核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)電磁兼容仿真預(yù)測(cè)技術(shù)的研究

北京廣利核系統(tǒng)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(tǒng)是核電站的“神經(jīng)中樞”，是確保核電站安全、可靠運(yùn)行的重要設(shè)備。目前無論是在建核電站還是在運(yùn)核電站的設(shè)備改造中，采用的多為基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化儀控系統(tǒng)或高級(jí)模擬系統(tǒng)，然而相對(duì)于現(xiàn)有的模擬儀控系統(tǒng)，這些數(shù)字化設(shè)備可能更容易受到核電站電磁和射頻干擾環(huán)境的影響。

根據(jù)美國核管理委員會(huì)的研究報(bào)告：電磁干擾（EMI）、射頻干擾（RFI）和電源浪涌已經(jīng)被確認(rèn)是會(huì)影響安全級(jí)電設(shè)備性能的環(huán)境因素，而且EMI已經(jīng)成為核級(jí)設(shè)備選址環(huán)境鑒定的一部分，因此保證數(shù)字化儀控系統(tǒng)的電磁兼容性是滿足核電站的安全可靠運(yùn)行的重要步驟。

由于電磁兼容設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)內(nèi)外電磁兼容性的重要環(huán)節(jié)，利用電磁兼容仿真預(yù)測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確把握系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)有助于保障核電站儀控系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。

2 電磁兼容仿真預(yù)測(cè)的重要性

電磁兼容技術(shù)主要包括電磁兼容預(yù)測(cè)分析、電磁兼容設(shè)計(jì)、電磁兼容測(cè)試、電磁兼容管理，它涉及到信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等跨學(xué)科的多種技術(shù)領(lǐng)域。

電磁兼容設(shè)計(jì)作為電磁兼容技術(shù)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段：

問題整改階段；

規(guī)范設(shè)計(jì)技術(shù)階段；

系統(tǒng)法階段；

仿真與測(cè)試協(xié)同階段。

最后這個(gè)階段利用系統(tǒng)的方法論，將電磁兼容仿真設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證有效地結(jié)合起來，建立一種符合產(chǎn)品實(shí)際情況的模型，為產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了方法論的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，大大減少了人工的投入，并有效地保證了產(chǎn)品電磁兼容要求的一次成功率。

3 電磁兼容仿真預(yù)測(cè)技術(shù)在核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 電磁兼容仿真流程理論

電磁兼容仿真預(yù)測(cè)的研究內(nèi)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(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求解這些模型，以評(píng)估系統(tǒng)各設(shè)備是否滿足預(yù)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(yù)測(cè)最重要的一步，所建立的模型與實(shí)際樣機(jī)的匹配程度將直接決定仿真結(jié)果的精度與實(shí)用性，而且建模往往占據(jù)整個(gè)仿真過程70%以上的時(shí)間。針對(duì)不同類型的電磁兼容問題，建模也要有針對(duì)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(shè)備及耦合路徑，然后再對(duì)這三要素一一建模。

建立模型后，采用易于得到測(cè)量結(jié)果的簡單例子進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)修正，增強(qiáng)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(jù)上面的仿真理論流程，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程如圖 2所示。

圖2 現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電磁兼容仿真輔助設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程

3.2 電磁兼容仿真預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)

由于電磁兼容技術(shù)的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域特點(diǎn)，上文的電磁兼容仿真預(yù)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，可能存在兩方面的困難。

（1）仿真設(shè)計(jì)的復(fù)雜性

EMC設(shè)計(jì)和仿真，離不開對(duì)EMC的三要素，即干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備的分析和研究。對(duì)于電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)，干擾源有可能是系統(tǒng)中的天線等電磁輻射體，也有可能是工作的PCB；敏感設(shè)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(dǎo)性的，也有空間耦合和輻射的。

針對(duì)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(duì)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(shè)計(jì)，提高前后比等；對(duì)PCB上的干擾，常采取控制信號(hào)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(shí)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(jià)巨大，而且都不能很好地解決EMC問題。

EMC三要素的復(fù)雜性，注定了單一的工具和一次性的仿真設(shè)計(jì)不能完成對(duì)所有因素的考察。EMC仿真，必須結(jié)合電磁場(chǎng)仿真和電路仿真工具、天線仿真和PCB仿真工具，必須能夠?qū)崿F(xiàn)“場(chǎng)到路”、“路到場(chǎng)”、以及“場(chǎng)到場(chǎng)”的分析流程，在干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備之間取得平衡，才能真正解決系統(tǒng)中的EMC問題，如圖 3所示。

（2）仿真軟件的靈活性和適應(yīng)性

隨著現(xiàn)代電路的復(fù)雜性不斷增加，電路的模擬部分和數(shù)字部分的相互作用越來越強(qiáng)，而且半導(dǎo)體工藝已進(jìn)入納米階段，提高了電磁兼容仿真對(duì)軟件功能性能的要求。

圖3 仿真設(shè)計(jì)的復(fù)雜性

仿真精度：在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)者們尋求更短的設(shè)計(jì)周期使得仿真速度成為另一個(gè)關(guān)鍵因素。

求解適應(yīng)性：隨著電路規(guī)模的擴(kuò)大，諧波數(shù)量的增加以及電路非線性效應(yīng)的增強(qiáng)，使很多EDA工具的仿真收斂性成為一個(gè)問題。因此，在所有的仿真域（直流、時(shí)域和頻域）中，良好的適應(yīng)性和收斂性對(duì)于現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。

多域求解結(jié)果的一致性：當(dāng)今的設(shè)計(jì)人員往往采用多種電路仿真工具，例如一個(gè)時(shí)域仿真工具和一個(gè)頻域仿真工具，增加自己在電路設(shè)計(jì)時(shí)的信心，因此利用同樣的電路網(wǎng)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(gè)問題，對(duì)于現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)是必須的。

模型的兼容性：電路仿真工具不僅必須和當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的器件模型和網(wǎng)表格式相兼容，還要能夠允許設(shè)計(jì)者將他們自己獨(dú)有的器件模型快速地應(yīng)用到仿真中，而且其運(yùn)行效率應(yīng)當(dāng)和軟件工具內(nèi)建的模型相匹配，從而不損失仿真性能。

與最新的電磁場(chǎng)分析工具集成：電路仿真工具必須能夠和最新的電磁場(chǎng)求解器無縫地集成，精確仿真實(shí)際電路中復(fù)雜的電磁效應(yīng)。

與系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具的集成：在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)流程中，設(shè)計(jì)者要快速對(duì)片上系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估并進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，新的仿真器必須要能夠?qū)㈦娐芳?jí)仿真和系統(tǒng)級(jí)仿真結(jié)合起來。

3.3 建立系統(tǒng)級(jí)的電磁兼容仿真預(yù)測(cè)平臺(tái)

根據(jù)上述對(duì)仿真流程理論的研究，基于商業(yè)化的電磁場(chǎng)仿真軟件，對(duì)于數(shù)字化儀控系統(tǒng)的研發(fā)過程，可以建立系統(tǒng)級(jí)的電磁兼容仿真預(yù)測(cè)平臺(tái)來進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，如圖4所示。主要的仿真一般包含如下幾個(gè)層次：

分析三維結(jié)構(gòu)的諧振、屏蔽效能和電磁泄漏（如通風(fēng)板、縫隙的設(shè)計(jì)，及屏蔽材料如屏蔽襯墊、導(dǎo)電橡膠、屏蔽簧墊等的設(shè)計(jì)分析），輻射源的場(chǎng)分布以及干擾源與受干擾對(duì)象間的隔離度分析，對(duì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)提取和仿真；

分析PCB上的信號(hào)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(shù)做電路仿真，仿真單板的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射特性，對(duì)PCB做參數(shù)提取和仿真；

將PCB輻射的和三維結(jié)構(gòu)仿真鏈接在一起，考察系統(tǒng)的EMI指標(biāo)，做場(chǎng)到場(chǎng)的鏈接，在輻射源和屏蔽之間權(quán)衡。

圖4 系統(tǒng)級(jí)的電磁兼容仿真預(yù)測(cè)平臺(tái)

利用建立的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容仿真預(yù)測(cè)平臺(tái)，可以充分把握設(shè)計(jì)中的各種電磁效應(yīng)，從根本上仿真并解決電磁兼容/電磁干擾和信號(hào)完整性/電源完整性設(shè)計(jì)中的諸多實(shí)際問題。

除去上述的電磁兼容仿真內(nèi)容外，還可以進(jìn)行系統(tǒng)間的電磁兼容的耦合度分析，以及系統(tǒng)的電磁抗擾度仿真預(yù)測(cè)如電磁脈沖分析、雷擊分析、靜電放電分析等。

國內(nèi)外大量的實(shí)踐證明，電磁場(chǎng)仿真工具的采用大大縮短了研制周期，降低了設(shè)計(jì)成本，減少了不確定性，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文提出了利用商業(yè)化電磁兼容仿真預(yù)測(cè)軟件在核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用理論和應(yīng)用方法，將電磁兼容仿真預(yù)測(cè)技術(shù)與電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試驗(yàn)證進(jìn)行有效地結(jié)合，可以進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)中的不確定性和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)提高數(shù)字化儀控系統(tǒng)的電磁兼容可靠性有重要意義。