核電站5G和無線通信技術電磁兼容應用的研究

劉景賓，喬 寧，郭銀輝，楊靜遠,*，丁 超

核電站5G和無線通信技術電磁兼容應用的研究

劉景賓1，喬 寧1，郭銀輝2，楊靜遠1,*，丁 超1

（1. 生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 中國衛通集團股份有限公司，北京 100190）

隨著計算機和網絡技術的發展，手機和無線通信等設備的工作頻率越來越高，并已全面進入我們的生產和生活，這類技術給我們帶來方便的同時，也給核電站數字化設備的安全運行帶來了隱患。本文對核電廠數字化設備電磁兼容試驗的相關項目和要求進行了梳理和分析，國內核電站如早期的M310及之前機組并未考慮1 GHz以上的電磁兼容試驗，新建的核電站如“華龍一號”等三代機組開始考慮了高頻頻帶，但相關試驗只做到了6 GHz。此外，核電現場對于手機和無線設備的使用并不嚴格，這些都大大增加了核電廠電磁環境的復雜度，使對電磁敏感的數字化設備暴露在高頻率的電磁環境下，而設備出廠前進行的相關鑒定試驗和措施很可能無法包絡住目前現場的實際環境，需要采取額外的補充鑒定、屏蔽手段、距離限制等措施。

數字化設備鑒定；電磁兼容；無線通信

1 引言

當前，核電廠中越來越多的開始使用高集成度的數字化儀控設備。其內部通常集成了大規模和超大規模集成電路和微電子模塊，一般采用低電壓、高頻率的信號。當這類設備處于復雜的電磁環境時，就會引起測量信號或輸出指令受到干擾而產生錯誤。

為了使核電廠可以更加安全、可靠的運行，一方面要求提高產品的電磁兼容（EMC）能力，通常制造商會根據目前行業內認可的導則和標準對數字化設備進行EMC相關的鑒定試驗，以證明其可以滿足相關要求。另一方面，此類設備在進行設計、制造、安裝和維護等階段，也要采取必要的措施和手段，降低敏感設備暴露在強電磁輻射的情況。例如，在電磁環境比較復雜環境下的DCS機柜中布置屏蔽層，安全重要的設備周圍不布置發電機、大功率設備等措施。

然而，隨著計算機和網絡通信技術的發展，特別是信息化與工業自動化的深度融合，越來越多的電站開始使用無線通訊技術（WiFi），電廠的工作人員也逐漸開始使用智能化的手機和網絡設備，加上5G產業迅速發展，這些發射源的工作頻率越來越高，使得電廠的電磁環境等級劣化，而設備出廠前進行的相關鑒定試驗和措施很可能無法包絡住目前現場的實際環境，需要采取額外的補充鑒定、屏蔽手段、距離限制等。

2 電磁兼容試驗的鑒定項目

2.1 發射試驗和抗擾度試驗

目前，針對核電廠數字化設備電磁兼容試驗的相關鑒定問題，國際上比較認可的指導措施是采用美國核管會（NRC）發布的RG 1.180- 2003“安全相關儀控系統中電磁和無線頻率干涉的評價導則”[1]對相關設備進行評價。總體上，該導則認可了美軍標MIL-STD-461E和IEC 61000系列兩套具體的執行標準，用以指導相關的EMC試驗項目，如表1和表2所示。通常按照試驗項目劃分，大致可分為四項：傳導發射試驗（CE）、傳導抗擾度試驗（CS）、輻射發射試驗（RE）、輻射抗擾度試驗（RS）。

表1 RG1.180中MIL-STD-461E標準中的EMC試驗項目

表2　RG1.180中IEC 61000系列標準中的EMC試驗項目

發射試驗具體的執行過程中，若滿足低頻發射測試兩項豁免的條件，則允許使用替代程序：如果采用了電能質量控制，則允許試驗設備本身的CE101試驗豁免，如果試驗設備的具體安裝環境中沒有對輻射發射干擾敏感的設備，則允許試驗設備本身的RE101試驗豁免。或者，在確定的條件下，可以接受基于IEC 61000-6-4的發射試驗或滿足FCC Part 15 Class A要求的發射試驗。但是，無論選擇哪種發射試驗程序，都需要將其三者之一整體應用，而不是選擇性地混用其中某些試驗項目，如圖1所示。

抗擾度試驗具體的執行過程中，針對傳導試驗中電源線的CS101和CS114試驗，信號線的CS114，CS115和CS116試驗，以及針對輻射試驗中的RS101和RS103試驗也只是某一種基準的測試方法。還可以使用基于IEC 61000的測試方法來建立與安全相關儀控系統的測試程序。圖2列出了兩個可接受的抗擾度試驗方法，同樣地，盡管對任何一種抗擾度測試方法的選擇沒有限制，但需要將二者之一整體應用，而不是選擇性地混用其中某些試驗項目。

圖1 發射試驗可接受的方法

圖2 敏感性試驗可接受的方法

2.2 高于1 GHz電磁兼容項目的試驗方法

核電廠的電磁環境非常復雜，存在許多電磁干擾源，如發電機、變壓器、繼電器、漏電流、電焊機等，這部分干擾的電磁兼容問題可由2.1節中的相關試驗加以鑒定或采取相應的技術手段避免。然而，隨著計算機和網絡技術的發展，手機和無線通信等設備的工作頻率越來越高，核電廠現場的電磁環境愈發復雜，國內在2000年左右開始商業化GSM1800（1.8 GHz頻段）移動通信系統，同時期WiFi技術也開始逐漸普及，這些技術發展而產生的電磁干擾涉及1 GHz以上的高頻頻帶，在后續的數字化設備設計中需要進行考慮。

針對輻射發射試驗而言，MIL-STD-461E[2]中的RE102試驗包含了適用于1 GHz以上的方法和準則，該試驗適用于1 GHz以上到10倍于被試設備內可能產生的最高頻率，相關的發射包絡曲線要求如圖3所示。

圖3 MIL-STD-461E中大于1 GHz以上的輻射發射試驗包絡曲線

RG 1.180認可的1997版的IEC 61000-6-4中對1 GHz以上試驗項目沒有要求。若根據IEC系列進行輻射發射試驗，可參考2007版之后的IEC 61000-6-4[3]中關于1～6 GHz輻射發射試驗的相關要求，如表3所示。

針對1 GHz以上的輻射抗擾試驗，RG 1.180的可接受試驗方法包含在MIL-STD-461E的RS103中，該標準要求進行鑒定試驗時施加的電場強度為10 V/m（rms），其可測試范圍為30 Hz～40 GHz。

表3 IEC 61000-6-4中大于1 GHz以上的輻射發射試驗的相關要求

同樣地，RG 1.180認可的1995版的IEC 61000-4-3中對1 GHz以上的試驗項目沒要求。若根據IEC系列進行輻射抗擾度試驗，可參考2006版之后的IEC 61000-4-3[4]中關于1 GHz以上輻射抗擾度試驗的相關要求，施加的電場強度為10 V/m（rms），其可測試范圍為80 MHz～6 GHz。

此外，RG 1.180中特別強調對頻率范圍1～10 GHz的輻射抗擾試驗的需要是由于高速微處理器與無線通信的發展而產生的，它們產生的干擾涉及高頻頻帶，在后續的數字化設備設計中需要進行考慮，但由于各國通信管理部門的限制和約束，當前只涉及大量的2.45 GHz和5.7 GHz頻段，并未做強制性的要求。

針對國內核電的具體項目而言，大多數早期的M310及之前的核電廠在設計之初并未考慮高于1 GHz的EMC試驗，主要原因是當時高于1 GHz的室內無線發射設備在核電廠并未普及。新建的二代+和三代核電機組，在設計時已考慮1 GHz以上的電磁兼容試驗，除AP1000機組采用MIL-STD-461E標準外，大多數的試驗項目是根據IEC 61000系列進行的，輻射發射試驗和輻射敏感性試驗通常只做到了6 GHz，而當時建造的項目尚未出現高于6 GHz無線設備，因此滿足當時的標準要求。

3 當前電磁兼容試驗存在的安全風險

3.1 5G網絡和無線通信技術的頻率范圍

隨著移動數據需求的爆發式增長，網絡通信技術迅猛發展，并已經全面進入我們的生產和生活。通常，我們所說的5G網絡指的是第五代移動通信技術，其傳輸速度遠高于先前的3G和4G蜂窩網絡，同時又具有較低的網絡延遲，已逐漸成為當前世界范圍內的主流技術。然而，這一技術非常依賴于豐富的頻譜資源，5G頻譜分為兩個區域FR1和FR2，其頻譜資源與3G、4G技術相比擴展了很多。

根據第三代合作伙伴計劃（3GPP）的協議規定，FR1頻段的頻率范圍是450 MHz～6 GHz，又稱sub 6 GHz頻段；FR2頻段的頻率范圍是24.25～52.6 GHz，通常被稱為毫米波（mmWave），如表4所示。FR1頻段的傳輸距離長，并且相關設備的成本較低，而FR2頻段的定向傳輸性較好，速度較快，兩者各有優劣。現階段，我國僅對FR1中的頻段進行了分配，然而隨著基礎覆蓋頻段的普及和應用，FR2將作為5G補充頻段發揮重要的作用，毫米波所處的高頻頻段也將逐漸分配給各大電信運營商。

表4　5G頻段范圍和國內的分配情況

無線通信技術（Wi-Fi）近年來也滲透到了各行各業，包括核行業，這部分內容將在本文的3.2節進行說明。2020年4月，美國聯邦通信委員會（FCC）對WIFI 6E的無線頻段放行，這意味著將來的某些WiFi和手持設備可以使用5 925～7 125 MHz這一頻段范圍。同時，Wi-Fi聯盟表示，包括英國、歐盟、韓國、智利、阿聯酋等在內的國家，已經批準使用6 GHz的Wi-Fi，此外巴西、加拿大、墨西哥和日本的監管機構，目前也正在推進實施的過程。中國正處于無線通信技術領域的發展前列，未來必定也將逐步開放，當前市場上已經可以購買到相關設備。

表5　WiFi技術的發展過程和頻段使用情況

3.2 核電廠無線通信技術的需求和現狀

當前，國內眾多核電廠在進行廠內無線通信系統的設計和改進，以滿足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[5]。其無線通信范圍一般會覆蓋整個廠區，包括核島、常規島、BOP及室外某些區域。

這種無線通訊系統通常由調度管理平臺、無線基站和無線通訊終端等設備組成：

①其中調度管理平臺的相關設備采用有線布置，負責整個終端的數據處理和匯集，實現管理、配置、服務、相連設備的通信等功能。

②無線基站實現無線通信信號的覆蓋，通過有線方式與調度管理平臺連接，采用固定的安裝方式，一般布置在主控制、儀控設備間或需要通信的區域，包括控制器、基站、天線等設備。

③無線通訊終端主要指的是相關操作人員的手持設備，通過無線的方式與無線基站連接，接收和發送語音、圖文、視頻等信號。由于人員可以自由移動，該類設備隨身攜帶，因此無固定安裝方式。

無線通訊系統本身不是核動力廠安全重要儀控系統，其不執行安全重要或相關功能，通常與主儀控系統不會直接相連，一般情況下無需考慮EMC試驗中的傳導干擾。但是，無線基站和無線通訊終端會向外輻射電磁干擾，尤其是手持設備，某些情況下甚至會與數字化設備近距離接觸，因此需考慮無線通訊系統本身和覆蓋范圍內數字化設備的輻射發射試驗和輻射抗擾度試驗。

3.3 當前存在的安全風險

目前5G基站正隨著國家網絡強國建設的發展如火如荼的進行中，很多核電現場均已覆蓋了5G信號，支持5G網絡的手機也隨著相關人員進入到了核島廠房等區域。如2.2節所述，早期的核電廠并未考慮1 GHz以上的EMC試驗，新建的核電機組盡管考慮了高頻頻帶，但大多數試驗只做到了6 GHz，未來超越6GHz的電磁環境很可能在室內電磁環境出現，之前的鑒定試驗數據已逐漸不能包絡現場的實際環境。

而且，眾多核電廠還有無線通信系統的建設和改進需求，WiFi技術在核島內也逐漸普及。WiFi 6E中的頻段范圍也已經覆蓋到5.925～7.125 GHz，將來甚至會隨著技術的進步和發展需求進入到生產網絡，執行某些特定的控制功能。

此外，核電現場對于手機和手持設備的使用規定并不嚴格，這些都大大增加了核電廠電磁環境的復雜度，使對電磁敏感的數字化設備暴露在高頻率的電磁環境下，而之前的鑒定試驗和相關措施不再充分。

4 5G和無線通信技術電磁兼容應用的建議與措施

（1）健全相關法規和標準體系

國內計算機和通訊技術發展迅速，而目前核電領域的EMC試驗只是參考國外的相關標準，缺乏專業指導性和兼容性。

HAF 102《核動力廠設計安全規定》[6]中的5.5.2.3節要求“安全重要物項鑒定程序必須考慮到安全重要物項預期壽期內由各種環境因素（如振動、輻照、濕度、溫度）引起的老化效應”，其中并未對電磁環境提出明確的強制性要求。HAD 102/14《核電廠安全有關儀表》[7]中提到“電廠內通常存在相當強大的電氣干擾源，并有一定的頻譜，如果不考慮這種環境，儀表和控制系統就會收到其有害影響”，其中只包含了原則性要求，缺乏具體的指導。執行標準層面的NB/T 20218—2013《核電廠安全重要儀表和控制設備電磁兼容試驗要求》[8]和GB/T 11684—2003《核儀器電磁環境條件與試驗方法》[9]，其試驗項目也存在缺失和不能完全適用的情況，如沒有發射試驗和高頻頻帶試驗的相關要求。

因此，應盡快完善我國在核電廠電磁兼容要求和試驗等方面的法規、標準。

（2）提高電磁兼容試驗的要求

要加強設備鑒定中電磁兼容試驗的要求，提高敏感設備的電磁兼容能力和試驗等級。當前，新建的核電機組盡管在設計時已經考慮了1 GHz以上的EMC試驗，但除AP1000機組采用MIL-STD-461E標準達到了10 GHz外，大多數的試驗項目是根據IEC 61000系列進行的，輻射發射試驗和輻射敏感性試驗通常只做到了6 GHz，即將面臨出現6 GHz室內電磁環境的情況。

因此，應根據目前或未來的實際環境條件，對設備的電磁兼容測試項目進行階段性評估，確認其頻率范圍可以包絡現場的實際工作環境。若有相應的升級或改造，應合理選擇無線通信基站、手持設備、天線類設備的發射功率。如若不能滿足，或后續相應的升級或改造引起了電磁環境的變化，應對現場重要敏感設備進行補充測試，并嚴格禁止高頻率設備進入電磁敏感區域。

（3）優化屏蔽設計措施

盡管高速微處理器與無線通信等新技術的發展，導致了更高頻率信號的產生，但與低頻信號相比，此類信號的傳輸距離短，穿透性差。因此更容易在機柜設計中采用屏蔽設計等方式抑制自身的射頻能量外泄，同時防止外界電磁對本設備的影響。常見的屏蔽方法包括但不限于合理的接地、靜電屏蔽、濾波技術、電磁屏蔽涂層、良好的封裝設計等。

（4）對無線通信裝置的安全使用距離進行評估

當降低無線通信設備的發射功率或相關措施后仍無法滿足房間內敏感設備的抗擾度試驗要求時，可根據IEC 61000-4-3附錄中的計算公式估算設備的安全保護距離：

式中：——場強值；

——常數，在遠場自由空間傳播時等于7；

——功率值；

——到天線的距離。

針對固定的無線基站或工作站而言，可根據設備鑒定試驗時采用的場強值和設備的實際功率值，計算出此類裝置的安全使用距離。此處，以某核電廠的WiFi工作站為例，若WiFi發射器的功率為500 mW（或27 dBm），其鑒定試驗根據10 V/m的場強進行，則該發射器距離敏感設備間的最小直線距離為：

因此，在滿足高頻電磁兼容試驗的相關要求后，還應對照現場設備的實際布置和圖紙進行核實，確認此類固定設備的安裝位置滿足最小安全距離。

由于手持設備隨身攜帶，無固定的安裝方式，通常會近距離接觸到敏感的數字化設備，因此這類設備會比固定式的基站或工作站有著更嚴格的要求。表6根據IEC61000-4-3中的要求，給出了蜂窩移動通信系統（GSM）和無繩蜂窩電信系統（DECT）的試驗等級和其對應的移動設備到敏感設備間的最小直線距離。

針對GSM而言，目前市場上大多數手機發出的功率最大值為 33 dBm，約為 2 W。4G 手機的發射功率被協議限制在23 dBM，約為0.2 W。5G手機在Sub6G頻段下的最大發射功率為26 dBm，約為0.4 W；毫米波目前還沒有明確的定義，但由于在同等條件下，傳播損耗更大，因此需要提高發射功率進行彌補，屆時可能會超出表6的覆蓋范圍。

表6 手持設備試驗等級和相應保護距離的實例

最后，針對安全重要的儀控設備，無論是手持設備還是無線基站，應在以上的計算基礎上留出安全裕量。

5 小結

本文對核電廠數字化設備電磁兼容試驗的相關項目和要求進行了梳理，對其中高于1 GHz電磁兼容項目的試驗方法和當前存在的安全風險進行了分析。

當前，對于根據IEC 61000系列標準進行EMC相關試驗的國內機組而言，即將面臨出現6 GHz室內電磁環境的情況。對于遵守美軍標MIL-STD-461E的核電廠如AP1000機組，目前還不需要考慮這些問題，但如果5G網絡中的FR2（24.25～52.6 GHz）頻段放開，也應嚴格規定這類設備（尤其是手持設備）的使用。

相關部門應盡快完善我國在核電廠數字化設備方面電磁兼容防護的法規和標準體系；設計方可參考本文2.2和4（2）節中的內容，提高電磁兼容試驗的要求，進行相關補充測試，以覆蓋現場實際電磁環境；由于高頻率信號的衰減更快，因此制造方也可以在無法避免的情況下合理采用屏蔽設計等方式；此外，在滿足高頻電磁兼容試驗的相關要求后，營運方還應參考4（4）節中的內容，根據鑒定時采用的場強值和功率值計算出無線通信裝置的安全使用距離，并對現場的實際布置進行規定。

［1］ U.S. Nuclear regulatory commission. Regulatory guide 1.180 guidelines for evaluating electromagnetic and radio- frequency interference in safety-related instrumentation and control systems［S］．Washington，DC.：U.S.NRC，2003.

［2］ U.S. Military standard. MIL-STD-461E requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment［S］．USA：Department of Defense Interface Standard，1999.

［3］ International Electrotechnical Commission. IEC 61000-6-4 Generic standards—Emission standard for industrial environments［S］．Geneva，Switzerland：IEC，2019.

［4］ International Electrotechnical Commission. IEC 61000-4-3 Testing and measurement techniques—Radiated，radio- frequency，electromagnetic field immunity test［S］．Geneva，Switzerland：IEC，2020.

［5］ 徐慶越，盧龍軍，焦龍. 核島無線通信系統及電磁兼容性試驗［J］．儀器儀表用戶，2020，27（10）：64-66.

［6］ 國家核安全局. HAF102 核動力廠設計安全規定［S］．北京：國家核安全局，2016.

［7］ 國家核安全局. HAF102/14 核電廠安全有關儀表和控制系統［S］．北京：國家核安全局，1988.

［8］ 國家能源局. NB/T 20218核電廠安全重要儀表和控制設備電磁兼容試驗要求［S］．北京：國家能源局，2013.

［9］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 11684核儀器電磁環境條件與試驗方法［S］．北京：中國標準出版社，2003.

Research on Electro-magnetic Compatibility Application of 5G and Wireless Communication Technologies in Nuclear Power Plants

LIU Jingbin1，QIAO Ning1，GUO Yinhui2，YANG Jingyuan1,*，DING Chao1

（1. Nuclear and Radiation Safety Center. Beijing 100082，China；2. China Satellite Communications Co.，Ltd. Beijing100190，China）

Due to the development of computer and cyber technology，the operating frequency of mobile phones and wireless communication devices has become higher and higher，it has fully entered our production and life. While this type of technology brings us convenience，it also brings us the defects of digital equipment in nuclear power plants. This article sorts out and analyzes the relevant items and requirements of the electro-magnetic compatibility test of the digital equipment of the nuclear power plant.Domestic nuclear power plants such as the early M310 and previous units did not consider electro-magnetic compatibility tests above 1 GHz. Newly built nuclear power plants such as Hua long No. 1 and other third-generation units began to consider high-frequency bands，but related tests only achieved 6 GHz. In addition，the use of mobile phones and wireless devices in nuclear power sites is not strict，which greatly increases the complexity of the electro-magnetic environment of nuclear power plants，exposing sensitive digital equipment to high-frequency electromagnetic environments. The relevant qualification tests and measures carried out before the factory test may not be able to cover the actual environment of the current site，and additional measures such as supplementary qualification，shielding methods and distance limitation are required.

Digital equipment qualification；Electro-magnetic compatibility；Wireless communication

TL48

A

0258-0918（2021）05-1067-08

2021-02-08

劉景賓（1988—），男，北京人，工程師，碩士，現從事核設施儀控系統安全審評方面研究

楊靜遠，E-mail：yangjingyuan@chinansc.cn