正常運行條件這3種情況下，對儀控設備的干擾情況。

本文主要針對AP1000核島內獨特的使用環境，依據美國核管會RG1.180、美軍標MIL-STD-461E[7]等標準，研究并明確無線通信系統EMC試驗要求、方法和驗收準則，以滿足AP1000試驗需求。

RG1.180規定了EMC試驗可以按照MIL-STD-461E軍用標準或者IEC 61000系列標準進行。但由于MIL-STD-461E是美國核電站所遵循的試驗標準，因此，發射試驗采用MIL軍用標準，抗擾度試驗采用在國際上被廣泛接受的商用IEC標準。1 GHz以上頻率空間磁場發射包絡線如圖2所示。

圖2 1 GHz以上頻率空間磁場發射包絡線

AP1000核電站中，無線通信系統的工作頻率為2 400～2 483 MHz。根據NUREG/GL-1.180和RE102測試標準，RF放射界限的計量條件為：距離測試對象為1 m的電場，強度不能超過圖2中顯示的強度/頻率范圍。在2 400～2 483 MHz的工作頻率，電場極限強度為73.3 dBμV/m。

因依據這些標準要求的EMC測試只是在實驗室中的環境模擬試驗，雖然有重要的現實意義，但并不能代替核電現場的實際試驗和工程實踐經驗，所以兩者需要相互支撐。

3 AP1000無線通信EMC試驗方法

3.1 WLAN室內傳播模型

無線通信系統室內布置主要有小范圍覆蓋、易受環境變化等特點。由于室內信號環境無法采用統一的模型，因此在設計中需要按實選取對象模型與系數。

電波傳播損耗即衰減因子模型。針對2.4 GHz的電磁波，路徑傳播損耗公式為[8]：

PathLoss=46+10nlgD

(1)

式中：PathLoss為路徑傳播損耗，dB;D為傳播距離,m;n為衰減因子,按使用環境進行選取[9]。

在空氣中，傳播損耗與距離的平方成正比，則n=2。在構筑物內，距離對傳播損耗的影響將明顯大于自由空間。對于全開放環境，n的取值為2.0～2.5；對于半開放環境，n的取值為2.5～3.0；對于較封閉環境，n的取值為3.0～3.5[5]。

根據模型，室內路徑損耗=自由空間損耗+附加損耗因子，且隨距離成指數增長。接收電平估算公式如下：

Pr[dB]=Pt[dB]+Gt[dB]-Pl[dB]+Gr[dB]

(2)

式中：Pr[dB]為最小接收電平；Pt[dB]為最大發射功率；Gt[dB]為發射天線增益；Gr[dB]為接收天線增益；Pl[dB]為路徑損耗。

綜上，對基站信號極限傳播距離作如下理論計算：假設天線發射和接收增益為0，AP發射功率為16.2 dBm(41 mW)，則理論室內最大傳播距離與損耗的關系如表1所示。

表1 理論室內最大傳播距離與損耗的關系

3.2 AP信號穿透損耗

目前，WLAN電磁波在各種建筑材料的穿透損耗經驗值如表2所示。

表2 電磁波在不同建筑材料中的穿透損耗表

AP信號入射角度被用于考察墻體等對AP信號的穿透損耗[10]。假設有一堵0.5 m厚的墻體，當無線信號和目標區域之間直線連接并以45°角入射時，無線信號相當于穿透一堵1 m厚的墻；當入射角為2°時，無線信號相當于穿透超過14 m厚的墻壁。因此，如果能使AP信號垂直穿過墻體或房頂，接收效果較好。

3.3 AP1000通用假設覆蓋模型

AP1000核電站無線系統覆蓋原則分為重點覆蓋和經濟性覆蓋。重點覆蓋，即在需要覆蓋區域內進行無盲區重點覆蓋。經濟性覆蓋，即對于一些有設備而很少有工作人員出現的區域不進行有效覆蓋，因此可能有盲區；對于經常有工作人員進行調試或檢修工作的區域，要考慮有效的無線覆蓋。對于有很多小房間又有走廊的區域，可以考慮對走廊進行有效覆蓋而對房間不進行覆蓋，這樣工作人員需要在走廊里進行無線通話。

AP1000核島內某些墻壁很厚并且部分機柜的尺寸很大，對無線信號的傳播阻擋非常嚴重。因此，建立AP1000核島建筑的無線信號傳輸模型，具體要求如下。

①因無線信號不能穿過墻壁和防火門進行有效傳輸，每個房間需要單獨覆蓋且至少布置一個無線基站。

②對于NI廠房內的防火門，視同墻壁且認為無線信號不能穿過。

③在NI廠房內，標準基站的無線信號有效視距傳輸距離為20～30 m，最遠不超過50 m。這取決于廠房內部署設備的材質、形態和位置。

④對于普通區域，選擇壁掛全向天線進行覆蓋。

⑤對于狹長特殊形狀區域，可以考慮采用定向天線進行覆蓋。

無線覆蓋設計過程中，最重要的就是確定天線的安裝位置，應盡量符合以下原則。

①盡量靠近需要覆蓋的目標區域和人群，比如工作區域，以保證良好的覆蓋效果。

②盡量安裝在比較開闊的地點，以保證天線的覆蓋效率。

③天線在目標區域內較均勻地分布。

④不同的建筑材料產生不同的傳輸效果。由金屬的框架或門構成的建筑物會縮短WLAN無線信號的傳輸距離。無線基站的放置位置應使信號通過干燥的墻壁或敞開的門，避免信號通過金屬材料。

⑤無線基站的位置最好遠離電子設備(最小距離范圍為 1～2 m)，例如監視機、電機等。

3.4 AP1000無線通信系統測試內容

無線通信系統的無線信號覆蓋范圍與信號的發射

功率成正比，無線信號的覆蓋范圍將隨信號發射功率的增大而增大。在實際使用中，為了達到最好的覆蓋效果，各個接入點的信號發射功率可能不盡相同，各個接入點的信號功率調節是自動進行的，這也是無線通信系統的特點。國際標準中WiFi的發射功率不超過20 dBm(100 mW)，無線接入點的功率調節最大值為20 dBm。

根據以上情況，進行電磁兼容性測試的重點就是在無線接入點的最大發射功率下，測試無線通信設備對其他設備的影響。如果在最大發射信號功率下，被測設備沒有受到任何影響，則說明無線通信系統是滿足電磁兼容性的。同時，在無線接入點的正常工作模式下，進行備份的測試。如果設備在最大功率下發生異常，則進行正常功率模式下的測試。

4 結束語

AP1000核電站應用的無線通信系統EMC特性設計是一項系統工程，論證其可行性和可靠性需要從實踐出發。這將對AP1000在后續堆型中的繼續推廣起到示范作用，同時也可以推廣到國內外其他核電堆型。該無線通信系統的可靠運行，將便于核電站運行和維護，滿足業主的功能需求。同時，該項目可為將來核電用無線通信設備的升級優化提供原始數據支持和應用經驗積累。

[1] 金怡初.秦山核電站的無線通信設計特點[J].上海電力學院學報,2009,25(2):150-152.

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Design of the Electromagnetic Compatibility Test of AP1000 Wireless System

YAN Zhenjie1,YU Lei2,3,ZHOU Pengcheng2,3

(1.State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai 200233，China；2.Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation,Shanghai 200233，China; 3.National Energy Research Development & Test Center for I&CS in Nuclear Power Plants,Shanghai 200233，China)

The wireless communication system in AP1000 nuclear power plant is mainly used for communication of operators of main control room and remote shutdown room,and maintenance and inspection personnel,in routine operation,start and shut-down reactor,fueling operation and emergency or accident conditions.The wireless system is requested to cover entire plant area,and no blind spots.Through using WiFi design and system architecture,the amount of cabling and wiring conduit in AP1000 wireless communication is reduced,thus comprehensive plant life management can be implemented.The AP1000 EMC standard and its model design are introduced emphatically.The design principle,setup criteria,site test method and acceptance standard of AP1000 wireless system are described.The scheme of how to divide restricted area of the rooms to promise the application of wireless system is proposed to ensure the applicable range of the wireless communication system.It will benefit for operation and maintenance of nuclear power plant and satisfy the functional demands of owner,and provide sufficient experience data for system updating in the future.The scheme also has demonstration effect for the follow upreactor projects and can be promoted to other nuclear power plants.

Nuclear power； AP1000; Wireless communication; Electromagnetic compatibility; Instrument； Model; Test

嚴振杰(1985—)，男，碩士，采購電氣專責，主要從事AP1000電氣、通信類設備采購技術支持工作。E-mail：yanzhenjie@snpec.com.cn。

TH-3;TP206

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702021

修改稿收到日期:2016-08-22