5G、Wi-Fi6新型無線通信技術(shù)在智慧核電應(yīng)用下的儀控設(shè)備電磁干擾防護(hù)研究

喻 春 王成宇 周 進(jìn)

（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(shù)據(jù)、短信和定位等多種功能于一體的有成熟應(yīng)用和部署的無線通信系統(tǒng)，國內(nèi)外開展了藍(lán)牙、Zigbee、Wi-Fi、LTE 以及spreadspectrum（展頻）等無線技術(shù)在核電站的應(yīng)用研究，包括核電站的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全、電磁環(huán)境兼容、無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和部署等。目前，國外常用的核電通信技術(shù)包括模擬集群技術(shù)、數(shù)字集群技術(shù)、尋呼技術(shù)以及最熱門的基于802.11 系列協(xié)議通信技術(shù)，提供以語音通信為主、以短消息、小數(shù)據(jù)包為輔的業(yè)務(wù)應(yīng)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(nèi)核電廠采用的無線通信技術(shù)主要包括Wi-Fi、無線集群、McWiLL 和LTE 等，已建設(shè)的核電廠無線通信系統(tǒng)大部分實(shí)現(xiàn)了語音通信，但是數(shù)據(jù)通信及各類智能應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；渴餥2]。隨著我國5G 戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，新一代信息通信技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算在核電領(lǐng)域的深度融合，是實(shí)現(xiàn)核電生產(chǎn)方式、服務(wù)、管理、裝備、產(chǎn)品等方面的智能化改造，全面提升核電廠生產(chǎn)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(shù)具有高速率、低時(shí)延和大容量等特性，能夠滿足核電站更多智能化應(yīng)用場景需求，考慮到核電站設(shè)備的電磁兼容性要求較高，結(jié)合相關(guān)電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)和核電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在核電工廠環(huán)境下通過信號發(fā)生器產(chǎn)生5G、Wi-Fi 6 等新型無線電信號開展核電設(shè)備電磁干擾測試。對核電設(shè)備發(fā)射不同調(diào)制方式、帶寬、距離等條件的干擾信號，進(jìn)一步研究5G、Wi-Fi6 等最新無線通信技術(shù)應(yīng)用對核電機(jī)組控制設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾及設(shè)備干擾防護(hù)要求。

1 核電電磁兼容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前，核電電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)中比較權(quán)威的是美國采用的EPRI TR-102323《電廠設(shè)備電磁干擾試驗(yàn)導(dǎo)則》、RG1.180《安全相關(guān)儀表和控制應(yīng)用研究 系統(tǒng)電磁和射頻干擾評估導(dǎo)則》以及國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62003-2020《核電廠儀表、控制和電力系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)要求》[3]。

其中EPRI TR-102323《電廠設(shè)備電磁干擾試驗(yàn)導(dǎo)則》對核電廠設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，在10 kHz~40 GHz 頻段采用IEC 61000-4-3《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)》[4]的測試方法；IEC 62003—2020《核電廠儀表、控制和電力系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)要求》規(guī)定核電站的儀表控制設(shè)備及電氣設(shè)備，射頻輻射抗擾度試驗(yàn)應(yīng)符合IEC 61000-4-3 中第3 級的要求，試驗(yàn)場強(qiáng)為10 V/m，試驗(yàn)頻率上限要達(dá)到6GHz。

以上標(biāo)準(zhǔn)均推薦核電設(shè)備電磁干擾測試采用IEC 61000-4-3 標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定發(fā)射信號使用1kHz80%幅度調(diào)制的正弦波，由于測試使用的發(fā)射信號類別較為單一，測試結(jié)果具有一定的局限性，因此需要進(jìn)一步使用5G、Wi-Fi6信號進(jìn)行實(shí)測。綜上所述，該文采用IEC 61000-4-3 的測試方法，在規(guī)定測試信號為1kHz80%幅度調(diào)制的正弦波的基礎(chǔ)上，增加5G、Wi-Fi6 信號作為測試信號，再進(jìn)行電磁干擾測試。

2 測試方法研究

在核電工廠環(huán)境下，核電儀控設(shè)備受到的電磁干擾來自2 個(gè)方面，一是周圍其他核電儀控設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的干擾，二是5G、Wi-Fi6 等無線通信信號對其所產(chǎn)生的干擾。該文主要研究5G、Wi-Fi6 等無線通信信號在不同調(diào)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(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾，同時(shí)采用1kHz 調(diào)制深度為80%的調(diào)幅正弦波從80 MHz~8 GHz 頻率步進(jìn)為1%的頻點(diǎn)掃頻信號干擾測試進(jìn)行對比。

核電工廠環(huán)境中的5G、Wi-Fi6 信號主要來自基站和終端，在廠區(qū)室內(nèi)環(huán)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(jù)3GPP TS 38.104標(biāo)準(zhǔn)對小基站的功率定義以及中國運(yùn)營商室內(nèi)5G 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，小基站Medium Range Base Station 發(fā)射功率為33 dBm，Local Area Base Station 發(fā)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(fā)射功率為20dBm，考慮到無線AP 安裝位置能覆蓋更廣區(qū)域，其離核電儀控設(shè)備距離較遠(yuǎn)，發(fā)射信號功率經(jīng)過無線傳播損耗，到達(dá)儀控設(shè)備的信號已經(jīng)非常小。

因此綜合分析，得出5G、Wi-Fi6 的基站或無線AP 的發(fā)射功率在儀控設(shè)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(dòng)靠近核電儀控設(shè)備的用戶終端（發(fā)射功率一般為26dBm）所產(chǎn)生的電磁干擾影響可忽略不計(jì)。

該文主要研究移動(dòng)用戶終端靠近核電儀控設(shè)備對此產(chǎn)生的電磁干擾和干擾防護(hù)要求，由于移動(dòng)用戶終端不是一直以滿負(fù)荷發(fā)射功率的工作狀態(tài)，要實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷工作發(fā)射功率的極端條件比較困難，因此采用矢量信號源發(fā)射5G 和Wi-Fi6信號對核電儀控設(shè)備進(jìn)行電磁干擾代替移動(dòng)用戶終端所產(chǎn)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(chǎn)生，能夠自由配置不同調(diào)制方式、不同帶寬等信號參數(shù)，發(fā)射信號見表1。不同功率、不同距離測試條件根據(jù)核電工廠實(shí)際環(huán)境以及不同距離下所達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的10 V/m場強(qiáng)，需要根據(jù)功率、距離、場強(qiáng)間在自由空間的相互關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，然后用場強(qiáng)儀在被測設(shè)備周圍進(jìn)行監(jiān)測驗(yàn)證，如公式（1）所示。

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

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-3《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)》、IEC 61000-6-2《電磁兼容 通用標(biāo)準(zhǔn) 工業(yè)環(huán)境中的抗擾度試驗(yàn)》測試方法要求，進(jìn)行1 kHz 80%幅度調(diào)制的正弦波掃頻干擾測試。IEC 61000-6-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工業(yè)環(huán)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(jìn)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(shí)針對Wi-Fi6 無線AP、5G 手機(jī)終端的信號干擾分別進(jìn)行抗干擾測試，按照中國工業(yè)和信息化部無線電管理局發(fā)布的工信部無【2021】129 號文規(guī)定，天線增益小于10dBi 的無線AP 設(shè)備發(fā)射等效全向輻射功率（EIRP）不超過20 dBm。5G 手機(jī)終端發(fā)射功率根據(jù)3GPP TS 38.521-1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Class 3 功率為23 dBm，Class 2 功率為26 dBm，本次測試驗(yàn)證中采用高功率的極限情況，即5G 手機(jī)終端信號發(fā)射的功率為26 dBm。按照表1 所示的參數(shù)，使用信號源分別發(fā)射信號。

表1 信號源發(fā)射的信號參數(shù)

按照圖1 測試場景搭建好測試系統(tǒng)，測試步驟如下。

圖1 測試框圖

第一步：將發(fā)射天線高度與被測設(shè)備高度保持水平，發(fā)射天線與被測設(shè)備距離0.5 m。

第二步：使用信號源發(fā)射干擾信號，測試頻率為規(guī)定發(fā)射頻段的中心頻率，測試時(shí)間1 min，觀察受干擾設(shè)備的工作狀態(tài)，并記錄有異常情況發(fā)生時(shí)的設(shè)備工作狀態(tài)和接收功率。

第三步：如被測設(shè)備在最大輻射功率下干擾發(fā)生時(shí)，調(diào)整信號功率分別以3dBm 的步進(jìn)降低信號發(fā)射功率（步進(jìn)可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以保證閾值的精確度），并重復(fù)第二步的測試，直至找出干擾閾值。

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

3 測試結(jié)果

本次驗(yàn)證共測試了39 個(gè)設(shè)備，有4 個(gè)設(shè)備受到了不同程度的干擾，設(shè)備類型分別為繼電器柜、振動(dòng)檢測機(jī)柜、ABB電導(dǎo)率表、轉(zhuǎn)速控制機(jī)柜。其中5G 與Wi-Fi6 信號對轉(zhuǎn)速控制機(jī)柜產(chǎn)生了干擾，另外根據(jù)IEC 61000-4-3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 kHz 調(diào)制深度為80%的正弦波單載波信號對這4 個(gè)設(shè)備均產(chǎn)生了干擾。轉(zhuǎn)速控制機(jī)柜在頻率為100 MHz~7GHz 時(shí)均受到干擾，繼電器柜、振動(dòng)檢測柜、ABB 電導(dǎo)率表3 個(gè)設(shè)備在整個(gè)測試頻率范圍的部分頻段受到干擾。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在測試要求相同的情況下，不同設(shè)備的抗干擾能力相差很遠(yuǎn)，其中轉(zhuǎn)速控制柜干擾現(xiàn)象較為明顯，掃頻干擾表現(xiàn)為全頻段的電磁干擾并且干擾數(shù)值遠(yuǎn)低于測試要求標(biāo)準(zhǔn)的10 V/m，由此也可以看出該設(shè)備對無線電信號及其敏感。

4 測試結(jié)果分析

基于本次測試的結(jié)果，對核電儀控設(shè)備的受電磁干擾程度進(jìn)行分析：1）對80 MHz~8 GHz 整個(gè)頻段進(jìn)行調(diào)制深度為80%的1 kHz 調(diào)幅正弦波，頻率步進(jìn)為1%的頻點(diǎn)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(gè)設(shè)備中，繼電器柜、振動(dòng)檢測機(jī)柜、ABB 電導(dǎo)率表3 個(gè)設(shè)備所受干擾場強(qiáng)閾值為3 V/m~10 V/m，干擾天線口面處發(fā)射功率為18 dBm~29 dBm，將干擾發(fā)射天線移至1m 及以上距離，未出現(xiàn)干擾。轉(zhuǎn)速控制柜的全頻段出現(xiàn)干擾，干擾場強(qiáng)閾值為1 V/m~8 V/m，干擾天線口面發(fā)射功率為10 dBm~27 dBm。

采用帶數(shù)字調(diào)制的5G NR 和Wi-Fi6 無線干擾信號測試時(shí)，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(diào)制方式為QPSK/64QAM，信號帶寬為20 MHz 與100 MHz。Wi-Fi6 信號調(diào)制方式為256QAM，信號帶寬為80 MHz 進(jìn)行干擾測試。測試干擾閾值場強(qiáng)介于1 V/m~3 V/m，干擾天線發(fā)射口面處功率為13 dBm~18 dBm。干擾測試結(jié)果見表2。

表2 為轉(zhuǎn)速控制柜射頻干擾（RFI）測試結(jié)果

從測試結(jié)果表明，測試受干擾設(shè)備的干擾閾值均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 V/m 限值條件以下，即抗電磁干擾能力低于標(biāo)準(zhǔn)限值要求。繼電器柜、振動(dòng)檢測機(jī)柜、ABB 電導(dǎo)率表3 個(gè)設(shè)備受窄帶寬信號干擾，但未受到5G NR 與Wi-Fi6 等數(shù)字調(diào)制寬帶信號干擾，因此在相同發(fā)射功率和受干擾場強(qiáng)的情況下，窄帶寬的1 kHz 正弦波調(diào)幅信號與寬帶的數(shù)字調(diào)制信號相比對核電儀控設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾的可能性更大。2）針對該測試有干擾的4 個(gè)核電儀控設(shè)備，繼電器柜、振動(dòng)檢測機(jī)柜、ABB 電導(dǎo)率表3 個(gè)設(shè)備的干擾閾值場強(qiáng)3 V/m ~10 V/m與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 V/m 場強(qiáng)接近。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境通過射頻電磁場抗擾度試驗(yàn)后，在核電工廠工業(yè)環(huán)境下，由于受現(xiàn)場環(huán)境的影響，因此對設(shè)備抗干擾能力的要求更高。轉(zhuǎn)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(qiáng)均在3 V/m 左右，因此該設(shè)備屬于比較敏感的設(shè)備。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TR-102323 附錄N，在設(shè)備的干擾閾值場強(qiáng)下，須考慮8 dB 的裕量作為設(shè)備的抗干擾場強(qiáng)門限，因此需要增加保護(hù)距離。本次測試距離在0.5 m 處，通過公式（1）計(jì)算，測試干擾閾值場強(qiáng)增加8dB 裕量后，則電磁干擾保護(hù)距離為1.3 m。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-3 的干擾場強(qiáng)門限值10 V/m 的要求，由于受干擾設(shè)備的閾值場強(qiáng)均低于該要求，即相對標(biāo)準(zhǔn)來說易受干擾，需要增加相應(yīng)的保護(hù)距離以滿足10 V/m 的閾值場強(qiáng)要求。通過試驗(yàn)結(jié)果可知，繼電器柜類設(shè)備的保護(hù)距離須設(shè)為1.7 m，振動(dòng)檢測機(jī)柜類設(shè)備的保護(hù)距離須設(shè)為0.9 m，ABB 電導(dǎo)率表類設(shè)備的保護(hù)距離須設(shè)為0.7 m。由于轉(zhuǎn)速控制機(jī)柜類設(shè)備屬于敏感設(shè)備，對5G NR 與Wi-Fi6 這類數(shù)字調(diào)制寬帶信號以及窄帶正弦波調(diào)制信號應(yīng)綜合考慮，為其設(shè)置干擾保護(hù)距離為4.2 m。

5 電磁干擾防護(hù)要求

在核電站環(huán)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(zhì)，導(dǎo)致核電站的電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，設(shè)備間的電磁兼容要求隨之越來越高，根據(jù)上述測試結(jié)論，建議采取以下幾種方式規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)：1）對敏感設(shè)備設(shè)置隔離保護(hù)柵欄并設(shè)置禁止通信設(shè)備靠近警示標(biāo)志。2）對極其敏感設(shè)備設(shè)置屏蔽罩、隔離保護(hù)柵欄，并設(shè)置禁止通信設(shè)備靠近的標(biāo)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(shè)備采購時(shí)應(yīng)讓供貨方提供設(shè)備電磁抗干擾測試報(bào)告。4）對核電站系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部有發(fā)射情況時(shí)，使信號線遠(yuǎn)離電流干擾源。5）在敏感設(shè)備各端口增加濾波電路，阻止已耦合到端口上噪聲進(jìn)入設(shè)備內(nèi)。

6 結(jié)論

該文通過開展核電設(shè)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(jī)組設(shè)施設(shè)備干擾情況，確定了核電控制機(jī)組設(shè)施設(shè)備中的敏感設(shè)備，明確敏感設(shè)備的敏感頻段及干擾閾值。針對本次測試驗(yàn)證受5G/Wi-Fi6信號干擾的轉(zhuǎn)速控制柜設(shè)備，其受干擾的場強(qiáng)閾值最小為1.7V/m，低于標(biāo)準(zhǔn)要求。為了能使其不受到新型無線電信號的干擾，增加相應(yīng)的保護(hù)距離，根據(jù)最小干擾場強(qiáng)閾值計(jì)算得出保護(hù)距離為2.1m?？紤]實(shí)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(shè)備距離核電機(jī)組設(shè)備0.1m，則其終端的發(fā)射功率應(yīng)限制在10mW。在核電工廠房環(huán)境下開展的電磁抗干擾驗(yàn)證測試，部分設(shè)備不能承受10V/m 場強(qiáng)，為了保障設(shè)備使用安全，建議核電廠在建設(shè)無線通信系統(tǒng)前對核電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行全面的電磁兼容測試，以確定各類設(shè)備的電磁抗干擾強(qiáng)度。結(jié)合本次測試驗(yàn)證的結(jié)果提出敏感設(shè)備電磁干擾防護(hù)要求，對5G、Wi-Fi6等新型無線電技術(shù)在核電站大規(guī)模應(yīng)用中的電磁干擾防護(hù)有參考價(jià)值。