核島無線通信系統及電磁兼容性試驗

徐慶越，盧龍軍，焦 龍

（中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

目前國內各核電站正在加速推進新一代無線通信項目，解決傳統有線通信方式的受限性問題和傳統無線尋呼系統無法滿足語音通信、數據傳輸需求的問題，以滿足建設智能核電的通信需求[1]。田灣三期工程M310 機組的DTW 系統是一種基于WiFi 技術的無線通信系統，該系統是田灣核電站為推進新一代無線通信系統建設而推行的先行試點項目。

由于核電站內部的有線通信網絡無法滿足運維人員的雙向溝通需求，在現場布置無線通信系統，可以提高人員溝通和工作執行效率，達到降本增效的目的，而且也可以為物聯網建設提供網絡基礎。但是無線通信技術在核電站內進行應用存在電磁干擾風險，會對現場儀表、控制設備的正常工作產生影響，在嚴重情況下可能導致停堆，關系到核安全。為此，需進行電磁兼容性試驗，測試無線通信系統是否滿足電磁兼容性要求，以期獲取同時滿足信號最大范圍覆蓋和干擾最低兩個條件的最優方案。

1 田灣三期工程DTW系統簡介

田灣三期工程M310 機組的DTW 系統由核心系統、有線網絡設備、無線基礎設備以及無線電話終端等設備組成，主要為核島區域的生產運行提供通信與數據傳輸支持。

DTW 系統采用的是Nu-WiFi（Nuclear WiFi）核電專業融合通信技術。該技術是在普通WiFi 的技術基礎上，結合核電廠實際情況和使用需求開發出來的改進版WiFi 系統，克服了傳統WiFi 的安全性差、電磁干擾風險大、定位精度低、物聯網功能差等缺點，是物聯網技術和WiFi 技術的結合。該技術基于成熟通用的WiFi 技術，釆用商用的工業級成熟WiFi 芯片，帶寬、頻譜、物理幀格式、調制解調方式等和WiFi 保持一致，具有較高的擴展性和迭代性，同時該技術使用微功率通信設計，支持單向通信和0.1mW 雙向通信工作模式，具有較高的電磁兼容安全性，可以較好地適應核電站內復雜的電磁環境。

2 DTW系統的組成

2.1 核心系統

核心系統設備包括系統管理平臺、調度語音服務器、多媒體通信服務器、語音網關等。主要負責終端管理、設備配置、人員定位、音頻編解碼、智能辦公服務、公共電話交換網與IP 語音網絡的互聯互通等功能。

2.2 有線網絡設備

有線網絡采用層次化模型設計，將復雜的網絡設計成幾個層次，每個層次著重于某些特定的功能。網絡架構設計有3 個層次：核心層、匯聚層、接入層。核心層主要負責語音調度、數據處理等應用功能的實現；匯聚層位于核島區域，負責匯聚接入層數據，傳遞給核心層，并下達核心層命令；接入層主要負責接入終端設備。

2.3 無線基礎設備

無線網絡設備包括綜合接入控制器、基站、天線等設備，實現核島區域無線網絡覆蓋。綜合接入控制器設備主要應用在高放射性區域接入覆蓋，與寬帶接入微基站配合使用，通過同軸電纜或兩芯線纜對下聯的寬帶接入微基站進行數據匯聚并提供供電。基站支持IEEE 802.11a/b/g/n/ac協議，5G 最大數據傳輸速率1.733Gbps，2.4G 最大數據傳輸速率300Mbps，防護等級IP65，配備耐輻照防護箱，內置物聯網模塊接口插槽，支持擴展物聯網模塊接入。

2.4 無線電話終端

系統提供經過專業定制的安全終端，使用人員可以申請借用。定制安全終端是專用Huawei Mate 手機，系統進行過加密處理，可以安全接入DTW 網絡，保障信息安全。

3 電磁兼容性分析

電磁兼容性（Electro-Mangnetic Compatibility，EMC）是指設備或系統在其電磁環境中，符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。核電站內的電磁環境復雜，各種設備對電磁干擾的耐受性不同，尤其是儀表控制設備和系統，容易受到電磁干擾影響[2]。而且，核電站大部分設備在入場前未要求進行電磁兼容安全測試，無法評估受干擾設備的敏感性。引入無線通信系統時必須進行EMC 測試，保證不對儀控系統或其它核安全相關設備造成影響，才能投入使用，避免引起共因故障效應，保證核安全。

核電站內為解決電磁兼容性問題，主要從降低無線通信終端發射功率和設置限制區兩方面進行無線通信系統設計[3]。DTW 系統采用的Nu-WiFi 技術，為提高電磁兼容性，使用了微功率通信設計，支持單向通信和0.1mW 雙向通信工作模式。同時，采用了分區域功率控制方式，根據敏感設備所處具體位置，調整或關閉所屬區域發射、接收終端模塊的功率，以提高系統在特殊區域的電磁兼容性。

DTW 系統具有限制區、功率控制區和非限制區3 種工作狀態，對應終端分別工作在單向通信、微功率模式（0.1mw 以下）和普通發射功率狀態，終端可根據區域廣播信號，自動切換功率等級，改變工作狀態，通過該種方式來滿足核電廠重要敏感設備對電磁兼容性的要求，同時做到無線信號的最大范圍覆蓋。3 種電磁安全區域的設置可在系統后臺靈活變更，分別可以實現以下功能：在限制區，支持單向通信模式，所有語音業務自動轉換為短信通知，手機的射頻發射模塊關閉；在功率控制區，通過手機射頻模塊硬件精確控制手機發射功率至設定較小值，可接打電話，收發短信，精確定位，數據傳輸；在非限制區，手機發射功率正常，可實現接打電話，收發短信，精確定位，數據傳輸等諸多功能。

4 電磁兼容性試驗

由于核電站的高安全性要求和無線通信系統對電站設備的可能電磁干擾風險，設備或系統只有在滿足EMC 的前提下才能投入運行。因此，引入的無線通信系統在正式投入使用前需進行EMC 測試，且測試應盡量在貼近實際運行條件的環境下開展。

4.1 被測設備分析

由于核島內設備較多，種類復雜，全面進行電磁兼容性測試工程量巨大，成本過高，故選擇典型的核島內設備作為被測設備進行電磁兼容性測試。被測設備的選取，按照以下原則：

1）每個型號的設備選擇一至兩個作為代表設備。

2）同類型設備中，選取具有代表性的設備，優先選用與機組安全和機組可用率相關的設備。

3）優先選取工藝介質已投入，現場已通電，并接入DCS，可在主控室顯示狀態的設備。

此外，被測設備應盡量包括變送器、控制柜、電氣柜、執行機構、控制室內設備、消防火災相關設備、開關類儀表、輻射監測儀表等類型。

4.2 測試方案分析

無線兼容性測試一方面旨在測試Nu-WiFi 技術在核島部署后，是否會對現場電磁敏感設備產生干擾。同時，還使用信號發生器模擬其他無線通信制式（GSM、TDD-LTE、FDD-LTE、對講機等），測試現場敏感設備的電磁敏感性；另一方面，使用現場已安裝的Nu-WiFi 設備進行業務加載，判斷業務能力是否會受到電廠電磁環境的影響。

因此，測試分為兩部分：一是其他常用無線通信制式對現場的電磁敏感設備的干擾測試；二是Nu-WiFi 設備對現場的電磁敏感設備的電磁干擾測試及Nu-WiFi 設備的電磁耐受性測試。同時，對無線通信業務能力進行測試，判斷無線通信業務是否受到現場環境的影響。

測試步驟如下：

1） 使用無線信號模擬器模擬手機及基站的各個工作頻段，其中包含Nu-WiFi 產品的工作頻段（2.4GHz、5.2GHz及5.8GHz）。

2）測試設備和受測設備均保持正常的工作狀態，用場強探測儀檢查現場的無線電場，根據現場無線信號場強的實測情況，判斷是否需要進行該區域的全頻掃頻工作以排除其他無線信號干擾，并記錄該區域背景噪聲。

3）信號模擬器的干擾信號經功率放大器放大后，由干擾天線發出，干擾天線與受測設備的輻射敏感中心位置保持同一高度，與受測設備保持50cm 測試距離，干擾天線分為垂直和水平兩種極性對受測設備施加電磁干擾，受測設備接收到的信號強度為100mW。

4）觀察受測設備的工作狀態。

5）若受測設備出現異常，則降低發射功率，直至找出臨界干擾功率。

5 總結

DTW 系統作為核電廠通信系統的組成之一，與有線電話網配合使用，以滿足核電站在正常運行和應急工況下的移動通信需求。目前，國內外核電站正在嘗試使用并推廣新一代無線通信系統以滿足即時無線通信、數據傳輸，搭建物聯網，建設智慧核電的需求。本文通過對田灣三期工程DTW 系統功能組成、電磁兼容性分析及電磁兼容性試驗的詳細闡述，為其他電廠無線通信系統的應用提供技術參考。