漳州核电1、2号机组智慧核电室内无线通信系统研究

摘  要：对核电站建设期间屏蔽区网络需求进行分析，结合施工现场的照明线路设计一种融合电力载波PLC+无线Wi-Fi技术的无线通信系统。文中阐述了无线通信系统的物理层设计、网络层设计、应用层设计，此外介绍了物理层的硬件设备、网络层的线路布设、应用层的软件功能。11项压力测试结果表明，系统完全符合设计要求，可以为室内施工通信联络、视频监控、质量计划消点和安全隐患排查等工作提供坚实的网络基础，以信息技术、数字技术赋能产业精细化管理。

关键词：核电工程；PLC电力载波；无线通信；智慧核电

中图分类号：TN929.5；TM73 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）13-0112-05

Research on Indoor Wireless Communication System for Intelligent Nuclear Power of Zhangzhou Nuclear Power Unit 1 and 2

WANG Cong

（China Nuclear Industry 24 Construction Co.， Ltd.， Zhangzhou  363309， China）

Abstract： Analyze the network requirements of the shielding area during the construction of nuclear power plants， and design a wireless communication system that integrates power carrier PLC and wireless Wi-Fi technology with the lighting lines at the construction site. This paper elaborates on the physical layer design， network layer design， and application layer design of wireless communication systems. In addition， it introduces the hardware devices of the physical layer， the circuit layout of the network layer， and the software functions of the application layer. The results of 11 stress tests indicate that the system fully meets the design requirements and can provide a solid network foundation for indoor construction communication， video monitoring， quality plan elimination， and safety hazard investigation. Information technology and digital technology empower industrial refined management.

Keywords： nuclear power engineering; PLC power carrier; wireless communication; smart nuclear power

0  引  言

我國自主研发的“华龙一号”全面贯彻“纵深防御”的设计原则，为了达到更高的安全性，在研发之初就决定采用双层安全壳设计，内外安全壳厚度分别达到了1.3 m和1.8 m，满足国际上对核电站的最高安全要求。如何在双层安全壳屏蔽的封闭作业区内获取通信讯号，是本次研究课题的根本目的。电力线载波通信和无线通信都已发展成熟，其中，电力线载波通信为有线通信技术，以电力线作为信号传输介质，受配网结构、负荷大小、干扰和噪声等因素影响较大；而无线通信技术受环境因素影响较大。两种通信方式各有优劣，将两者融合在一起，可优化组网结构，达到综合两者所长、补充两者所短的效果，提高通信的可靠性。

对于电力载波通信技术，国外很多国家较早就开始了该项研究，尤其是瑞士、美国、韩国、德国等国家，对于该技术的研究较为成熟，世界上很多国家都制定了电力载波通信技术适用范围的相关标准，也有很多国家相继研发、生产自己的电力载波芯片。相比于西方研究起步较早的国家，我国关于电力载波通信技术的研究起步较晚，但其发展速度是十分迅速的。尤其在国电中心关于ISP业务的申请得到了中国信息产业部的正式批准后，我国关于电力载波通信技术的研究取得了飞速的发展，电力线数据的传输、电力线的高速上网等技术逐渐得到了实现。本系统利用信息化技术手段解决核电站建设期间核岛内无优质网络通信的难题，通过采用“电力载波PLC+无线Wi-Fi”技术，利用施工现场的照明线路搭建良好的网络环境，实现核岛厂房内部的无线网络覆盖，为核电站建设期间提供稳定可靠的通信条件，服务于各类线上业务工作，逐步加快信息化、工业化融合脚步，稳步推进产业智能化管理进程。

1  室内无线通信系统设计

本系统分别就物理层的硬件设备、网络层的链路传输及应用层的软件功能进行开发设计，系统总体架构图如图1所示。

1.1  物理层设计

电力载波技术利用电线传送高频信号，把载有信息的高频信号加载于电流上，实现与施工现场的照明网络共用电缆进行供电和数据传输的功能，通过设备间的各种联动方式将其整合成一个有机的整体，使之成为一套整体的、全方位的智慧工程室内无线通信系统。本系统设备主要由主机、交换机、主端电力适配器、从端电力适配器、EMI滤波器、微基站、智能空开、UPS等组成：

1）主机：具有地图管理、设备部署等功能，同时可根据用户的需求开展传感器接入、业务报表等功能的二次开发，主要用于管理网络中微基站设备，重点负责数据汇集、协议转换、中继汇接和分组处理等业务，实现全局的统一管理和集中的射频、接入和安全策略设置，包括用户认证、移动性管理、业务数据分发等功能。

2）接入交换机：16口千兆交换机，用于连接电力适配器，负责对基站数据的汇总和传输。

3）汇聚交换机：用于连接服务器和接入交换机，负责对接入层数据进行汇聚、传输和转发。核岛内部各楼层的层汇聚交换机放置在每层的照明配电箱旁。接入交换机至汇聚交换机线路较长且有380 V高压电，为减少外部因素干扰，采用光纤进行接入交换机与汇聚交换机的传输。

4）主端电力适配器：电力适配器用于将网络信号调制到二芯电线上，是一种可以利用现有的电线来替代网络布线的设备。电力适配器细分为主端电力适配器和从端电力适配器。主端电力适配器主要用于管理和协调从端电力适配器设备，分时处理多个从端组网的场景，继而避免从端之间的信号冲突，同时对接上联的以太网交换机，将从端电力适配器数据信息进行汇总和转发。主端和从端使用同一型号WD-G1001M-PoE，支持千兆口，且带-48 V POE供电口。WD-G1001M-PoE适用于直流电、交流单相和交流三相四线供电系统，通过供电通信一体化端口设计，无需另外配置电源，直接使用现场的电力线即可通信。

5）从端电力适配器：主要起到与主端电力适配器配合使用的作用，同时配有POE接口，可支持配接微基站设备，为其提供供电和网络传输接口，将下游微基站传来的以太网信号转换为电力载波信号，按照主端电力适配器的调度指挥来发送信号。由于电源网络中存在电灯等其他有源设备，因此不适合直接将电力适配器以串接的方式接入到电源网络中，否则当电力适配器出现故障时，会导致下联的电灯无法正常工作。所以需要将电源网络的线路进行一分二处理，并进行相应的阻抗匹配，实现电力适配器并联接入电源网络的目的，避免电力载波信号不匹配导致的信号反射和过度衰减的问题。

6）EMI滤波器：由于照明电源网络上的开关电源等有源设备在工作或启动关闭过程中会产生电磁干扰脉冲，这些干扰脉冲会影响电力载波设备的工作状态，导致丢包、误码率升高的问题，严重时将会导致电力载波设备无法正常工作，因此需要在电源网络的前端增加EMI滤波器设备来抑制干扰脉冲。另外，相邻电源网络上的电力载波信号之间会产生同频干扰，EMI滤波器也可对同频信号进行抑制隔离，从而减少同频信号的互相干扰。

7）微基站：用于Wi-Fi信号的覆盖，同时具备与从端电力适配器的配接接口，实现将Wi-Fi信号转换为以太网信号的功能。其中Wi-Fi信号的带宽能力大于电力载波传输能力，并且具备一定的区域定位能力。按照核岛内无线信号覆盖约1/4房间，人员从房间内步行短距离至走廊可连接无线信号的原则布置微基站。另外为保证无线信号的安全高于一般的Wi-Fi的信号，利用国密认证等技术手段，采用相应的无线网络接入安全措施，实现现场安全的无线信号覆盖和定位服务。

8）智能空开：为了方便电路电源监管，各个机柜增加4G智能空开设备。后台可以实时查看各个地方电源状态，实现远程控制。智能空开安装于各交换机处，用于提升Wi-Fi覆盖系统的智能化管理水平。可以实时监控设备供电情况，实现远程控制，提高管理响应效率。

9）UPS：为保证主机柜设备的运行稳定性，加装UPS不间断电源管理系统（设计蓄电池能供电时间2小时）。同时每个楼层汇聚交换机的电箱设计为双电源供电模式，其一为二级电箱取電过UPS后到电箱电源双电路自动切换开关的主供电输入端，其二在各楼层取一路临时电接入电源自动切换开关的备用电输入端。

1.2  网络层设计

本系统采用“电力载波PLC+Wi-Fi”技术，利用施工现场的照明线路实现核岛厂房内部的无线网络覆盖，组网示意图如图2所示。

1）光纤、电缆接头的制作采用统一施工工艺，达到整齐美观的效果。光纤、电缆在机柜内排列整齐，层次清楚；光纤、电缆牌标识清楚，有光纤、电缆规格、起点、终点及电缆标号。光纤熔接完毕后，在使用前利用光功设备进行测通，电源电缆在设备通电前利用万用表测量每芯对地电压，电缆在敷设完毕后利用无码测试仪进行通道环回测试，网线在敷设完毕后利用网络测试仪测试接头接触性能。

2）进行路线勘察，确保顺利敷设电缆。敷设前，确保电缆无机械损伤，电缆芯线间及芯线与屏蔽层绝缘符合要求，电缆盘完好。电缆的弯曲半径符合施工规范的要求，使用整条电缆，在电缆沟内排放整齐并固定，并在电缆沟内采用防火包及防火堵料来提高防火性能。

3）支持共用两芯AC220V交流供电传输组网，组网设备不少于6台，传输距离不小于300 m，总线物理带宽不小于100 Mbit/s。

4）组网中的主端电力适配器设备与从端电力适配器设备支持自动发现并注册连接，不受电源掉电的影响，无需人员进行额外配对设置。

5）支持不同的信道划分，从而降低同一电路网络内多个电力载波网络之间的干扰。

6）微基站支持宽带Wi-Fi和物联网的无线接入能力，防护等级不低于IP65。

7）EMI滤波器严格按照要求安装并检查接地良好。

8）拉大各载波网络之间的距离，尤其是EMI滤波器本身及后端的线缆和设备，经测试间距大于10 m对性能无影响。

1.3  应用层设计

配套管理软件具有网络管理、终端用户管理、业务管理、无线与安全管理。其中网络管理包含：ACL管理、QoS管理、BIMS智能分支管理、IPSec VPN管理、MPLS VPN管理、NPD网络性能分析与诊断；终端用户管理包含：EIA终端智能接入、EAD终端准入控制、EMO终端移动办公、TRM可信介质管理、UBA用户行为审计、iNode智能客户端、EPS鹰视组件；业务管理包含：NTA网络流量分析、APM应用管理、BSM业务服务管理、SHM服务健康管理、VCM虚拟连接管理、ITSM业务服务管理、iAR智能分析报表；无线与安全管理包含：WSM无线业务管理、频谱分析、WIPS无线安全管理、无线质量评估、无线故障定位、SSM安全业务管理。

同时配置用户认证功能，支持Web认证、用户名/密码认证、IP/MAC/IP-MAC 绑定认证方式，实现应用控制，有应用特征识别库，及时对无关应用进行封堵，防私接，形成流量、行为分析报表；具备网页过滤功能，有URL库特征库的识别与控制，可以自动过滤恶意网址，记录访问的网页，记录外发信息；配置带宽管理，可以进行用户、应用流量分析，带宽保障、限制本地cache；具有安全防护功能：七元组防火墙策略、AV病毒防护、IPS入侵检测、Web安全防护、弱口令扫描、DOS及Flood攻击防护，做到事前识别，事中管控，事后溯源的全流程防护。

1.4  优化测试

项目实施过程中，依据建设情况从设备、软件到线路等方面进行优化改造。

电力载波设备选型：将两款电力载波进行效果对比，经测试WD-G1001M-PoE型号电力载波带宽压力平均值为52.3 MB/s，PD1480型号电力载波带宽压力平均值为23.6 MB/s，故选用WD-G1001M-PoE型号电力载波。

网管软件管控和网络情况跟踪：为实现对用户网络使用情况的实时管控和跟踪，特此部署网络管理软件，AP和Client通过DHCP服务器获取IP地址，iMC同时作为Portal认证服务器和Portal Web服务器、RADIUS服务器和MAC绑定服务器。网管软件的投用，使得设备的管理颗粒度深入至安装位置、MAC编码、IP地址和应用时间等维度，为后续的管理工作提供直观便捷的功能。

线路优化改造：核岛Wi-Fi用电来自照明线路，属于临电范围，且接入点为各个区域的三级电箱，供电不稳定。而质量计划线上业务、安全隐患线上业务及智慧工地相关的Wi-Fi摄像头等均需要稳定可靠的Wi-Fi信号。为便于工程管理业务开展，保证电源稳定可靠，取电方式由三级配电柜改为二级配电柜；对于供电稳定度较差的点位，进行UPS专线供电。

AP频率分割：核岛Wi-Fi根据使用场景不同分为互联网和物联网两个网络，分别命名为RS和MAC，通过SSID划分VLAN。物联网（MAC）主要服务于无线摄像头和智能安全帽等智能设备，经测试当进行AP点位切换时候，部分智能设备存在无法断网重连、漫游失败等问题。经调研发现核岛内Wi-Fi的无线AP同时存在2.4 GHz和5.8 GHz两个频段，在相同距离下2.4 GHz信号频率低，在空气或障碍物中传播衰减小，传播距离更远，接收信号较好；5.8 GHz信号频率较高，但信号传播距离短，遇障碍物传播衰减大，短距离传输，5.8 GHz速度更快，双频段共存影响设备接入稳定性。此外AP无法实现低质量网络自动断开功能。针对不同频率的影响，通过对AP进行频率分割，单独设立单频段的网络进行测试工作，含且不仅包含摄像头、手机和智能安全帽等设备的接入测试。此外对现有AP进行优化设置，实现对于低速率、低质量点位自动断线处理功能。

根据测试区域范围及测试内容要求，针对现场部署的终端设备，利用Wi-Fi系统的管理工具，测试终端设备在网络承载网的运行情况并进行记录。为实现测试内容需求，选用了如表1所示的三种工具。11项网络压力测试结果如表2所示。

2  室内无线通信系统应用

结合核岛施工特点和智慧工地业务需求，统筹考虑经济性、合理性和时效性，将智能化、信息化渗透至日常管理中，持续挖掘应用场景。

视频监控：核电现场施工环境较为复杂，针对核岛内外不同的建设条件分为核岛外及核岛内监控建设。通过本系统一线两用的设计原理，减少了施工区域的线缆敷设，根据现场需求及核岛Wi-Fi部署条件，逐个区域部署视频监控，主要采用挂壁式安装，摄像头类别如下：

1）球机：适合＞10 m视距以上，可转动。

2）半球：适合5～10 m视距，可转动。

3）枪机：适合通道，不可转动。

依托于本系统的投用，通过关键厂房内部区域监控安装投用，加强对关键区域（例如主管道区域）的视频监控，减少安全管理的视觉盲点，特别针对高风险、特种作业和夜间施工等情况有良好的补盲作用，保障安全文明施工，提升安全管理能力，将智慧工地项目深入至文明施工的日常管理中。监控界面如图3所示。

移动APP：核电现场的安全管理需满足及时性的要求，管理人员需要在不同的场景下获取现场施工信息，节假日及夜间是核电现场安全管理较为薄弱的时间节点。基于本系统提供的网络信号，助力移动APP安全隐患排查功能将现场实时情况传送到手机端，实现信息化应用的移动办公、外部或异地的无差别办公，推进移动通信设备在工程建设过程中的广泛使用，极大程度上提升安全生產监管水平。质量计划消点功能的应用打破时间、空间的限制，进一步提升工程建设的质量及效率。

3  结  论

智慧核电室内无线通信系统，通过宽带Wi-Fi+电力载波共缆传输的方案承载业务需求，利用施工现场的照明电源供电线路实现厂房的无线网络覆盖，为室内施工通信联络、视频监控、质量计划消点和安全隐患排查等工作，提供安全便捷的网络环境；互联网网络资源为各参建单位开启共享，助力“华龙一号”工程建设，为智慧工地的推进夯实环境条件；建设过程中资料形成完整档案，以供其他核电项目借鉴采纳。

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作者简介：王聪（1997—），女，汉族，山东东平人，助理工程师，本科，研究方向：核电建设。

收稿日期：2023-02-08