核电站5G和无线通信技术电磁兼容应用的研究

刘景宾，乔 宁，郭银辉，杨静远,*，丁 超

核电站5G和无线通信技术电磁兼容应用的研究

刘景宾1，乔 宁1，郭银辉2，杨静远1,*，丁 超1

（1. 生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2. 中国卫通集团股份有限公司，北京 100190）

随着计算机和网络技术的发展，手机和无线通信等设备的工作频率越来越高，并已全面进入我们的生产和生活，这类技术给我们带来方便的同时，也给核电站数字化设备的安全运行带来了隐患。本文对核电厂数字化设备电磁兼容试验的相关项目和要求进行了梳理和分析，国内核电站如早期的M310及之前机组并未考虑1 GHz以上的电磁兼容试验，新建的核电站如“华龙一号”等三代机组开始考虑了高频频带，但相关试验只做到了6 GHz。此外，核电现场对于手机和无线设备的使用并不严格，这些都大大增加了核电厂电磁环境的复杂度，使对电磁敏感的数字化设备暴露在高频率的电磁环境下，而设备出厂前进行的相关鉴定试验和措施很可能无法包络住目前现场的实际环境，需要采取额外的补充鉴定、屏蔽手段、距离限制等措施。

数字化设备鉴定；电磁兼容；无线通信

1 引言

当前，核电厂中越来越多的开始使用高集成度的数字化仪控设备。其内部通常集成了大规模和超大规模集成电路和微电子模块，一般采用低电压、高频率的信号。当这类设备处于复杂的电磁环境时，就会引起测量信号或输出指令受到干扰而产生错误。

为了使核电厂可以更加安全、可靠的运行，一方面要求提高产品的电磁兼容（EMC）能力，通常制造商会根据目前行业内认可的导则和标准对数字化设备进行EMC相关的鉴定试验，以证明其可以满足相关要求。另一方面，此类设备在进行设计、制造、安装和维护等阶段，也要采取必要的措施和手段，降低敏感设备暴露在强电磁辐射的情况。例如，在电磁环境比较复杂环境下的DCS机柜中布置屏蔽层，安全重要的设备周围不布置发电机、大功率设备等措施。

然而，随着计算机和网络通信技术的发展，特别是信息化与工业自动化的深度融合，越来越多的电站开始使用无线通讯技术（WiFi），电厂的工作人员也逐渐开始使用智能化的手机和网络设备，加上5G产业迅速发展，这些发射源的工作频率越来越高，使得电厂的电磁环境等级劣化，而设备出厂前进行的相关鉴定试验和措施很可能无法包络住目前现场的实际环境，需要采取额外的补充鉴定、屏蔽手段、距离限制等。

2 电磁兼容试验的鉴定项目

2.1 发射试验和抗扰度试验

目前，针对核电厂数字化设备电磁兼容试验的相关鉴定问题，国际上比较认可的指导措施是采用美国核管会（NRC）发布的RG 1.180- 2003“安全相关仪控系统中电磁和无线频率干涉的评价导则”[1]对相关设备进行评价。总体上，该导则认可了美军标MIL-STD-461E和IEC 61000系列两套具体的执行标准，用以指导相关的EMC试验项目，如表1和表2所示。通常按照试验项目划分，大致可分为四项：传导发射试验（CE）、传导抗扰度试验（CS）、辐射发射试验（RE）、辐射抗扰度试验（RS）。

表1 RG1.180中MIL-STD-461E标准中的EMC试验项目

表2　RG1.180中IEC 61000系列标准中的EMC试验项目

发射试验具体的执行过程中，若满足低频发射测试两项豁免的条件，则允许使用替代程序：如果采用了电能质量控制，则允许试验设备本身的CE101试验豁免，如果试验设备的具体安装环境中没有对辐射发射干扰敏感的设备，则允许试验设备本身的RE101试验豁免。或者，在确定的条件下，可以接受基于IEC 61000-6-4的发射试验或满足FCC Part 15 Class A要求的发射试验。但是，无论选择哪种发射试验程序，都需要将其三者之一整体应用，而不是选择性地混用其中某些试验项目，如图1所示。

抗扰度试验具体的执行过程中，针对传导试验中电源线的CS101和CS114试验，信号线的CS114，CS115和CS116试验，以及针对辐射试验中的RS101和RS103试验也只是某一种基准的测试方法。还可以使用基于IEC 61000的测试方法来建立与安全相关仪控系统的测试程序。图2列出了两个可接受的抗扰度试验方法，同样地，尽管对任何一种抗扰度测试方法的选择没有限制，但需要将二者之一整体应用，而不是选择性地混用其中某些试验项目。

图1 发射试验可接受的方法

图2 敏感性试验可接受的方法

2.2 高于1 GHz电磁兼容项目的试验方法

核电厂的电磁环境非常复杂，存在许多电磁干扰源，如发电机、变压器、继电器、漏电流、电焊机等，这部分干扰的电磁兼容问题可由2.1节中的相关试验加以鉴定或采取相应的技术手段避免。然而，随着计算机和网络技术的发展，手机和无线通信等设备的工作频率越来越高，核电厂现场的电磁环境愈发复杂，国内在2000年左右开始商业化GSM1800（1.8 GHz频段）移动通信系统，同时期WiFi技术也开始逐渐普及，这些技术发展而产生的电磁干扰涉及1 GHz以上的高频频带，在后续的数字化设备设计中需要进行考虑。

针对辐射发射试验而言，MIL-STD-461E[2]中的RE102试验包含了适用于1 GHz以上的方法和准则，该试验适用于1 GHz以上到10倍于被试设备内可能产生的最高频率，相关的发射包络曲线要求如图3所示。

图3 MIL-STD-461E中大于1 GHz以上的辐射发射试验包络曲线

RG 1.180认可的1997版的IEC 61000-6-4中对1 GHz以上试验项目没有要求。若根据IEC系列进行辐射发射试验，可参考2007版之后的IEC 61000-6-4[3]中关于1～6 GHz辐射发射试验的相关要求，如表3所示。

针对1 GHz以上的辐射抗扰试验，RG 1.180的可接受试验方法包含在MIL-STD-461E的RS103中，该标准要求进行鉴定试验时施加的电场强度为10 V/m（rms），其可测试范围为30 Hz～40 GHz。

表3 IEC 61000-6-4中大于1 GHz以上的辐射发射试验的相关要求

同样地，RG 1.180认可的1995版的IEC 61000-4-3中对1 GHz以上的试验项目没要求。若根据IEC系列进行辐射抗扰度试验，可参考2006版之后的IEC 61000-4-3[4]中关于1 GHz以上辐射抗扰度试验的相关要求，施加的电场强度为10 V/m（rms），其可测试范围为80 MHz～6 GHz。

此外，RG 1.180中特别强调对频率范围1～10 GHz的辐射抗扰试验的需要是由于高速微处理器与无线通信的发展而产生的，它们产生的干扰涉及高频频带，在后续的数字化设备设计中需要进行考虑，但由于各国通信管理部门的限制和约束，当前只涉及大量的2.45 GHz和5.7 GHz频段，并未做强制性的要求。

针对国内核电的具体项目而言，大多数早期的M310及之前的核电厂在设计之初并未考虑高于1 GHz的EMC试验，主要原因是当时高于1 GHz的室内无线发射设备在核电厂并未普及。新建的二代+和三代核电机组，在设计时已考虑1 GHz以上的电磁兼容试验，除AP1000机组采用MIL-STD-461E标准外，大多数的试验项目是根据IEC 61000系列进行的，辐射发射试验和辐射敏感性试验通常只做到了6 GHz，而当时建造的项目尚未出现高于6 GHz无线设备，因此满足当时的标准要求。

3 当前电磁兼容试验存在的安全风险

3.1 5G网络和无线通信技术的频率范围

随着移动数据需求的爆发式增长，网络通信技术迅猛发展，并已经全面进入我们的生产和生活。通常，我们所说的5G网络指的是第五代移动通信技术，其传输速度远高于先前的3G和4G蜂窝网络，同时又具有较低的网络延迟，已逐渐成为当前世界范围内的主流技术。然而，这一技术非常依赖于丰富的频谱资源，5G频谱分为两个区域FR1和FR2，其频谱资源与3G、4G技术相比扩展了很多。

根据第三代合作伙伴计划（3GPP）的协议规定，FR1频段的频率范围是450 MHz～6 GHz，又称sub 6 GHz频段；FR2频段的频率范围是24.25～52.6 GHz，通常被称为毫米波（mmWave），如表4所示。FR1频段的传输距离长，并且相关设备的成本较低，而FR2频段的定向传输性较好，速度较快，两者各有优劣。现阶段，我国仅对FR1中的频段进行了分配，然而随着基础覆盖频段的普及和应用，FR2将作为5G补充频段发挥重要的作用，毫米波所处的高频频段也将逐渐分配给各大电信运营商。

表4　5G频段范围和国内的分配情况

无线通信技术（Wi-Fi）近年来也渗透到了各行各业，包括核行业，这部分内容将在本文的3.2节进行说明。2020年4月，美国联邦通信委员会（FCC）对WIFI 6E的无线频段放行，这意味着将来的某些WiFi和手持设备可以使用5 925～7 125 MHz这一频段范围。同时，Wi-Fi联盟表示，包括英国、欧盟、韩国、智利、阿联酋等在内的国家，已经批准使用6 GHz的Wi-Fi，此外巴西、加拿大、墨西哥和日本的监管机构，目前也正在推进实施的过程。中国正处于无线通信技术领域的发展前列，未来必定也将逐步开放，当前市场上已经可以购买到相关设备。

表5　WiFi技术的发展过程和频段使用情况

3.2 核电厂无线通信技术的需求和现状

当前，国内众多核电厂在进行厂内无线通信系统的设计和改进，以满足传统有线通信方式的受限性问题和传统无线寻呼系统无法满足语音通信、数据传输需求的问题[5]。其无线通信范围一般会覆盖整个厂区，包括核岛、常规岛、BOP及室外某些区域。

这种无线通讯系统通常由调度管理平台、无线基站和无线通讯终端等设备组成：

①其中调度管理平台的相关设备采用有线布置，负责整个终端的数据处理和汇集，实现管理、配置、服务、相连设备的通信等功能。

②无线基站实现无线通信信号的覆盖，通过有线方式与调度管理平台连接，采用固定的安装方式，一般布置在主控制、仪控设备间或需要通信的区域，包括控制器、基站、天线等设备。

③无线通讯终端主要指的是相关操作人员的手持设备，通过无线的方式与无线基站连接，接收和发送语音、图文、视频等信号。由于人员可以自由移动，该类设备随身携带，因此无固定安装方式。

无线通讯系统本身不是核动力厂安全重要仪控系统，其不执行安全重要或相关功能，通常与主仪控系统不会直接相连，一般情况下无需考虑EMC试验中的传导干扰。但是，无线基站和无线通讯终端会向外辐射电磁干扰，尤其是手持设备，某些情况下甚至会与数字化设备近距离接触，因此需考虑无线通讯系统本身和覆盖范围内数字化设备的辐射发射试验和辐射抗扰度试验。

3.3 当前存在的安全风险

目前5G基站正随着国家网络强国建设的发展如火如荼的进行中，很多核电现场均已覆盖了5G信号，支持5G网络的手机也随着相关人员进入到了核岛厂房等区域。如2.2节所述，早期的核电厂并未考虑1 GHz以上的EMC试验，新建的核电机组尽管考虑了高频频带，但大多数试验只做到了6 GHz，未来超越6GHz的电磁环境很可能在室内电磁环境出现，之前的鉴定试验数据已逐渐不能包络现场的实际环境。

而且，众多核电厂还有无线通信系统的建设和改进需求，WiFi技术在核岛内也逐渐普及。WiFi 6E中的频段范围也已经覆盖到5.925～7.125 GHz，将来甚至会随着技术的进步和发展需求进入到生产网络，执行某些特定的控制功能。

此外，核电现场对于手机和手持设备的使用规定并不严格，这些都大大增加了核电厂电磁环境的复杂度，使对电磁敏感的数字化设备暴露在高频率的电磁环境下，而之前的鉴定试验和相关措施不再充分。

4 5G和无线通信技术电磁兼容应用的建议与措施

（1）健全相关法规和标准体系

国内计算机和通讯技术发展迅速，而目前核电领域的EMC试验只是参考国外的相关标准，缺乏专业指导性和兼容性。

HAF 102《核动力厂设计安全规定》[6]中的5.5.2.3节要求“安全重要物项鉴定程序必须考虑到安全重要物项预期寿期内由各种环境因素（如振动、辐照、湿度、温度）引起的老化效应”，其中并未对电磁环境提出明确的强制性要求。HAD 102/14《核电厂安全有关仪表》[7]中提到“电厂内通常存在相当强大的电气干扰源，并有一定的频谱，如果不考虑这种环境，仪表和控制系统就会收到其有害影响”，其中只包含了原则性要求，缺乏具体的指导。执行标准层面的NB/T 20218—2013《核电厂安全重要仪表和控制设备电磁兼容试验要求》[8]和GB/T 11684—2003《核仪器电磁环境条件与试验方法》[9]，其试验项目也存在缺失和不能完全适用的情况，如没有发射试验和高频频带试验的相关要求。

因此，应尽快完善我国在核电厂电磁兼容要求和试验等方面的法规、标准。

（2）提高电磁兼容试验的要求

要加强设备鉴定中电磁兼容试验的要求，提高敏感设备的电磁兼容能力和试验等级。当前，新建的核电机组尽管在设计时已经考虑了1 GHz以上的EMC试验，但除AP1000机组采用MIL-STD-461E标准达到了10 GHz外，大多数的试验项目是根据IEC 61000系列进行的，辐射发射试验和辐射敏感性试验通常只做到了6 GHz，即将面临出现6 GHz室内电磁环境的情况。

因此，应根据目前或未来的实际环境条件，对设备的电磁兼容测试项目进行阶段性评估，确认其频率范围可以包络现场的实际工作环境。若有相应的升级或改造，应合理选择无线通信基站、手持设备、天线类设备的发射功率。如若不能满足，或后续相应的升级或改造引起了电磁环境的变化，应对现场重要敏感设备进行补充测试，并严格禁止高频率设备进入电磁敏感区域。

（3）优化屏蔽设计措施

尽管高速微处理器与无线通信等新技术的发展，导致了更高频率信号的产生，但与低频信号相比，此类信号的传输距离短，穿透性差。因此更容易在机柜设计中采用屏蔽设计等方式抑制自身的射频能量外泄，同时防止外界电磁对本设备的影响。常见的屏蔽方法包括但不限于合理的接地、静电屏蔽、滤波技术、电磁屏蔽涂层、良好的封装设计等。

（4）对无线通信装置的安全使用距离进行评估

当降低无线通信设备的发射功率或相关措施后仍无法满足房间内敏感设备的抗扰度试验要求时，可根据IEC 61000-4-3附录中的计算公式估算设备的安全保护距离：

式中：——场强值；

——常数，在远场自由空间传播时等于7；

——功率值；

——到天线的距离。

针对固定的无线基站或工作站而言，可根据设备鉴定试验时采用的场强值和设备的实际功率值，计算出此类装置的安全使用距离。此处，以某核电厂的WiFi工作站为例，若WiFi发射器的功率为500 mW（或27 dBm），其鉴定试验根据10 V/m的场强进行，则该发射器距离敏感设备间的最小直线距离为：

因此，在满足高频电磁兼容试验的相关要求后，还应对照现场设备的实际布置和图纸进行核实，确认此类固定设备的安装位置满足最小安全距离。

由于手持设备随身携带，无固定的安装方式，通常会近距离接触到敏感的数字化设备，因此这类设备会比固定式的基站或工作站有着更严格的要求。表6根据IEC61000-4-3中的要求，给出了蜂窝移动通信系统（GSM）和无绳蜂窝电信系统（DECT）的试验等级和其对应的移动设备到敏感设备间的最小直线距离。

针对GSM而言，目前市场上大多数手机发出的功率最大值为 33 dBm，约为 2 W。4G 手机的发射功率被协议限制在23 dBM，约为0.2 W。5G手机在Sub6G频段下的最大发射功率为26 dBm，约为0.4 W；毫米波目前还没有明确的定义，但由于在同等条件下，传播损耗更大，因此需要提高发射功率进行弥补，届时可能会超出表6的覆盖范围。

表6 手持设备试验等级和相应保护距离的实例

最后，针对安全重要的仪控设备，无论是手持设备还是无线基站，应在以上的计算基础上留出安全裕量。

5 小结

本文对核电厂数字化设备电磁兼容试验的相关项目和要求进行了梳理，对其中高于1 GHz电磁兼容项目的试验方法和当前存在的安全风险进行了分析。

当前，对于根据IEC 61000系列标准进行EMC相关试验的国内机组而言，即将面临出现6 GHz室内电磁环境的情况。对于遵守美军标MIL-STD-461E的核电厂如AP1000机组，目前还不需要考虑这些问题，但如果5G网络中的FR2（24.25～52.6 GHz）频段放开，也应严格规定这类设备（尤其是手持设备）的使用。

相关部门应尽快完善我国在核电厂数字化设备方面电磁兼容防护的法规和标准体系；设计方可参考本文2.2和4（2）节中的内容，提高电磁兼容试验的要求，进行相关补充测试，以覆盖现场实际电磁环境；由于高频率信号的衰减更快，因此制造方也可以在无法避免的情况下合理采用屏蔽设计等方式；此外，在满足高频电磁兼容试验的相关要求后，营运方还应参考4（4）节中的内容，根据鉴定时采用的场强值和功率值计算出无线通信装置的安全使用距离，并对现场的实际布置进行规定。

［1］ U.S. Nuclear regulatory commission. Regulatory guide 1.180 guidelines for evaluating electromagnetic and radio- frequency interference in safety-related instrumentation and control systems［S］．Washington，DC.：U.S.NRC，2003.

［2］ U.S. Military standard. MIL-STD-461E requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment［S］．USA：Department of Defense Interface Standard，1999.

［3］ International Electrotechnical Commission. IEC 61000-6-4 Generic standards—Emission standard for industrial environments［S］．Geneva，Switzerland：IEC，2019.

［4］ International Electrotechnical Commission. IEC 61000-4-3 Testing and measurement techniques—Radiated，radio- frequency，electromagnetic field immunity test［S］．Geneva，Switzerland：IEC，2020.

［5］ 徐庆越，卢龙军，焦龙. 核岛无线通信系统及电磁兼容性试验［J］．仪器仪表用户，2020，27（10）：64-66.

［6］ 国家核安全局. HAF102 核动力厂设计安全规定［S］．北京：国家核安全局，2016.

［7］ 国家核安全局. HAF102/14 核电厂安全有关仪表和控制系统［S］．北京：国家核安全局，1988.

［8］ 国家能源局. NB/T 20218核电厂安全重要仪表和控制设备电磁兼容试验要求［S］．北京：国家能源局，2013.

［9］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 11684核仪器电磁环境条件与试验方法［S］．北京：中国标准出版社，2003.

Research on Electro-magnetic Compatibility Application of 5G and Wireless Communication Technologies in Nuclear Power Plants

LIU Jingbin1，QIAO Ning1，GUO Yinhui2，YANG Jingyuan1,*，DING Chao1

（1. Nuclear and Radiation Safety Center. Beijing 100082，China；2. China Satellite Communications Co.，Ltd. Beijing100190，China）

Due to the development of computer and cyber technology，the operating frequency of mobile phones and wireless communication devices has become higher and higher，it has fully entered our production and life. While this type of technology brings us convenience，it also brings us the defects of digital equipment in nuclear power plants. This article sorts out and analyzes the relevant items and requirements of the electro-magnetic compatibility test of the digital equipment of the nuclear power plant.Domestic nuclear power plants such as the early M310 and previous units did not consider electro-magnetic compatibility tests above 1 GHz. Newly built nuclear power plants such as Hua long No. 1 and other third-generation units began to consider high-frequency bands，but related tests only achieved 6 GHz. In addition，the use of mobile phones and wireless devices in nuclear power sites is not strict，which greatly increases the complexity of the electro-magnetic environment of nuclear power plants，exposing sensitive digital equipment to high-frequency electromagnetic environments. The relevant qualification tests and measures carried out before the factory test may not be able to cover the actual environment of the current site，and additional measures such as supplementary qualification，shielding methods and distance limitation are required.

Digital equipment qualification；Electro-magnetic compatibility；Wireless communication

TL48

A

0258-0918（2021）05-1067-08

2021-02-08

刘景宾（1988—），男，北京人，工程师，硕士，现从事核设施仪控系统安全审评方面研究

杨静远，E-mail：yangjingyuan@chinansc.cn