5G、Wi-Fi6新型无线通信技术在智慧核电应用下的仪控设备电磁干扰防护研究

喻 春 王成宇 周 进

（重庆信息通信研究院，重庆 401336）

0 研究背景

从2010 年起，为在核电站打造1 套集语音、数据、短信和定位等多种功能于一体的有成熟应用和部署的无线通信系统，国内外开展了蓝牙、Zigbee、Wi-Fi、LTE 以及spreadspectrum（展频）等无线技术在核电站的应用研究，包括核电站的网络环境安全、电磁环境兼容、无线系统的设计和部署等。目前，国外常用的核电通信技术包括模拟集群技术、数字集群技术、寻呼技术以及最热门的基于802.11 系列协议通信技术，提供以语音通信为主、以短消息、小数据包为辅的业务应用[1]，基本满足核电厂对通信、办公等方面的基本需求；而国内核电厂采用的无线通信技术主要包括Wi-Fi、无线集群、McWiLL 和LTE 等，已建设的核电厂无线通信系统大部分实现了语音通信，但是数据通信及各类智能应用尚未实现规模化部署[2]。随着我国5G 战略的稳步推进，新一代信息通信技术与人工智能、大数据、云计算在核电领域的深度融合，是实现核电生产方式、服务、管理、装备、产品等方面的智能化改造，全面提升核电厂生产的高效性和安全性的重要举措之一。

5G、Wi-Fi6 等最新无线通信技术具有高速率、低时延和大容量等特性，能够满足核电站更多智能化应用场景需求，考虑到核电站设备的电磁兼容性要求较高，结合相关电磁兼容测试标准和核电行业标准，在核电工厂环境下通过信号发生器产生5G、Wi-Fi 6 等新型无线电信号开展核电设备电磁干扰测试。对核电设备发射不同调制方式、带宽、距离等条件的干扰信号，进一步研究5G、Wi-Fi6 等最新无线通信技术应用对核电机组控制设备产生的电磁干扰及设备干扰防护要求。

1 核电电磁兼容性相关标准

目前，核电电磁兼容性标准中比较权威的是美国采用的EPRI TR-102323《电厂设备电磁干扰试验导则》、RG1.180《安全相关仪表和控制应用研究 系统电磁和射频干扰评估导则》以及国际标准IEC 62003-2020《核电厂仪表、控制和电力系统电磁兼容性试验要求》[3]。

其中EPRI TR-102323《电厂设备电磁干扰试验导则》对核电厂设备的敏感性测试（Susceptibility Tests）给出了测试方法推荐，要求满足IEC 61000 系列测试标准，在10 kHz~40 GHz 频段采用IEC 61000-4-3《电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验》[4]的测试方法；IEC 62003—2020《核电厂仪表、控制和电力系统电磁兼容性试验要求》规定核电站的仪表控制设备及电气设备，射频辐射抗扰度试验应符合IEC 61000-4-3 中第3 级的要求，试验场强为10 V/m，试验频率上限要达到6GHz。

以上标准均推荐核电设备电磁干扰测试采用IEC 61000-4-3 标准，在该标准中，规定发射信号使用1kHz80%幅度调制的正弦波，由于测试使用的发射信号类别较为单一，测试结果具有一定的局限性，因此需要进一步使用5G、Wi-Fi6信号进行实测。综上所述，该文采用IEC 61000-4-3 的测试方法，在规定测试信号为1kHz80%幅度调制的正弦波的基础上，增加5G、Wi-Fi6 信号作为测试信号，再进行电磁干扰测试。

2 测试方法研究

在核电工厂环境下，核电仪控设备受到的电磁干扰来自2 个方面，一是周围其他核电仪控设备运行所产生的干扰，二是5G、Wi-Fi6 等无线通信信号对其所产生的干扰。该文主要研究5G、Wi-Fi6 等无线通信信号在不同调制方式（如256QAM/OFDM）、不同信号带宽、不同功率、距离等因素对核电仪控设备所产生的电磁干扰，同时采用1kHz 调制深度为80%的调幅正弦波从80 MHz~8 GHz 频率步进为1%的频点扫频信号干扰测试进行对比。

核电工厂环境中的5G、Wi-Fi6 信号主要来自基站和终端，在厂区室内环境条件下，基站采用Medium Range Base Station or Local Area Base Station 两种方式的小基站，Wi-Fi6则采用无线AP。根据3GPP TS 38.104标准对小基站的功率定义以及中国运营商室内5G 网络现状，小基站Medium Range Base Station 发射功率为33 dBm，Local Area Base Station 发射功率为24 dBm。Medium Range Base Station 到终端UE 的最小耦合损耗为53 dB， Local Area Base Station 到终端UE 的最小耦合损耗为45dB。Wi-Fi6 无线AP 的最大发射功率为20dBm，考虑到无线AP 安装位置能覆盖更广区域，其离核电仪控设备距离较远，发射信号功率经过无线传播损耗，到达仪控设备的信号已经非常小。

因此综合分析，得出5G、Wi-Fi6 的基站或无线AP 的发射功率在仪控设备处的信号功率一般在-20 dBm 以下。由于其安装位置相对固定，相较于可移动靠近核电仪控设备的用户终端（发射功率一般为26dBm）所产生的电磁干扰影响可忽略不计。

该文主要研究移动用户终端靠近核电仪控设备对此产生的电磁干扰和干扰防护要求，由于移动用户终端不是一直以满负荷发射功率的工作状态，要实现满负荷工作发射功率的极端条件比较困难，因此采用矢量信号源发射5G 和Wi-Fi6信号对核电仪控设备进行电磁干扰代替移动用户终端所产生的极端电磁干扰条件。

5G NR、802.11 ax（Wi-Fi6）无线信号的由矢量信号源N5172B 产生，能够自由配置不同调制方式、不同带宽等信号参数，发射信号见表1。不同功率、不同距离测试条件根据核电工厂实际环境以及不同距离下所达到标准要求的10 V/m场强，需要根据功率、距离、场强间在自由空间的相互关系进行推导，然后用场强仪在被测设备周围进行监测验证，如公式（1）所示。

式中：E为电场强度，V/m；P为发射天线口处功率，W；R为发射天线至被测核电设备距离，m；自由空间波阻抗为377Ω。

根据标准IEC 61000-4-3《电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验》、IEC 61000-6-2《电磁兼容 通用标准 工业环境中的抗扰度试验》测试方法要求，进行1 kHz 80%幅度调制的正弦波扫频干扰测试。IEC 61000-6-2 标准规定工业环境下的辐射抗扰度等级最高为10 V/m，按照0.5 m 的测试距离进行分析，在干扰信号天线口面端的功率为约为30 dBm（即1 W）。同时针对Wi-Fi6 无线AP、5G 手机终端的信号干扰分别进行抗干扰测试，按照中国工业和信息化部无线电管理局发布的工信部无【2021】129 号文规定，天线增益小于10dBi 的无线AP 设备发射等效全向辐射功率（EIRP）不超过20 dBm。5G 手机终端发射功率根据3GPP TS 38.521-1 标准规定Class 3 功率为23 dBm，Class 2 功率为26 dBm，本次测试验证中采用高功率的极限情况，即5G 手机终端信号发射的功率为26 dBm。按照表1 所示的参数，使用信号源分别发射信号。

表1 信号源发射的信号参数

按照图1 测试场景搭建好测试系统，测试步骤如下。

图1 测试框图

第一步：将发射天线高度与被测设备高度保持水平，发射天线与被测设备距离0.5 m。

第二步：使用信号源发射干扰信号，测试频率为规定发射频段的中心频率，测试时间1 min，观察受干扰设备的工作状态，并记录有异常情况发生时的设备工作状态和接收功率。

第三步：如被测设备在最大辐射功率下干扰发生时，调整信号功率分别以3dBm 的步进降低信号发射功率（步进可根据现场实际情况进行调整，以保证阈值的精确度），并重复第二步的测试，直至找出干扰阈值。

第四步：改变发射天线与被测设备的距离（0.5m、1m、1.5m…..3m）和不同方位角度（0°、45°、90°…315°），重复步骤1~3，完成不同距离和方位的电磁干扰测试。

3 测试结果

本次验证共测试了39 个设备，有4 个设备受到了不同程度的干扰，设备类型分别为继电器柜、振动检测机柜、ABB电导率表、转速控制机柜。其中5G 与Wi-Fi6 信号对转速控制机柜产生了干扰，另外根据IEC 61000-4-3 标准规定的1 kHz 调制深度为80%的正弦波单载波信号对这4 个设备均产生了干扰。转速控制机柜在频率为100 MHz~7GHz 时均受到干扰，继电器柜、振动检测柜、ABB 电导率表3 个设备在整个测试频率范围的部分频段受到干扰。

试验数据表明，在测试要求相同的情况下，不同设备的抗干扰能力相差很远，其中转速控制柜干扰现象较为明显，扫频干扰表现为全频段的电磁干扰并且干扰数值远低于测试要求标准的10 V/m，由此也可以看出该设备对无线电信号及其敏感。

4 测试结果分析

基于本次测试的结果，对核电仪控设备的受电磁干扰程度进行分析：1）对80 MHz~8 GHz 整个频段进行调制深度为80%的1 kHz 调幅正弦波，频率步进为1%的频点扫频干扰测试，测试距离为0.5m，测试方位为0°、45°…315°。测试有干扰的4 个设备中，继电器柜、振动检测机柜、ABB 电导率表3 个设备所受干扰场强阈值为3 V/m~10 V/m，干扰天线口面处发射功率为18 dBm~29 dBm，将干扰发射天线移至1m 及以上距离，未出现干扰。转速控制柜的全频段出现干扰，干扰场强阈值为1 V/m~8 V/m，干扰天线口面发射功率为10 dBm~27 dBm。

采用带数字调制的5G NR 和Wi-Fi6 无线干扰信号测试时，测试距离为0.5 m，测试方位为0°、45°…315°，NR 信号采用band 41/71 频率，调制方式为QPSK/64QAM，信号带宽为20 MHz 与100 MHz。Wi-Fi6 信号调制方式为256QAM，信号带宽为80 MHz 进行干扰测试。测试干扰阈值场强介于1 V/m~3 V/m，干扰天线发射口面处功率为13 dBm~18 dBm。干扰测试结果见表2。

表2 为转速控制柜射频干扰（RFI）测试结果

从测试结果表明，测试受干扰设备的干扰阈值均在标准规定的10 V/m 限值条件以下，即抗电磁干扰能力低于标准限值要求。继电器柜、振动检测机柜、ABB 电导率表3 个设备受窄带宽信号干扰，但未受到5G NR 与Wi-Fi6 等数字调制宽带信号干扰，因此在相同发射功率和受干扰场强的情况下，窄带宽的1 kHz 正弦波调幅信号与宽带的数字调制信号相比对核电仪控设备产生电磁干扰的可能性更大。2）针对该测试有干扰的4 个核电仪控设备，继电器柜、振动检测机柜、ABB 电导率表3 个设备的干扰阈值场强3 V/m ~10 V/m与标准规定的10 V/m 场强接近。在实验室环境通过射频电磁场抗扰度试验后，在核电工厂工业环境下，由于受现场环境的影响，因此对设备抗干扰能力的要求更高。转速控制柜对无线电信号的干扰比较明显，大部分受干扰的频率场强均在3 V/m 左右，因此该设备属于比较敏感的设备。

根据标准TR-102323 附录N，在设备的干扰阈值场强下，须考虑8 dB 的裕量作为设备的抗干扰场强门限，因此需要增加保护距离。本次测试距离在0.5 m 处，通过公式（1）计算，测试干扰阈值场强增加8dB 裕量后，则电磁干扰保护距离为1.3 m。

根据标准IEC 61000-4-3 的干扰场强门限值10 V/m 的要求，由于受干扰设备的阈值场强均低于该要求，即相对标准来说易受干扰，需要增加相应的保护距离以满足10 V/m 的阈值场强要求。通过试验结果可知，继电器柜类设备的保护距离须设为1.7 m，振动检测机柜类设备的保护距离须设为0.9 m，ABB 电导率表类设备的保护距离须设为0.7 m。由于转速控制机柜类设备属于敏感设备，对5G NR 与Wi-Fi6 这类数字调制宽带信号以及窄带正弦波调制信号应综合考虑，为其设置干扰保护距离为4.2 m。

5 电磁干扰防护要求

在核电站环境中，信息化程度越来越高，电磁波作为传递信息的主要传输介质，导致核电站的电磁环境愈加复杂，设备间的电磁兼容要求随之越来越高，根据上述测试结论，建议采取以下几种方式规避风险：1）对敏感设备设置隔离保护栅栏并设置禁止通信设备靠近警示标志。2）对极其敏感设备设置屏蔽罩、隔离保护栅栏，并设置禁止通信设备靠近的标志，屏蔽罩如需要通气口，尽量用小圆孔，避免用长条形通气孔。3）核电站设备采购时应让供货方提供设备电磁抗干扰测试报告。4）对核电站系统设备内部有发射情况时，使信号线远离电流干扰源。5）在敏感设备各端口增加滤波电路，阻止已耦合到端口上噪声进入设备内。

6 结论

该文通过开展核电设备电磁干扰测试，了解了5G、Wi-Fi6 等新型无线电信号对核电控制机组设施设备干扰情况，确定了核电控制机组设施设备中的敏感设备，明确敏感设备的敏感频段及干扰阈值。针对本次测试验证受5G/Wi-Fi6信号干扰的转速控制柜设备，其受干扰的场强阈值最小为1.7V/m，低于标准要求。为了能使其不受到新型无线电信号的干扰，增加相应的保护距离，根据最小干扰场强阈值计算得出保护距离为2.1m。考虑实际使用的极端情况下，5G、Wi-Fi6 等新型无线电信号信号终端设备距离核电机组设备0.1m，则其终端的发射功率应限制在10mW。在核电工厂房环境下开展的电磁抗干扰验证测试，部分设备不能承受10V/m 场强，为了保障设备使用安全，建议核电厂在建设无线通信系统前对核电机组设备进行全面的电磁兼容测试，以确定各类设备的电磁抗干扰强度。结合本次测试验证的结果提出敏感设备电磁干扰防护要求，对5G、Wi-Fi6等新型无线电技术在核电站大规模应用中的电磁干扰防护有参考价值。