无线技术在核电厂的应用研究

徐博雅（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

随着无线技术标准越来越普遍和成熟，电力研究协会（EPRI）在21世纪开始探索无线技术在核工业的潜在用途。在美国进行了无线传感器在核电站的应用与部署演示，得到了很高的评价，无线传感器的应用不但满足了核电厂设施的监控能力要求，也可以大幅地节省操作和维护成本。这些测试证明：无线技术可以成为全球核电站仪控技术的一个极具吸引力的替代品，其最重要的影响因素是节约安装和维护成本。在核电站的环境中新增电缆可能是现有设施升级中所涉及到的最大成本之一，无线技术可以经济地部署大量无线传感器，提高工厂的运营效率，这些传感器获得数据后，可以更深入地了解被监测区域的状况[1]。

国际原子能机构于2015～2017年启动了一个关于无线技术在核反应堆中应用的研究项目。该项目涉及5个关键领域：①相关规范、标准和法律法规；②与核有关应用无线通信技术的概念；③当前的方法、经验和教训；④潜在的应用场景；⑤新兴无线技术。该项目的总体目标是开发和演示先进的无线通信技术，应用于核电厂仪控系统中的信号传输和故障诊断，以替代现有有线解决方案。

表1 工业应用无线技术Table 1 Wireless technology for industrial application

1 核电厂无线技术应用需求

有线与无线网络技术集成实现异构的工业测控网络是测控网络的新发展趋势，无线网络技术能轻易地覆盖有线网络不能覆盖的地方[2]。工业现场通常有种类丰富的检测仪表和执行机构，例如压力变送器、流量计、温度变送器和液位计等，现场仪表通常采用有线的方式连接控制系统实现数据的传送。随着技术发展，无线网络接入方式逐渐发展起来，逐渐成为工业通信领域研究的热点。

传统的监测系统要么是离线监测，要么是基于有线的设计。然而，有线存在很多不可避免的缺点，主要体现在：

1）维护困难，新增或替换传感器需要重新部署电缆，消耗大量人力物力资源。

2）安装困难，很多受空间或环境限制的位置，很难部署传统有线传感器。

3）传统仪控系统多采用单一通信链路，一个链路上存在多个节点，如变送器、电缆、端子等；每个节点都存在故障隐患，对故障的诊断也存在很多不确定性。

4）大量传感器的安装往往受到电缆重量和费用的限制，当电缆敷设数量达到一个规模后，其成本和难度的增加是灾难性的。

无线通信技术的发展，为上述问题的解决提供了一种新型、低成本的先进解决方案。无线检测已经在工业上应用多年，通过工程应用表明，无线检测存在以下优点：

a）节约成本，搭建方便：有别于传统有线仪表的物理通信链路，采用无线则可以节省大部分的电缆敷设工作，并且信号采用网络传送数据，减少仪控系统IO采集模块等的使用数量，从而缩减核电厂的投资。

b）扩展性好，容易增加节点。对于传统仪表来说，增加监测点就需要增加电缆，电缆敷设过程中可能对原有线路造成破坏，而对于无线通信检测便不会出现此问题。

c）现场设备通道在线检役工作也是核电厂在役期间的一项很重要的工作，用于确定过程监测仪表的稳定性和准确性；无线仪表可以在远程进行故障诊断，减轻相关维护人员工作强度，提供工作安全性。

d）组网灵活，可实现移动实时巡检。只要在无线信号有效的通讯范围内的所有设备，即可以实现实时在线查询，并根据终端所处位置的不同，实时更新设备状态信息，从而可利用简单的终端，实现核电厂内的区域导航及设备巡检。

核电厂设备状态参数检测一直是生产操作和控制的重要依据，但核电厂现场环境复杂、信号干扰和屏蔽极其严重，测点分布广、数量多、距离远，在进行现场仪表安装检测工作时，因为仪表安装位置、现场环境等因素对工作效率和安全性产生很大影响。无线通讯系统无需复杂的电缆敷设工作，只需要针对现场建筑和设备布置情况进行区域划分和节点的布置工作，这样大大降低了电缆敷设的压力。

表1简单列出了几项已经广泛应用于工业场景的无线技术。

2 核电厂无线应用规范和案例

目前，并没有无线技术在核电厂应用的国内标准，可以参考IEC62988标准进行无线设备的选择和应用。（IEC 62988 Nuclear Power Plants – Instrumentation And Control Systems Important to Safety – Selection And Use of Wireless Devices）无线技术作为一种在空气中传播的技术，很容易被窃听和控制，监管机构对无线技术在核电站的应用有很多的限制。

目前，多个国家已经尝试在核电站部署无线系统，印度在Indira Gandhi原子研究中心的钠冷快堆上部署了用于过程监测的无线传感器网络，用于测试无线传感器网络在核设施中应用的可行性。该网络包含多个路由器节点和热电偶、流量传感器、液位传感器、振动传感器等，每个传感器提供了电池作为备用电源。目前这个监测网络运行良好，该中心还部署了一个无线传感器网络用于钠泄漏检测，其部署了一个由50个钠泄漏检测器组成的无线检测系统，以并行方式连接到内部的无线传感器网络中。该无线网络由多个路由器节点组成，提供多链路的冗余通道，数据通过无线网络传送到主控室以显示仪表状态。

美国是最早在核电厂应用无线技术的国家，十多年前就在科曼奇峰核电厂部署了无线监控系统。该系统由一个冗余的光纤主干网链接整个工厂的无线接入点，所有的仪表和移动设备都符合IEEE802.11标准，这个网络也用于整个工厂的有线局域网，用于数据和远程视频监控等。科曼奇峰核电厂的无线应用证明：无线技术可以显著地降低运营成本，提高可靠性。

日本开发了一种用于严重事故的无线机器人系统，用于在恶劣环境中评估事故的严重程度。传统的有线机器人在恶劣环境下很容易发生设备故障和线缆断开的故障，这种机器人采用有线和无线连接的混合系统，当其中一种网络链路发生故障时，可以保持通讯并检测故障进行维修。

3 核电厂无线系统的应用前景

通过分析现有核电厂运行的经验，认为在核电厂事故后监测系统中应用无线系统是非常有必要的。在核电厂事故期间和事故后，要及时准确地获取核电站的运行状态信息并保证重要设备处于工作状态。但事故发生时设备和电源可能暂时或永久损坏，这时无线技术就是另一种解决方案。无线传感器可以用电池作为备用电源，因为没有电缆连接，从而减少了由其它传感器或设备造成故障的概率，同时它可以使用多个冗余的传感器，满足事故后监测系统的单一故障准则要求。而使用电池的无线传感器可以被认为是独立的，满足电气隔离要求，因为它与其它设备没有连接，这样就不会受到其它设备故障的影响。

无线传感器可以有多种供电，如线路供电、电池供电、自发电装置（太阳能等）。而只需对其电池或自发电装置进行鉴定，证明其能在规定的寿期内使用。而无线传感器可以传输自诊断信息，方便维护，同时在紧急时刻可以用便携设备（如平板电脑、笔记本电脑等移动终端）进行数据收集。

4 核电厂无线技术应用挑战

4.1 信息安全技术的影响

信息安全是对无线技术在核电厂应用的最大挑战，而数字化仪控系统的应用也已经对核电厂的信息安全提出了新的挑战，无线技术的应用会使这种风险进一步扩大。无线技术的应用不但要解决传统的信息安全问题，还要解决由于无线系统的特殊性带来的新的安全问题，如利用同频干扰、地址冲突、环境噪声干扰等。当占用同一频带的两个不同的无线协议相互接近时就可能产生干扰，通过监测信号强度、载波感知时间和数据包发送率等参数来检测干扰，扩频和调频技术已经证实可以有效地对抗干扰[3]。

4.2 无线系统的技术挑战

无线技术作为一种新兴技术在核电厂应用中还有许多问题需要解决，如射频通信协议、网络拓扑结构、信号传播等。还需考虑无线技术本身遇到的独特挑战，如信息安全、信号覆盖、信号干扰与共存，电源、结构影响，电磁辐射等环境。同时，无线系统如何与现有仪控系统进行集成也是急需解决的问题。目前，无线技术已经成功地在核工业实现了应用，这些应用可以为相关设计人员提供经验和教训，以进一步实现更多的无线应用。工业上已经有成熟的无线传感器设备，如温度、液位、流量、压力等，这些传感器如何在核设施中的极端环境下使用，还需进一步验证。

要在核电厂应用无线技术还需要解决很多问题，如核电厂设施复杂的环境结构（钢筋混凝土接口、大型金属管道设备、发射端和接收端之间的信号阻隔）。在核电厂中，钢筋混凝土墙可以超过1m厚且钢筋密度高，这种钢筋混凝土墙的传输损耗接近100dB/m，信号穿墙几乎是不可能的。电磁波的传播速度受多种因素影响，在核电厂进行无线基站的设计需要考虑电磁波的反射引起的无线传播和厂房墙壁、天花板和其它设施的吸收，从而来选择最优位置以满足无线网络的要求。核设施中的恶劣辐射环境（主要是伽马辐射）会影响无线传感器的寿命，而设施内的电离辐射水平会显著影响信号的传播。这些都对无线系统在核设施的应用提出了新的挑战。

5 结束语

从模拟到数字、从有线到无线是技术发展的趋势。无线技术已经发展和应用了多年，技术的发展使应用无线技术的系统成本和稳定性已经远远高于传统仪控系统，并且无线系统强大的自我故障诊断和自我修复能力的优势已经显现优势。无线仪控系统的灵活性和便维护性将大大提高电站维修效率，缩短大修时间。无线系统相对于有线系统的优势已经展现出来，核电厂对于无线系统不应该采取全盘否定的态度。经过调研分析报告，对无线系统在核电厂的部署进行规划，可以分为以下几步进行：

1）非主要系统的无线监测实现，例如：厂区辐射监测，移动式计量监测系统。

2）厂区无线系统全覆盖，搭建辅助系统，例如：场内维保辅助系统网络搭建。

3）最终实现完整无线仪控系统的搭建工作。

对于核电厂的复杂环境，基于目前的技术水平，建议采用有线网络搭建整个无线控制网络节点的无线仪控系统。