核島無線通信系統(tǒng)及電磁兼容性試驗(yàn)

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(nèi)各核電站正在加速推進(jìn)新一代無線通信項(xiàng)目，解決傳統(tǒng)有線通信方式的受限性問題和傳統(tǒng)無線尋呼系統(tǒng)無法滿足語音通信、數(shù)據(jù)傳輸需求的問題，以滿足建設(shè)智能核電的通信需求[1]。田灣三期工程M310 機(jī)組的DTW 系統(tǒng)是一種基于WiFi 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是田灣核電站為推進(jìn)新一代無線通信系統(tǒng)建設(shè)而推行的先行試點(diǎn)項(xiàng)目。

由于核電站內(nèi)部的有線通信網(wǎng)絡(luò)無法滿足運(yùn)維人員的雙向溝通需求，在現(xiàn)場(chǎng)布置無線通信系統(tǒng)，可以提高人員溝通和工作執(zhí)行效率，達(dá)到降本增效的目的，而且也可以為物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。但是無線通信技術(shù)在核電站內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用存在電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響，在嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致停堆，關(guān)系到核安全。為此，需進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)，測(cè)試無線通信系統(tǒng)是否滿足電磁兼容性要求，以期獲取同時(shí)滿足信號(hào)最大范圍覆蓋和干擾最低兩個(gè)條件的最優(yōu)方案。

1 田灣三期工程DTW系統(tǒng)簡(jiǎn)介

田灣三期工程M310 機(jī)組的DTW 系統(tǒng)由核心系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無線基礎(chǔ)設(shè)備以及無線電話終端等設(shè)備組成，主要為核島區(qū)域的生產(chǎn)運(yùn)行提供通信與數(shù)據(jù)傳輸支持。

DTW 系統(tǒng)采用的是Nu-WiFi（Nuclear WiFi）核電專業(yè)融合通信技術(shù)。該技術(shù)是在普通WiFi 的技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合核電廠實(shí)際情況和使用需求開發(fā)出來的改進(jìn)版WiFi 系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)WiFi 的安全性差、電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)大、定位精度低、物聯(lián)網(wǎng)功能差等缺點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和WiFi 技術(shù)的結(jié)合。該技術(shù)基于成熟通用的WiFi 技術(shù)，釆用商用的工業(yè)級(jí)成熟WiFi 芯片，帶寬、頻譜、物理幀格式、調(diào)制解調(diào)方式等和WiFi 保持一致，具有較高的擴(kuò)展性和迭代性，同時(shí)該技術(shù)使用微功率通信設(shè)計(jì)，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(yīng)核電站內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境。

2 DTW系統(tǒng)的組成

2.1 核心系統(tǒng)

核心系統(tǒng)設(shè)備包括系統(tǒng)管理平臺(tái)、調(diào)度語音服務(wù)器、多媒體通信服務(wù)器、語音網(wǎng)關(guān)等。主要負(fù)責(zé)終端管理、設(shè)備配置、人員定位、音頻編解碼、智能辦公服務(wù)、公共電話交換網(wǎng)與IP 語音網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通等功能。

2.2 有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

有線網(wǎng)絡(luò)采用層次化模型設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成幾個(gè)層次，每個(gè)層次著重于某些特定的功能。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)有3 個(gè)層次：核心層、匯聚層、接入層。核心層主要負(fù)責(zé)語音調(diào)度、數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)；匯聚層位于核島區(qū)域，負(fù)責(zé)匯聚接入層數(shù)據(jù)，傳遞給核心層，并下達(dá)核心層命令；接入層主要負(fù)責(zé)接入終端設(shè)備。

2.3 無線基礎(chǔ)設(shè)備

無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括綜合接入控制器、基站、天線等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)核島區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。綜合接入控制器設(shè)備主要應(yīng)用在高放射性區(qū)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(duì)下聯(lián)的寬帶接入微基站進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚并提供供電?；局С諭EEE 802.11a/b/g/n/ac協(xié)議，5G 最大數(shù)據(jù)傳輸速率1.733Gbps，2.4G 最大數(shù)據(jù)傳輸速率300Mbps，防護(hù)等級(jí)IP65，配備耐輻照防護(hù)箱，內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)模塊接口插槽，支持?jǐn)U展物聯(lián)網(wǎng)模塊接入。

2.4 無線電話終端

系統(tǒng)提供經(jīng)過專業(yè)定制的安全終端，使用人員可以申請(qǐng)借用。定制安全終端是專用Huawei Mate 手機(jī)，系統(tǒng)進(jìn)行過加密處理，可以安全接入DTW 網(wǎng)絡(luò)，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(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中，符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。核電站內(nèi)的電磁環(huán)境復(fù)雜，各種設(shè)備對(duì)電磁干擾的耐受性不同，尤其是儀表控制設(shè)備和系統(tǒng)，容易受到電磁干擾影響[2]。而且，核電站大部分設(shè)備在入場(chǎng)前未要求進(jìn)行電磁兼容安全測(cè)試，無法評(píng)估受干擾設(shè)備的敏感性。引入無線通信系統(tǒng)時(shí)必須進(jìn)行EMC 測(cè)試，保證不對(duì)儀控系統(tǒng)或其它核安全相關(guān)設(shè)備造成影響，才能投入使用，避免引起共因故障效應(yīng)，保證核安全。

核電站內(nèi)為解決電磁兼容性問題，主要從降低無線通信終端發(fā)射功率和設(shè)置限制區(qū)兩方面進(jìn)行無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。DTW 系統(tǒng)采用的Nu-WiFi 技術(shù)，為提高電磁兼容性，使用了微功率通信設(shè)計(jì)，支持單向通信和0.1mW 雙向通信工作模式。同時(shí)，采用了分區(qū)域功率控制方式，根據(jù)敏感設(shè)備所處具體位置，調(diào)整或關(guān)閉所屬區(qū)域發(fā)射、接收終端模塊的功率，以提高系統(tǒng)在特殊區(qū)域的電磁兼容性。

DTW 系統(tǒng)具有限制區(qū)、功率控制區(qū)和非限制區(qū)3 種工作狀態(tài)，對(duì)應(yīng)終端分別工作在單向通信、微功率模式（0.1mw 以下）和普通發(fā)射功率狀態(tài)，終端可根據(jù)區(qū)域廣播信號(hào)，自動(dòng)切換功率等級(jí)，改變工作狀態(tài)，通過該種方式來滿足核電廠重要敏感設(shè)備對(duì)電磁兼容性的要求，同時(shí)做到無線信號(hào)的最大范圍覆蓋。3 種電磁安全區(qū)域的設(shè)置可在系統(tǒng)后臺(tái)靈活變更，分別可以實(shí)現(xiàn)以下功能：在限制區(qū)，支持單向通信模式，所有語音業(yè)務(wù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為短信通知，手機(jī)的射頻發(fā)射模塊關(guān)閉；在功率控制區(qū)，通過手機(jī)射頻模塊硬件精確控制手機(jī)發(fā)射功率至設(shè)定較小值，可接打電話，收發(fā)短信，精確定位，數(shù)據(jù)傳輸；在非限制區(qū)，手機(jī)發(fā)射功率正常，可實(shí)現(xiàn)接打電話，收發(fā)短信，精確定位，數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多功能。

4 電磁兼容性試驗(yàn)

由于核電站的高安全性要求和無線通信系統(tǒng)對(duì)電站設(shè)備的可能電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備或系統(tǒng)只有在滿足EMC 的前提下才能投入運(yùn)行。因此，引入的無線通信系統(tǒng)在正式投入使用前需進(jìn)行EMC 測(cè)試，且測(cè)試應(yīng)盡量在貼近實(shí)際運(yùn)行條件的環(huán)境下開展。

4.1 被測(cè)設(shè)備分析

由于核島內(nèi)設(shè)備較多，種類復(fù)雜，全面進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試工程量巨大，成本過高，故選擇典型的核島內(nèi)設(shè)備作為被測(cè)設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試。被測(cè)設(shè)備的選取，按照以下原則：

1）每個(gè)型號(hào)的設(shè)備選擇一至兩個(gè)作為代表設(shè)備。

2）同類型設(shè)備中，選取具有代表性的設(shè)備，優(yōu)先選用與機(jī)組安全和機(jī)組可用率相關(guān)的設(shè)備。

3）優(yōu)先選取工藝介質(zhì)已投入，現(xiàn)場(chǎng)已通電，并接入DCS，可在主控室顯示狀態(tài)的設(shè)備。

此外，被測(cè)設(shè)備應(yīng)盡量包括變送器、控制柜、電氣柜、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制室內(nèi)設(shè)備、消防火災(zāi)相關(guān)設(shè)備、開關(guān)類儀表、輻射監(jiān)測(cè)儀表等類型。

4.2 測(cè)試方案分析

無線兼容性測(cè)試一方面旨在測(cè)試Nu-WiFi 技術(shù)在核島部署后，是否會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾。同時(shí)，還使用信號(hào)發(fā)生器模擬其他無線通信制式（GSM、TDD-LTE、FDD-LTE、對(duì)講機(jī)等），測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)敏感設(shè)備的電磁敏感性；另一方面，使用現(xiàn)場(chǎng)已安裝的Nu-WiFi 設(shè)備進(jìn)行業(yè)務(wù)加載，判斷業(yè)務(wù)能力是否會(huì)受到電廠電磁環(huán)境的影響。

因此，測(cè)試分為兩部分：一是其他常用無線通信制式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電磁敏感設(shè)備的干擾測(cè)試；二是Nu-WiFi 設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電磁敏感設(shè)備的電磁干擾測(cè)試及Nu-WiFi 設(shè)備的電磁耐受性測(cè)試。同時(shí)，對(duì)無線通信業(yè)務(wù)能力進(jìn)行測(cè)試，判斷無線通信業(yè)務(wù)是否受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響。

測(cè)試步驟如下：

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

2）測(cè)試設(shè)備和受測(cè)設(shè)備均保持正常的工作狀態(tài)，用場(chǎng)強(qiáng)探測(cè)儀檢查現(xiàn)場(chǎng)的無線電場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的實(shí)測(cè)情況，判斷是否需要進(jìn)行該區(qū)域的全頻掃頻工作以排除其他無線信號(hào)干擾，并記錄該區(qū)域背景噪聲。

3）信號(hào)模擬器的干擾信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，由干擾天線發(fā)出，干擾天線與受測(cè)設(shè)備的輻射敏感中心位置保持同一高度，與受測(cè)設(shè)備保持50cm 測(cè)試距離，干擾天線分為垂直和水平兩種極性對(duì)受測(cè)設(shè)備施加電磁干擾，受測(cè)設(shè)備接收到的信號(hào)強(qiáng)度為100mW。

4）觀察受測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)。

5）若受測(cè)設(shè)備出現(xiàn)異常，則降低發(fā)射功率，直至找出臨界干擾功率。

5 總結(jié)

DTW 系統(tǒng)作為核電廠通信系統(tǒng)的組成之一，與有線電話網(wǎng)配合使用，以滿足核電站在正常運(yùn)行和應(yīng)急工況下的移動(dòng)通信需求。目前，國內(nèi)外核電站正在嘗試使用并推廣新一代無線通信系統(tǒng)以滿足即時(shí)無線通信、數(shù)據(jù)傳輸，搭建物聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)智慧核電的需求。本文通過對(duì)田灣三期工程DTW 系統(tǒng)功能組成、電磁兼容性分析及電磁兼容性試驗(yàn)的詳細(xì)闡述，為其他電廠無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用提供技術(shù)參考。