AP1000無線通信系統(tǒng)電磁兼容性試驗設(shè)計

AP1000無線通信系統(tǒng)電磁兼容性試驗設(shè)計嚴振杰;俞磊;周鵬成【摘要】ThewirelesscommunicationsysteminAP1000nuclearpowerplantismainlyusedforcommunicationofoperatorsofmaincontrolroomandremoteshutdownroom,andmaintenanceandinspectionpersonnel,inroutineoperation,startandshut-downreactor,fuelingoperationandemergencyoraccidentconditions.Thewirelesssystemisrequestedtocoverentireplantarea,andnoblindspots.ThroughusingWiFidesignandsystemarchitecture,theamountofcablingandwiringconduitinAP1000wirelesscommunicationisreduced,thuscomprehensiveplantlifemanagementcanbeimplemented.TheAP1000EMCstandardanditsmodeldesignareintroducedemphatically.Thedesignprinciple,setupcriteria,sitetestmethodandacceptancestandardofAP1000wirelesssystemaredescribed.Theschemeofhowtodividerestrictedareaoftheroomstopromisetheapplicationofwirelesssystemisproposedtoensuretheapplicablerangeofthewirelesscommunicationsystem.Itwillbenefitforoperationandmaintenanceofnuclearpowerplantandsatisfythefunctionaldemandsofowner,andprovidesufficientexperiencedataforsystemupdatinginthefuture.Theschemealsohasdemonstrationeffectforthefollowupreactorprojectsandcanbepromotedtoothernuclearpowerplants.%AP1000核電站無線通信系統(tǒng)主要用于主控室操作人員、遠距離停堆室操作員、巡視和應急操作的維護和巡檢人員之間的通信聯(lián)系，包括日常維護、啟停堆操作、裝料操作以及在應急或事故工況下等進行操作.無線通信系統(tǒng)要求覆蓋整個廠區(qū)范圍，且無盲區(qū).介紹了AP1000無線通信系統(tǒng)通過采用WiFi設(shè)計以及系統(tǒng)架構(gòu),減少電纜敷設(shè)量和管道布線，實現(xiàn)了全面的電廠壽期管理;設(shè)計了AP1000電磁兼容性(EMC)標準以及模型;對AP1000無線通信系統(tǒng)的模型設(shè)計原理、建立原則及現(xiàn)場試驗方法與驗收標準進行了說明.對AP1000核島內(nèi)各個房間的限制區(qū)劃分提出建議方案，以保證無線通信系統(tǒng)的應用范圍，同時便于核電站運行和維護，滿足業(yè)主的使用功能需求，并為將來設(shè)備的升級優(yōu)化提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)支持,也為其在后續(xù)堆型中的繼續(xù)推廣起示范作用.該方案也可以推廣到國內(nèi)外其他核電堆型，具有廣闊的應用前景.【期刊名稱】《自動化儀表》【年(卷)，期】2017(038)002【總頁數(shù)】4頁(P82-85)【關(guān)鍵詞】核電;AP1000;無線通信;電磁兼容性;儀表;模型;測試【作者】嚴振杰;俞磊;周鵬成【作者單位】國核工程有限公司，上海200233;上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海200233;國家能源核電站儀表研發(fā)(實驗)中心，上海200233;上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海200233;國家能源核電站儀表研發(fā)(實驗)中心，上海200233【正文語種】中文【中圖分類】TH-3;TP206目前，國內(nèi)投入運行的核電站主要采用有線通信，運行、調(diào)試、維修人員無法擺脫線纜的束縛，工作的靈活性和高效性受到限制［1］。而在事故工況下和實施應急計劃時，無線通信系統(tǒng)作為安全、可靠的通信手段之一，已成為應急通信的必要手段，發(fā)揮了組織調(diào)度作用。但是，無線通信系統(tǒng)比較容易受到電磁干擾，同時也易成為干擾源。目前，無線通信系統(tǒng)的無線射頻對周圍儀表、控制設(shè)備的干擾是核電、航空等應用的一大難點。AP1000通信手段的設(shè)計理念以無線為主［2］，對于三門建造的世界上第一個AP1000核電站，尚無成熟的核電無線通信系統(tǒng)實例可供參考。本文主要針對AP1000應用環(huán)境，依據(jù)美國核管會RG1.180、美軍標MIL-STD-461E等標準，對AP1000核島內(nèi)各個房間的限制區(qū)域進行劃分并提出建議方案，以保證無線通信系統(tǒng)的應用范圍，便于核電站運行和維護，滿足業(yè)主的使用功能需求，并且為將來設(shè)備的升級優(yōu)化提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)支持［3］。目前，國內(nèi)在役核電站的通信手段主要為有線通信，運行、調(diào)試、維修人員無法擺脫線纜的束縛，工作的靈活性和高效性因此受到限制。如在核電站中采用電磁輻射可控的無線通信系統(tǒng)，可以有效解決上述問題。AP1000無線通信系統(tǒng)首次用于主控室操作人員、遠距離停堆室操作員、巡視和應急操作的維護和巡檢人員之間的通信，包括日常維護、啟停堆操作、裝料操作以及在應急或事故工況下的操作，并且無線通信系統(tǒng)覆蓋全廠。根據(jù)美國的經(jīng)驗，使用無線通信后可以有效縮短部分房間的調(diào)試周期。目前全球應用無線通信系統(tǒng)的核電站很少，僅有的案例也劃出了大量的禁區(qū)，禁止或限制無線通信的使用。無線通信系統(tǒng)采用WiFi技術(shù)。這項無線接入技術(shù)的特點在于使用2.4GHz的開放頻段，在使用設(shè)備的時候無需以往繁瑣的頻段申請程序［4］。無線通信系統(tǒng)應用于AP1000設(shè)計，可以有效地減少電纜采購量，優(yōu)化管道管線工程布置，降低維護與檢修人員的輻照劑量，實現(xiàn)全面的電廠壽期管理。無線通信系統(tǒng)能覆蓋整個廠區(qū)，并且沒有明顯的盲區(qū)。攜帶便攜式無線電話的工作人員可以在廠區(qū)的主要區(qū)域內(nèi)被呼叫。該系統(tǒng)由中央控制單元、便攜式手持機、便攜式頭戴耳機、基站、天線及其他相關(guān)設(shè)備等組成。AP1000無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖1所示，基于IP調(diào)度通信服務器的系統(tǒng)架構(gòu)，獲得了許多以往有線調(diào)度通信系統(tǒng)無法實現(xiàn)的語音通信功能，如呼叫保持、呼叫等待、呼叫轉(zhuǎn)移、電話會議；同時還可以實現(xiàn)基于IP的相關(guān)功能，如操作管理維護級配置、遠程管理、自動配置、即插即用、軟件升級、VoIP等［5］?；跓o線網(wǎng)絡的特點，適宜在核電前期設(shè)置一套無線系統(tǒng)設(shè)備，在電廠建設(shè)期間投運，以滿足建設(shè)期的語音通信需求。電廠建成投產(chǎn)以后，可方便地增加相關(guān)設(shè)備對系統(tǒng)進行擴容，滿足電廠運行期間的通信需求，并可與電廠前期系統(tǒng)無縫連接。這種靈活配置方式既節(jié)省了業(yè)主的投資，又能滿足電廠運行不同時期對通信的需求。核電站等特殊行業(yè)在建立無線通信系統(tǒng)時，首先要考慮電磁干擾問題。核電站電磁環(huán)境差，干擾源眾多，可能影響系統(tǒng)的語音質(zhì)量等。更重要的是，AP1000核電站采用了全數(shù)字化的儀控系統(tǒng)和機電設(shè)備，這些設(shè)備容易受到電磁干擾的影響，可能產(chǎn)生誤動作，造成不必要的經(jīng)濟損失［6］。在NRC規(guī)程10CFRPart50“國內(nèi)生產(chǎn)許可和適用范圍(domesticlicensingofproductionandutilizationfacilities)”中明確指出，電磁干擾(electromagneticinterference,EMI)、射頻干擾(radiofrequencyinterference,RFI)和浪涌承受能力(surgewithstandcapability,SWC)被視為可能影響安全相關(guān)電氣設(shè)備的環(huán)境條件，需要在設(shè)計中考慮相關(guān)的控制措施。在核電廠中，由于存在很多安全級相關(guān)的電氣與儀控設(shè)備，因此無線技術(shù)的電磁兼容性(electromagneticcompatibility,EMC)要求非常嚴格。如何解決電磁干擾問題主要取決于設(shè)備以及所遵循的EMC標準，但是要完全將電磁干擾消除是不可能的，只能盡可能降低或減少。為確保無線通信系統(tǒng)不影響關(guān)鍵設(shè)備的正常工作，在確定無線通信系統(tǒng)設(shè)備之前，儀控設(shè)備生產(chǎn)廠家搭建模擬系統(tǒng)，進行了實際場強及電磁兼容性測試，檢驗了無線通信系統(tǒng)在其射頻配置符合、低于和高于正常運行條件這3種情況下，對儀控設(shè)備的干擾情況。本文主要針對AP1000核島內(nèi)獨特的使用環(huán)境，依據(jù)美國核管會RG1.180、美軍標MIL-STD-461E［7］等標準，研究并明確無線通信系統(tǒng)EMC試驗要求、方法和驗收準則，以滿足AP1000試驗需求。RG1.180規(guī)定了EMC試驗可以按照MIL-STD-461E軍用標準或者IEC61000系列標準進行。但由于MIL-STD-461E是美國核電站所遵循的試驗標準，因此，發(fā)射試驗采用MIL軍用標準，抗擾度試驗采用在國際上被廣泛接受的商用IEC標準。1GHz以上頻率空間磁場發(fā)射包絡線如圖2所示。AP1000核電站中，無線通信系統(tǒng)的工作頻率為2400-2483MHz。根據(jù)NUREG/GL-1.180和RE102測試標準，RF放射界限的計量條件為：距離測試對象為1m的電場，強度不能超過圖2中顯示的強度/頻率范圍。在2400-2483MHz的工作頻率，電場極限強度為73.3dBpV/mo因依據(jù)這些標準要求的EMC測試只是在實驗室中的環(huán)境模擬試驗，雖然有重要的現(xiàn)實意義，但并不能代替核電現(xiàn)場的實際試驗和工程實踐經(jīng)驗，所以兩者需要相互支撐。3.1WLAN室內(nèi)傳播模型無線通信系統(tǒng)室內(nèi)布置主要有小范圍覆蓋、易受環(huán)境變化等特點。由于室內(nèi)信號環(huán)境無法采用統(tǒng)一的模型，因此在設(shè)計中需要按實選取對象模型與系數(shù)。電波傳播損耗即衰減因子模型。針對2.4GHz的電磁波，路徑傳播損耗公式為［8］:式中：PathLoss為路徑傳播損耗，dB;D為傳播距離,m;n為衰減因子，按使用環(huán)境進行選取［9］。在空氣中，傳播損耗與距離的平方成正比，則n=2。在構(gòu)筑物內(nèi)，距離對傳播損耗的影響將明顯大于自由空間。對于全開放環(huán)境，n的取值為2.0-2.5；對于半開放環(huán)境，n的取值為2.5-3.0；對于較封閉環(huán)境，n的取值為3.0-3.5［5］。根據(jù)模型，室內(nèi)路徑損耗=自由空間損耗+附加損耗因子，且隨距離成指數(shù)增長。接收電平估算公式如下：Pr[dB]=Pt[dB]+Gt[dB]-Pl[dB]+Gr[dB]式中：Pr[dB]為最小接收電平；Pt[dB]為最大發(fā)射功率；Gt[dB]為發(fā)射天線增益；Gr[dB]為接收天線增益；Pl[dB]為路徑損耗。綜上，對基站信號極限傳播距離作如下理論計算：假設(shè)天線發(fā)射和接收增益為0，AP發(fā)射功率為16.2dBm(41mW)，則理論室內(nèi)最大傳播距離與損耗的關(guān)系如表1所示。AP信號穿透損耗目前，WLAN電磁波在各種建筑材料的穿透損耗經(jīng)驗值如表2所示。AP信號入射角度被用于考察墻體等對AP信號的穿透損耗[10]。假設(shè)有一堵0.5m厚的墻體，當無線信號和目標區(qū)域之間直線連接并以45°角入射時，無線信號相當于穿透一堵1m厚的墻；當入射角為2°時，無線信號相當于穿透超過14m厚的墻壁。因此，如果能使AP信號垂直穿過墻體或房頂，接收效果較好。AP1000通用假設(shè)覆蓋模型AP1000核電站無線系統(tǒng)覆蓋原則分為重點覆蓋和經(jīng)濟性覆蓋。重點覆蓋，即在需要覆蓋區(qū)域內(nèi)進行無盲區(qū)重點覆蓋。經(jīng)濟性覆蓋，即對于一些有設(shè)備而很少有工作人員出現(xiàn)的區(qū)域不進行有效覆蓋，因此可能有盲區(qū)；對于經(jīng)常有工作人員進行調(diào)試或檢修工作的區(qū)域，要考慮有效的無線覆蓋。對于有很多小房間又有走廊的區(qū)域，可以考慮對走廊進行有效覆蓋而對房間不進行覆蓋，這樣工作人員需要在走廊里進行無線通話。AP1000核島內(nèi)某些墻壁很厚并且部分機柜的尺寸很大，對無線信號的傳播阻擋非常嚴重。因此，建立AP1000核島建筑的無線信號傳輸模型，具體要求如下。因無線信號不能穿過墻壁和防火門進行有效傳輸，每個房間需要單獨覆蓋且至少布置一個無線基站。對于NI廠房內(nèi)的防火門，視同墻壁且認為無線信號不能穿過。在NI廠房內(nèi)，標準基站的無線信號有效視距傳輸距離為20-30m,最遠不超過50m。這取決于廠房內(nèi)部署設(shè)備的材質(zhì)、形態(tài)和位置。對于普通區(qū)域，選擇壁掛全向天線進行覆蓋。對于狹長特殊形狀區(qū)域，可以考慮采用定向天線進行覆蓋。無線覆蓋設(shè)計過程中，最重要的就是確定天線的安裝位置，應盡量符合以下原則。盡量靠近需要覆蓋的目標區(qū)域和人群，比如工作區(qū)域，以保證良好的覆蓋效果。盡量安裝在比較開闊的地點，以保證天線的覆蓋效率。天線在目標區(qū)域內(nèi)較均勻地分布。不同的建筑材料產(chǎn)生不同的傳輸效果。由金屬的框架或門構(gòu)成的建筑物會縮短WLAN無線信號的傳輸距離。無線基站的放置位置應使信號通過干燥的墻壁或敞開的門，避免信號通過金屬材料。無線基站的位置最好遠離電子設(shè)備(最小距離范圍為1-2m),例如監(jiān)視機、電機等。3.4AP1000無線通信系統(tǒng)測試內(nèi)容無線通信系統(tǒng)的無線信號覆蓋范圍與信號的發(fā)射功率成正比，無線信號的覆蓋范圍將隨信號發(fā)射功率的增大而增大。在實際使用中，為了達到最好的覆蓋效果，各個接入點的信號發(fā)射功率可能不盡相同，各個接入點的信號功率調(diào)節(jié)是自動進行的，這也是無線通信系統(tǒng)的特點。國際標準中WiFi的發(fā)射功率不超過20dBm(100mW)，無線接入點的功率調(diào)節(jié)最大值為20dBm。根據(jù)以上情況，進行電磁兼容性測試的重點就是在無線接入點的最大發(fā)射功率下，測試無線通信設(shè)備對其他設(shè)備的影響。如果在最大發(fā)射信號功率下，被測設(shè)備沒有受到任何影響，則說明無線通信系統(tǒng)是滿足電磁兼容性的。同時，在無線接入點的正常工作模式下，進行備份的測試。如果設(shè)備在最大功率下發(fā)生異常，則進行正常功率模式下的測試。AP1000核電站應用的無線通信系統(tǒng)EMC特性設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，論證其可行性和可靠性需要從實踐出發(fā)。這將對AP10