AP1000无线通信系统电磁兼容性试验设计

AP1000无线通信系统电磁兼容性试验设计严振杰;俞磊;周鹏成【摘要】ThewirelesscommunicationsysteminAP1000nuclearpowerplantismainlyusedforcommunicationofoperatorsofmaincontrolroomandremoteshutdownroom,andmaintenanceandinspectionpersonnel,inroutineoperation,startandshut-downreactor,fuelingoperationandemergencyoraccidentconditions.Thewirelesssystemisrequestedtocoverentireplantarea,andnoblindspots.ThroughusingWiFidesignandsystemarchitecture,theamountofcablingandwiringconduitinAP1000wirelesscommunicationisreduced,thuscomprehensiveplantlifemanagementcanbeimplemented.TheAP1000EMCstandardanditsmodeldesignareintroducedemphatically.Thedesignprinciple,setupcriteria,sitetestmethodandacceptancestandardofAP1000wirelesssystemaredescribed.Theschemeofhowtodividerestrictedareaoftheroomstopromisetheapplicationofwirelesssystemisproposedtoensuretheapplicablerangeofthewirelesscommunicationsystem.Itwillbenefitforoperationandmaintenanceofnuclearpowerplantandsatisfythefunctionaldemandsofowner,andprovidesufficientexperiencedataforsystemupdatinginthefuture.Theschemealsohasdemonstrationeffectforthefollowupreactorprojectsandcanbepromotedtoothernuclearpowerplants.%AP1000核电站无线通信系统主要用于主控室操作人员、远距离停堆室操作员、巡视和应急操作的维护和巡检人员之间的通信联系，包括日常维护、启停堆操作、装料操作以及在应急或事故工况下等进行操作.无线通信系统要求覆盖整个厂区范围，且无盲区.介绍了AP1000无线通信系统通过采用WiFi设计以及系统架构,减少电缆敷设量和管道布线，实现了全面的电厂寿期管理;设计了AP1000电磁兼容性(EMC)标准以及模型;对AP1000无线通信系统的模型设计原理、建立原则及现场试验方法与验收标准进行了说明.对AP1000核岛内各个房间的限制区划分提出建议方案，以保证无线通信系统的应用范围，同时便于核电站运行和维护，满足业主的使用功能需求，并为将来设备的升级优化提供经验数据支持,也为其在后续堆型中的继续推广起示范作用.该方案也可以推广到国内外其他核电堆型，具有广阔的应用前景.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷)，期】2017(038)002【总页数】4页(P82-85)【关键词】核电;AP1000;无线通信;电磁兼容性;仪表;模型;测试【作者】严振杰;俞磊;周鹏成【作者单位】国核工程有限公司，上海200233;上海工业自动化仪表研究院，上海200233;国家能源核电站仪表研发(实验)中心，上海200233;上海工业自动化仪表研究院，上海200233;国家能源核电站仪表研发(实验)中心，上海200233【正文语种】中文【中图分类】TH-3;TP206目前，国内投入运行的核电站主要采用有线通信，运行、调试、维修人员无法摆脱线缆的束缚，工作的灵活性和高效性受到限制［1］。而在事故工况下和实施应急计划时，无线通信系统作为安全、可靠的通信手段之一，已成为应急通信的必要手段，发挥了组织调度作用。但是，无线通信系统比较容易受到电磁干扰，同时也易成为干扰源。目前，无线通信系统的无线射频对周围仪表、控制设备的干扰是核电、航空等应用的一大难点。AP1000通信手段的设计理念以无线为主［2］，对于三门建造的世界上第一个AP1000核电站，尚无成熟的核电无线通信系统实例可供参考。本文主要针对AP1000应用环境，依据美国核管会RG1.180、美军标MIL-STD-461E等标准，对AP1000核岛内各个房间的限制区域进行划分并提出建议方案，以保证无线通信系统的应用范围，便于核电站运行和维护，满足业主的使用功能需求，并且为将来设备的升级优化提供经验数据支持［3］。目前，国内在役核电站的通信手段主要为有线通信，运行、调试、维修人员无法摆脱线缆的束缚，工作的灵活性和高效性因此受到限制。如在核电站中采用电磁辐射可控的无线通信系统，可以有效解决上述问题。AP1000无线通信系统首次用于主控室操作人员、远距离停堆室操作员、巡视和应急操作的维护和巡检人员之间的通信，包括日常维护、启停堆操作、装料操作以及在应急或事故工况下的操作，并且无线通信系统覆盖全厂。根据美国的经验，使用无线通信后可以有效缩短部分房间的调试周期。目前全球应用无线通信系统的核电站很少，仅有的案例也划出了大量的禁区，禁止或限制无线通信的使用。无线通信系统采用WiFi技术。这项无线接入技术的特点在于使用2.4GHz的开放频段，在使用设备的时候无需以往繁琐的频段申请程序［4］。无线通信系统应用于AP1000设计，可以有效地减少电缆采购量，优化管道管线工程布置，降低维护与检修人员的辐照剂量，实现全面的电厂寿期管理。无线通信系统能覆盖整个厂区，并且没有明显的盲区。携带便携式无线电话的工作人员可以在厂区的主要区域内被呼叫。该系统由中央控制单元、便携式手持机、便携式头戴耳机、基站、天线及其他相关设备等组成。AP1000无线通信系统结构如图1所示。如图1所示，基于IP调度通信服务器的系统架构，获得了许多以往有线调度通信系统无法实现的语音通信功能，如呼叫保持、呼叫等待、呼叫转移、电话会议；同时还可以实现基于IP的相关功能，如操作管理维护级配置、远程管理、自动配置、即插即用、软件升级、VoIP等［5］。基于无线网络的特点，适宜在核电前期设置一套无线系统设备，在电厂建设期间投运，以满足建设期的语音通信需求。电厂建成投产以后，可方便地增加相关设备对系统进行扩容，满足电厂运行期间的通信需求，并可与电厂前期系统无缝连接。这种灵活配置方式既节省了业主的投资，又能满足电厂运行不同时期对通信的需求。核电站等特殊行业在建立无线通信系统时，首先要考虑电磁干扰问题。核电站电磁环境差，干扰源众多，可能影响系统的语音质量等。更重要的是，AP1000核电站采用了全数字化的仪控系统和机电设备，这些设备容易受到电磁干扰的影响，可能产生误动作，造成不必要的经济损失［6］。在NRC规程10CFRPart50“国内生产许可和适用范围(domesticlicensingofproductionandutilizationfacilities)”中明确指出，电磁干扰(electromagneticinterference,EMI)、射频干扰(radiofrequencyinterference,RFI)和浪涌承受能力(surgewithstandcapability,SWC)被视为可能影响安全相关电气设备的环境条件，需要在设计中考虑相关的控制措施。在核电厂中，由于存在很多安全级相关的电气与仪控设备，因此无线技术的电磁兼容性(electromagneticcompatibility,EMC)要求非常严格。如何解决电磁干扰问题主要取决于设备以及所遵循的EMC标准，但是要完全将电磁干扰消除是不可能的，只能尽可能降低或减少。为确保无线通信系统不影响关键设备的正常工作，在确定无线通信系统设备之前，仪控设备生产厂家搭建模拟系统，进行了实际场强及电磁兼容性测试，检验了无线通信系统在其射频配置符合、低于和高于正常运行条件这3种情况下，对仪控设备的干扰情况。本文主要针对AP1000核岛内独特的使用环境，依据美国核管会RG1.180、美军标MIL-STD-461E［7］等标准，研究并明确无线通信系统EMC试验要求、方法和验收准则，以满足AP1000试验需求。RG1.180规定了EMC试验可以按照MIL-STD-461E军用标准或者IEC61000系列标准进行。但由于MIL-STD-461E是美国核电站所遵循的试验标准，因此，发射试验采用MIL军用标准，抗扰度试验采用在国际上被广泛接受的商用IEC标准。1GHz以上频率空间磁场发射包络线如图2所示。AP1000核电站中，无线通信系统的工作频率为2400-2483MHz。根据NUREG/GL-1.180和RE102测试标准，RF放射界限的计量条件为：距离测试对象为1m的电场，强度不能超过图2中显示的强度/频率范围。在2400-2483MHz的工作频率，电场极限强度为73.3dBpV/mo因依据这些标准要求的EMC测试只是在实验室中的环境模拟试验，虽然有重要的现实意义，但并不能代替核电现场的实际试验和工程实践经验，所以两者需要相互支撑。3.1WLAN室内传播模型无线通信系统室内布置主要有小范围覆盖、易受环境变化等特点。由于室内信号环境无法采用统一的模型，因此在设计中需要按实选取对象模型与系数。电波传播损耗即衰减因子模型。针对2.4GHz的电磁波，路径传播损耗公式为［8］:式中：PathLoss为路径传播损耗，dB;D为传播距离,m;n为衰减因子，按使用环境进行选取［9］。在空气中，传播损耗与距离的平方成正比，则n=2。在构筑物内，距离对传播损耗的影响将明显大于自由空间。对于全开放环境，n的取值为2.0-2.5；对于半开放环境，n的取值为2.5-3.0；对于较封闭环境，n的取值为3.0-3.5［5］。根据模型，室内路径损耗=自由空间损耗+附加损耗因子，且随距离成指数增长。接收电平估算公式如下：Pr[dB]=Pt[dB]+Gt[dB]-Pl[dB]+Gr[dB]式中：Pr[dB]为最小接收电平；Pt[dB]为最大发射功率；Gt[dB]为发射天线增益；Gr[dB]为接收天线增益；Pl[dB]为路径损耗。综上，对基站信号极限传播距离作如下理论计算：假设天线发射和接收增益为0，AP发射功率为16.2dBm(41mW)，则理论室内最大传播距离与损耗的关系如表1所示。AP信号穿透损耗目前，WLAN电磁波在各种建筑材料的穿透损耗经验值如表2所示。AP信号入射角度被用于考察墙体等对AP信号的穿透损耗[10]。假设有一堵0.5m厚的墙体，当无线信号和目标区域之间直线连接并以45°角入射时，无线信号相当于穿透一堵1m厚的墙；当入射角为2°时，无线信号相当于穿透超过14m厚的墙壁。因此，如果能使AP信号垂直穿过墙体或房顶，接收效果较好。AP1000通用假设覆盖模型AP1000核电站无线系统覆盖原则分为重点覆盖和经济性覆盖。重点覆盖，即在需要覆盖区域内进行无盲区重点覆盖。经济性覆盖，即对于一些有设备而很少有工作人员出现的区域不进行有效覆盖，因此可能有盲区；对于经常有工作人员进行调试或检修工作的区域，要考虑有效的无线覆盖。对于有很多小房间又有走廊的区域，可以考虑对走廊进行有效覆盖而对房间不进行覆盖，这样工作人员需要在走廊里进行无线通话。AP1000核岛内某些墙壁很厚并且部分机柜的尺寸很大，对无线信号的传播阻挡非常严重。因此，建立AP1000核岛建筑的无线信号传输模型，具体要求如下。因无线信号不能穿过墙壁和防火门进行有效传输，每个房间需要单独覆盖且至少布置一个无线基站。对于NI厂房内的防火门，视同墙壁且认为无线信号不能穿过。在NI厂房内，标准基站的无线信号有效视距传输距离为20-30m,最远不超过50m。这取决于厂房内部署设备的材质、形态和位置。对于普通区域，选择壁挂全向天线进行覆盖。对于狭长特殊形状区域，可以考虑采用定向天线进行覆盖。无线覆盖设计过程中，最重要的就是确定天线的安装位置，应尽量符合以下原则。尽量靠近需要覆盖的目标区域和人群，比如工作区域，以保证良好的覆盖效果。尽量安装在比较开阔的地点，以保证天线的覆盖效率。天线在目标区域内较均匀地分布。不同的建筑材料产生不同的传输效果。由金属的框架或门构成的建筑物会缩短WLAN无线信号的传输距离。无线基站的放置位置应使信号通过干燥的墙壁或敞开的门，避免信号通过金属材料。无线基站的位置最好远离电子设备(最小距离范围为1-2m),例如监视机、电机等。3.4AP1000无线通信系统测试内容无线通信系统的无线信号覆盖范围与信号的发射功率成正比，无线信号的覆盖范围将随信号发射功率的增大而增大。在实际使用中，为了达到最好的覆盖效果，各个接入点的信号发射功率可能不尽相同，各个接入点的信号功率调节是自动进行的，这也是无线通信系统的特点。国际标准中WiFi的发射功率不超过20dBm(100mW)，无线接入点的功率调节最大值为20dBm。根据以上情况，进行电磁兼容性测试的重点就是在无线接入点的最大发射功率下，测试无线通信设备对其他设备的影响。如果在最大发射信号功率下，被测设备没有受到任何影响，则说明无线通信系统是满足电磁兼容性的。同时，在无线接入点的正常工作模式下，进行备份的测试。如果设备在最大功率下发生异常，则进行正常功率模式下的测试。AP1000核电站应用的无线通信系统EMC特性设计是一项系统工程，论证其可行性和可靠性需要从实践出发。这将对AP10