5G、Wi-Fi6新型無線通信技術在智慧核電應用下的儀控設備電磁干擾防護研究

喻 春 王成宇 周 進

（重慶信息通信研究院，重慶 401336）

0 研究背景

從2010 年起，為在核電站打造1 套集語音、數據、短信和定位等多種功能于一體的有成熟應用和部署的無線通信系統，國內外開展了藍牙、Zigbee、Wi-Fi、LTE 以及spreadspectrum（展頻）等無線技術在核電站的應用研究，包括核電站的網絡環境安全、電磁環境兼容、無線系統的設計和部署等。目前，國外常用的核電通信技術包括模擬集群技術、數字集群技術、尋呼技術以及最熱門的基于802.11 系列協議通信技術，提供以語音通信為主、以短消息、小數據包為輔的業務應用[1]，基本滿足核電廠對通信、辦公等方面的基本需求；而國內核電廠采用的無線通信技術主要包括Wi-Fi、無線集群、McWiLL 和LTE 等，已建設的核電廠無線通信系統大部分實現了語音通信，但是數據通信及各類智能應用尚未實現規模化部署[2]。隨著我國5G 戰略的穩步推進，新一代信息通信技術與人工智能、大數據、云計算在核電領域的深度融合，是實現核電生產方式、服務、管理、裝備、產品等方面的智能化改造，全面提升核電廠生產的高效性和安全性的重要舉措之一。

5G、Wi-Fi6 等最新無線通信技術具有高速率、低時延和大容量等特性，能夠滿足核電站更多智能化應用場景需求，考慮到核電站設備的電磁兼容性要求較高，結合相關電磁兼容測試標準和核電行業標準，在核電工廠環境下通過信號發生器產生5G、Wi-Fi 6 等新型無線電信號開展核電設備電磁干擾測試。對核電設備發射不同調制方式、帶寬、距離等條件的干擾信號，進一步研究5G、Wi-Fi6 等最新無線通信技術應用對核電機組控制設備產生的電磁干擾及設備干擾防護要求。

1 核電電磁兼容性相關標準

目前，核電電磁兼容性標準中比較權威的是美國采用的EPRI TR-102323《電廠設備電磁干擾試驗導則》、RG1.180《安全相關儀表和控制應用研究 系統電磁和射頻干擾評估導則》以及國際標準IEC 62003-2020《核電廠儀表、控制和電力系統電磁兼容性試驗要求》[3]。

其中EPRI TR-102323《電廠設備電磁干擾試驗導則》對核電廠設備的敏感性測試（Susceptibility Tests）給出了測試方法推薦，要求滿足IEC 61000 系列測試標準，在10 kHz~40 GHz 頻段采用IEC 61000-4-3《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》[4]的測試方法；IEC 62003—2020《核電廠儀表、控制和電力系統電磁兼容性試驗要求》規定核電站的儀表控制設備及電氣設備，射頻輻射抗擾度試驗應符合IEC 61000-4-3 中第3 級的要求，試驗場強為10 V/m，試驗頻率上限要達到6GHz。

以上標準均推薦核電設備電磁干擾測試采用IEC 61000-4-3 標準，在該標準中，規定發射信號使用1kHz80%幅度調制的正弦波，由于測試使用的發射信號類別較為單一，測試結果具有一定的局限性，因此需要進一步使用5G、Wi-Fi6信號進行實測。綜上所述，該文采用IEC 61000-4-3 的測試方法，在規定測試信號為1kHz80%幅度調制的正弦波的基礎上，增加5G、Wi-Fi6 信號作為測試信號，再進行電磁干擾測試。

2 測試方法研究

在核電工廠環境下，核電儀控設備受到的電磁干擾來自2 個方面，一是周圍其他核電儀控設備運行所產生的干擾，二是5G、Wi-Fi6 等無線通信信號對其所產生的干擾。該文主要研究5G、Wi-Fi6 等無線通信信號在不同調制方式（如256QAM/OFDM）、不同信號帶寬、不同功率、距離等因素對核電儀控設備所產生的電磁干擾，同時采用1kHz 調制深度為80%的調幅正弦波從80 MHz~8 GHz 頻率步進為1%的頻點掃頻信號干擾測試進行對比。

核電工廠環境中的5G、Wi-Fi6 信號主要來自基站和終端，在廠區室內環境條件下，基站采用Medium Range Base Station or Local Area Base Station 兩種方式的小基站，Wi-Fi6則采用無線AP。根據3GPP TS 38.104標準對小基站的功率定義以及中國運營商室內5G 網絡現狀，小基站Medium Range Base Station 發射功率為33 dBm，Local Area Base Station 發射功率為24 dBm。Medium Range Base Station 到終端UE 的最小耦合損耗為53 dB， Local Area Base Station 到終端UE 的最小耦合損耗為45dB。Wi-Fi6 無線AP 的最大發射功率為20dBm，考慮到無線AP 安裝位置能覆蓋更廣區域，其離核電儀控設備距離較遠，發射信號功率經過無線傳播損耗，到達儀控設備的信號已經非常小。

因此綜合分析，得出5G、Wi-Fi6 的基站或無線AP 的發射功率在儀控設備處的信號功率一般在-20 dBm 以下。由于其安裝位置相對固定，相較于可移動靠近核電儀控設備的用戶終端（發射功率一般為26dBm）所產生的電磁干擾影響可忽略不計。

該文主要研究移動用戶終端靠近核電儀控設備對此產生的電磁干擾和干擾防護要求，由于移動用戶終端不是一直以滿負荷發射功率的工作狀態，要實現滿負荷工作發射功率的極端條件比較困難，因此采用矢量信號源發射5G 和Wi-Fi6信號對核電儀控設備進行電磁干擾代替移動用戶終端所產生的極端電磁干擾條件。

5G NR、802.11 ax（Wi-Fi6）無線信號的由矢量信號源N5172B 產生，能夠自由配置不同調制方式、不同帶寬等信號參數，發射信號見表1。不同功率、不同距離測試條件根據核電工廠實際環境以及不同距離下所達到標準要求的10 V/m場強，需要根據功率、距離、場強間在自由空間的相互關系進行推導，然后用場強儀在被測設備周圍進行監測驗證，如公式（1）所示。

式中：E為電場強度，V/m；P為發射天線口處功率，W；R為發射天線至被測核電設備距離，m；自由空間波阻抗為377Ω。

根據標準IEC 61000-4-3《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》、IEC 61000-6-2《電磁兼容 通用標準 工業環境中的抗擾度試驗》測試方法要求，進行1 kHz 80%幅度調制的正弦波掃頻干擾測試。IEC 61000-6-2 標準規定工業環境下的輻射抗擾度等級最高為10 V/m，按照0.5 m 的測試距離進行分析，在干擾信號天線口面端的功率為約為30 dBm（即1 W）。同時針對Wi-Fi6 無線AP、5G 手機終端的信號干擾分別進行抗干擾測試，按照中國工業和信息化部無線電管理局發布的工信部無【2021】129 號文規定，天線增益小于10dBi 的無線AP 設備發射等效全向輻射功率（EIRP）不超過20 dBm。5G 手機終端發射功率根據3GPP TS 38.521-1 標準規定Class 3 功率為23 dBm，Class 2 功率為26 dBm，本次測試驗證中采用高功率的極限情況，即5G 手機終端信號發射的功率為26 dBm。按照表1 所示的參數，使用信號源分別發射信號。

表1 信號源發射的信號參數

按照圖1 測試場景搭建好測試系統，測試步驟如下。

圖1 測試框圖

第一步：將發射天線高度與被測設備高度保持水平，發射天線與被測設備距離0.5 m。

第二步：使用信號源發射干擾信號，測試頻率為規定發射頻段的中心頻率，測試時間1 min，觀察受干擾設備的工作狀態，并記錄有異常情況發生時的設備工作狀態和接收功率。

第三步：如被測設備在最大輻射功率下干擾發生時，調整信號功率分別以3dBm 的步進降低信號發射功率（步進可根據現場實際情況進行調整，以保證閾值的精確度），并重復第二步的測試，直至找出干擾閾值。

第四步：改變發射天線與被測設備的距離（0.5m、1m、1.5m…..3m）和不同方位角度（0°、45°、90°…315°），重復步驟1~3，完成不同距離和方位的電磁干擾測試。

3 測試結果

本次驗證共測試了39 個設備，有4 個設備受到了不同程度的干擾，設備類型分別為繼電器柜、振動檢測機柜、ABB電導率表、轉速控制機柜。其中5G 與Wi-Fi6 信號對轉速控制機柜產生了干擾，另外根據IEC 61000-4-3 標準規定的1 kHz 調制深度為80%的正弦波單載波信號對這4 個設備均產生了干擾。轉速控制機柜在頻率為100 MHz~7GHz 時均受到干擾，繼電器柜、振動檢測柜、ABB 電導率表3 個設備在整個測試頻率范圍的部分頻段受到干擾。

試驗數據表明，在測試要求相同的情況下，不同設備的抗干擾能力相差很遠，其中轉速控制柜干擾現象較為明顯，掃頻干擾表現為全頻段的電磁干擾并且干擾數值遠低于測試要求標準的10 V/m，由此也可以看出該設備對無線電信號及其敏感。

4 測試結果分析

基于本次測試的結果，對核電儀控設備的受電磁干擾程度進行分析：1）對80 MHz~8 GHz 整個頻段進行調制深度為80%的1 kHz 調幅正弦波，頻率步進為1%的頻點掃頻干擾測試，測試距離為0.5m，測試方位為0°、45°…315°。測試有干擾的4 個設備中，繼電器柜、振動檢測機柜、ABB 電導率表3 個設備所受干擾場強閾值為3 V/m~10 V/m，干擾天線口面處發射功率為18 dBm~29 dBm，將干擾發射天線移至1m 及以上距離，未出現干擾。轉速控制柜的全頻段出現干擾，干擾場強閾值為1 V/m~8 V/m，干擾天線口面發射功率為10 dBm~27 dBm。

采用帶數字調制的5G NR 和Wi-Fi6 無線干擾信號測試時，測試距離為0.5 m，測試方位為0°、45°…315°，NR 信號采用band 41/71 頻率，調制方式為QPSK/64QAM，信號帶寬為20 MHz 與100 MHz。Wi-Fi6 信號調制方式為256QAM，信號帶寬為80 MHz 進行干擾測試。測試干擾閾值場強介于1 V/m~3 V/m，干擾天線發射口面處功率為13 dBm~18 dBm。干擾測試結果見表2。

表2 為轉速控制柜射頻干擾（RFI）測試結果

從測試結果表明，測試受干擾設備的干擾閾值均在標準規定的10 V/m 限值條件以下，即抗電磁干擾能力低于標準限值要求。繼電器柜、振動檢測機柜、ABB 電導率表3 個設備受窄帶寬信號干擾，但未受到5G NR 與Wi-Fi6 等數字調制寬帶信號干擾，因此在相同發射功率和受干擾場強的情況下，窄帶寬的1 kHz 正弦波調幅信號與寬帶的數字調制信號相比對核電儀控設備產生電磁干擾的可能性更大。2）針對該測試有干擾的4 個核電儀控設備，繼電器柜、振動檢測機柜、ABB 電導率表3 個設備的干擾閾值場強3 V/m ~10 V/m與標準規定的10 V/m 場強接近。在實驗室環境通過射頻電磁場抗擾度試驗后，在核電工廠工業環境下，由于受現場環境的影響，因此對設備抗干擾能力的要求更高。轉速控制柜對無線電信號的干擾比較明顯，大部分受干擾的頻率場強均在3 V/m 左右，因此該設備屬于比較敏感的設備。

根據標準TR-102323 附錄N，在設備的干擾閾值場強下，須考慮8 dB 的裕量作為設備的抗干擾場強門限，因此需要增加保護距離。本次測試距離在0.5 m 處，通過公式（1）計算，測試干擾閾值場強增加8dB 裕量后，則電磁干擾保護距離為1.3 m。

根據標準IEC 61000-4-3 的干擾場強門限值10 V/m 的要求，由于受干擾設備的閾值場強均低于該要求，即相對標準來說易受干擾，需要增加相應的保護距離以滿足10 V/m 的閾值場強要求。通過試驗結果可知，繼電器柜類設備的保護距離須設為1.7 m，振動檢測機柜類設備的保護距離須設為0.9 m，ABB 電導率表類設備的保護距離須設為0.7 m。由于轉速控制機柜類設備屬于敏感設備，對5G NR 與Wi-Fi6 這類數字調制寬帶信號以及窄帶正弦波調制信號應綜合考慮，為其設置干擾保護距離為4.2 m。

5 電磁干擾防護要求

在核電站環境中，信息化程度越來越高，電磁波作為傳遞信息的主要傳輸介質，導致核電站的電磁環境愈加復雜，設備間的電磁兼容要求隨之越來越高，根據上述測試結論，建議采取以下幾種方式規避風險：1）對敏感設備設置隔離保護柵欄并設置禁止通信設備靠近警示標志。2）對極其敏感設備設置屏蔽罩、隔離保護柵欄，并設置禁止通信設備靠近的標志，屏蔽罩如需要通氣口，盡量用小圓孔，避免用長條形通氣孔。3）核電站設備采購時應讓供貨方提供設備電磁抗干擾測試報告。4）對核電站系統設備內部有發射情況時，使信號線遠離電流干擾源。5）在敏感設備各端口增加濾波電路，阻止已耦合到端口上噪聲進入設備內。

6 結論

該文通過開展核電設備電磁干擾測試，了解了5G、Wi-Fi6 等新型無線電信號對核電控制機組設施設備干擾情況，確定了核電控制機組設施設備中的敏感設備，明確敏感設備的敏感頻段及干擾閾值。針對本次測試驗證受5G/Wi-Fi6信號干擾的轉速控制柜設備，其受干擾的場強閾值最小為1.7V/m，低于標準要求。為了能使其不受到新型無線電信號的干擾，增加相應的保護距離，根據最小干擾場強閾值計算得出保護距離為2.1m。考慮實際使用的極端情況下，5G、Wi-Fi6 等新型無線電信號信號終端設備距離核電機組設備0.1m，則其終端的發射功率應限制在10mW。在核電工廠房環境下開展的電磁抗干擾驗證測試，部分設備不能承受10V/m 場強，為了保障設備使用安全，建議核電廠在建設無線通信系統前對核電機組設備進行全面的電磁兼容測試，以確定各類設備的電磁抗干擾強度。結合本次測試驗證的結果提出敏感設備電磁干擾防護要求，對5G、Wi-Fi6等新型無線電技術在核電站大規模應用中的電磁干擾防護有參考價值。