第3期 2021年3月
Journal of CAEIT
Vol. 16 No. 3 Mar. 2021
doi ： 10.3969/j. issn. 1673-5692.2021.03.013
无线通信系统在核电厂中的应用及工程实践
丁 云，龙振海，邵拓
(中核能源科技有限公司，北京100193 )
摘要：在核电厂中应用先进的无线通信技术，可以使核电厂的建设和运行更为高效和便捷。本文
通过介绍无线通信系统在核电厂通信中的重要性，以及在现有核电厂中的应用类型和发展现状，对 比分析了几种常用的无线通信技术方案，确定了无线高保真（Wi-Fi)技术在现阶段核电厂无线通 信系统中的应用优势。研究成果以全球首座高温气冷堆示范工程的无线通信系统为例，阐述了该 系统的设计原则、设计要求、系统功能和技术要求。并根据工程应用的实践经验和无线通信技术的 发展现状，提出了未来核电厂无线通信系统的发展方向。
关键词：无线通信；核电厂；无线高保真；高温气冷堆
中图分类号:TN92 文献标志码：A 文章编号：1673-5692(2021)03-29(M)7
Application and Engineering Practice of Wireless Communication
System in Nuclear Power Plant
DING Yun, LONG Zhen-hai, SHAO Tuo
(Chinergy Co. , Ltd. , Beijing 100193, China)
Abstract ： The application of advanced wireless communication technology in nuclear power plant makes the construction and operation of nuclear power plant more efficient and convenient. This paper
introduces the importance of wireless communication system in nuclear power plant communication, as well as the application types and development status in existing nuclear power plants. Through the comparative study of several common wireless communication technology schemes, the application advantages of wireless fidelity ( Wi-Fi) technology in the current nuclear power plant wireless communication system are determined. Taking the wireless communication system of the worlds first high temperature gas cooled reac- tor demonstration project as an example, the design principles, design requirements, system functions and technical requirements of the system are described. According to the practical experience of engineering application and the development status of wireless communication technology, the future development direction of wireless communication system in nuc lear power plant is proposed.
Key words ： wireless communication ； nuclear power plant ； Wi-Fi ； high temperature gas cooled reactor
〇引言
近年来随着互联网及无线通信技术的飞速发 展，移动信息传输、移动语音、移动视频、移动支付等 无线通信功能和业务的开展给人们带来了无数的便
利，使沟通更为高效快捷。核电厂作为一种对安全
性和可靠性要求极高的场所，其通信系统的设置是 保障核电厂在正常运行和应急工况时信息传递的关 键。由于核电厂核岛建筑体的屏蔽效果非常强，因 此手机等移动通信设备在核岛内是无法接收到公用 网络的外部信号的。对于核岛内不断移动的员工而
收稿日期:202丨4)2-24
修订日期:202丨
4)3>05
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言，单靠传统的固定语音通信已经严重影响到实际 工作效率，只有内部专用的无线通信才能真正保证 员工之间的即时通信，同时也具备不受使用者所处 位置限制的优点。无线通信系统与有线通信系统配 合，用于呼叫寻人和发布应急相关的重要信息等，弥 补了固定语音通信在移动性方面的不足。既强了通 信手段的冗余性，又大大提高了核电厂各岗位人员 之间沟通的有效性和高效性。无线通信系统是保障 核电厂安全运行和应急响应能够顺利实施的关键因 素之一，它的应用对核电厂的建设、调试、运行、维 护、管理、巡检及事故应急处理有着重要意义。
1核电厂中应用的主要无线通信技术
随着无线通信技术的发展，核电厂中应用的无 线通信技术也经历了一个变迁的过程，主要包括以 下几项。
1.1低功率移动电话系统技术
中低功率移动电话系统（Personal Handy-phone System, PHS)采用微蜂窝技术，通过微蜂窝实 现无线覆盖，其频率利用率非常高。系统手机具有 超低辐射、低功耗、待机时间长、话音通话质量高等 优点，但是覆盖范围较小，信号折射和穿透能力 差、损耗大，衍射和电波绕射能力差，且与其他网络 运营商兼容性差。PHS使用的频段是1900 M Hz ~ I92〇MHz，该频段已让位于中国的第三代移动通信 TD-SCDM，因此该技术已不再采用。
1.2寻呼机技术
寻呼机（BP机）是一种具有接收和传送简易文 字信息功能的无线通信工具。它从发射的寻呼 信号和干扰中选择出所需接收的有用信号，恢复成 原来寻呼本机的基带信号，并产生音响和显示数字 消息。这种技术曾经为大众所熟知，但随着手机的 出现，传呼业务已退出历史的舞台，该技术也已被 淘汰。
reactor technology
1.3无线集技术
无线集技术采用多信道的工作方式，是一种 集中控制和管理多个信道并实现动态分配的通信方 式。它具有共享资源、高效廉价的优点，但是其发射 功率一般是数十瓦，对仪控系统设备有较强的电磁 干扰，并不适合在核岛和常规岛等重要建筑物内使用，目前主要应用在核电厂室外区域。
1.4多载波无线信息本地环路技术
多载波无线信息本地环路（Multi-Carrier Wireless Information Local Loop,McWiLL)技术是在大规 模商用窄带SCDMA技术的基础上，由国内自主研 发的宽带无线接人技术。该技术采用分布式架构，解决了宽带无线数据通信基础上的窄带语音通信，能够提供高效语音、集对讲和宽带数据接人业务，可以满足核电行业专网用户的语音调度和数据传输 要求。但是McWiLL技术也存在自身的局限性，如：没有无线电管理委员会（以下简称“无委会”）授权 许可、不能与国际接轨、终端产品单一，且发射功率 一般是数十瓦，语音通信的电磁干扰比较严重，限制 了其在核岛内的使用[1]。
1.5无线高保真技术
无线高保真（Wireless Fidelity,Wi-Fi)技术，也 称为无线宽带，是一种短程无线传输技术[2]。它可 以将个人电脑、手机等终端以无线方式互相连接，即在无线路由器有效电波覆盖范围内都可以采用WiFi连接
方式进行联网。该技术是基于 IEEE 802. 11协议的无线通信技术，使用的频段在频率资源上不 受限制。它的优点是传输速率高且发射功率小，采 用Wi-F i技术的天线发射功率以及手持设备功率均 可以调到100 mW以下，电磁干扰小，适合在一些对 电磁干扰要求严格的场所使用。Wi-F i的语音通信 功能是通过对语音信号进行数字化压缩处理后转换 为数据包在网络上进行传输，然后在接收端将这些 语音数据包解压处理后，还原成原来的语音信号的 方式来实现的。当然Wi-F i技术也有局限性，如单 支无线路由器（AP)覆盖面积有限、信号的高速移动 性能不佳等。但总的来说还是比较适合在核电厂的 核岛和常规岛等重要建筑物内使用。
L6长期演进技术
长期演进（Long Term Evolution，LTE)是网络制 式的一种，是由第三代合作伙伴计划（3GPP)组织制 定的通用移动通信系统（UMTS)技术标准的长期演 进，于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立 项并启动。LTE技术是3G与4G技术之间的一个 过渡，是加强版的3G技术[3]。随着这项技术的不 断升级演进，后续版本已成为了真正的4G技术。根据3GPP组织的规则，无线分为4类，分别是
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宏、微、皮和飞，分别适用于不同 规模的用户。LTE技术具有传输速率较高、发射功 率小、高速移动性能佳等优点，但是在在频率资源上 存在限制，需要向无委会申请，付费使用。
2无线通信系统在核电厂中的发展 现状
2.1发展现状概述
随着我国核电厂现代化、智能化的发展，大部分 核电厂均已采用了无线通信系统，包含M310(第二 代升级堆型）、EPR、AP1000、“华龙一号”（第三代堆 型）和高温气冷堆（第四代堆型），同时部分已建成 的二代堆型的核电厂正在进行增设。具体应用现状 如表1所7K。
由表1可知,BP机与PHS技术已退出历史的舞 台，无线集技术也比较少用且仅设置在核岛外。目前采用比较多的技术是McWiLL、Wi-F i和LTE技术。
2.2技术特性对比
对目前核电厂中采用较多的三种无线通信技术 McWiLI,、W i-Fi和LTE的特性对比如表2所示。
表1国内核电厂采用无线通信技术现状表核电厂名称堆型采用技术网络建设情况秦山核电厂CNP300未采用—
大亚湾核电厂M310BP 机/LTE淘汰/增建秦山二期核电厂CNP600Wi-Fi投运
秦山三期核电厂CANDU Wi-Fi投运岭澳核电厂M310LTE增建
田湾核电厂VVER/M310
无线集
(核岛外)/Wi-Fi
投运/增建方家山核电厂M310PHS淘汰
红沿河核电厂M310McWiLL投运
三门核电厂API 000Wi-Fi投运
福清5号机组华龙一号未采用拟建
海阳核电厂API 000Wi-Fi投运
台山核电厂EPR Wi-Fi投运
阳江核电厂M310McWiLL投运
宁德核电厂M310McWiLL投运
防城港核电厂华龙一号Wi-Fi在建
昌江核电厂华龙一号未采用拟建
石岛湾核电厂HTR-PM Wi-Fi在建
表2三种无线通信技术特性对比表
技术特性McWiLL Wi-Fi LTE
1.4 GHz( 1447 MHz ~ 1467 M Hz),
工作频段1. 8 GHz( 1805 MHz ~ 1875 MHz ) 2. 4 GHz ,5 GHz 1.8 GHz(l 785 MHz 〜1805 MHz)、
2. 35 GHz
数据传输速率15. 36 Mbps上行 50 Mbps，下行 300 Mbps上行 50 Mbps，下行100 Mbps
是否频率管制是否是
最大发射功率30 W(核岛外）
10 mW(核岛内）
手机2 W(核岛外通话）
手机10 mW(核岛内仅支持短信）
500 mW(核岛外）
100 mW(核岛内）
手机100 mW(核岛内）
宏：l〇w以上（一般40W)
微:500 mW〜10 W
皮：l〇〇mW~500 mW
飞：100 mW以下
宏：1km~3 km
单最大 4 km (核岛外）500 m(核岛外）微:200 m 覆盖范围50 m(核岛内）100 m(核岛内）皮:50 m
飞:20 m 漫游切换无缝切换无缝切换无缝切换
干扰抑制增强型零陷技术
扩频技术
射频干扰智能控管OFDM(正交频分复用技术）大大降 低子载波之间的干扰；
ICIC(小区间干扰协调）
移动性120 km/h50 km/h350 km/h
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续表2
技术特性Mc-W iLL Wi-Fi LTE
安全性加密算法+多重保护机制访问控制+加密+防火墙（防病毒和无
线人侵监测）
用户身份与设备标识的机密性+
实体认证+用户数据与信令数据的
机密性与完整性保护
产业链1家国内W i-Fi联盟的厂家数量超过300家国际通用
功能语音（核岛外）、数据、图像、实时视频语音、数据、图像、实时视频、支持RFII)
(射频识别）、ZigBee(紫蜂协议）和BLE
(蓝牙）物联网业务扩展
语音、数据、图像、实时视频、支持
NB0-I()T( The Internet of Things)窄
带物联网，尚无直接支持Zigbee和
BLE等其他物联网模块的L T E
由于核岛内设置了大量电气、控制、仪表类设 备，因此在无线通信系统功能完善的基础上，电磁干 扰问题和信息安全问题是该系统技术方案选择的 重点。
通过技术特性对比，三种技术均通过加密等多 种方式，可以满足相关信息安全标准的要求。M c- WiLL技术传输速率较低，受频率管制，产业链单一 造成选择范围小，功能上通过限制措施核岛内不支 持语音通话，有比较明显的不足。
与LTE相比，Wi-Fi具有两个优点：1)Wi-Fi属 于不受频率管制可免费使用的开放频段，具有一定 经济优势;2)在核岛内最大发射功率受限的前提下，可以覆盖更大的面积，对其他设备的电磁干扰较 小。虽然Wi-Fi在高速移动性上不占优势，但在核 电厂内人员主要以步行为主，车辆限速30 km/h，完 全满足使用需求。因此基于Wi-Fi技术的无线通信 系统更加适合核电厂141。
3无线通信系统的工程实践
3. 1工程简介
高温气冷堆示范工程（HTR-PM)位于山东省威 海市荣成石岛湾，是全球首座高温气冷方式多堆芯 带一台发电机的堆型，也是我国自主研发的世界首 台具备第四代核能系统安全特性的商用核电机组。HTR-P
M核岛厂房的通信系统设计中，参照了《核电 厂通信设计规范》NB/T 20263—2014，共设置了 12 个通信子系统，其中就包括了无线通信系统，该系统 采用了 Wi-Fi技术[5]。
3.2设计原则
(1)系统先进性
无线通信系统在核电厂的应用是核电发展的趋势。考虑到系统将来在整个华能石岛湾核电基地的 使用，无线通信系统应具有高带宽，覆盖范围广 且低射频功率输出，高清晰度的语音通信，高清图像 传输，系统主机应具有扩容的冗余度或扩容接口，具 备使用共享核心设备硬件的技术条件。
(2) 系统互通性
无线通信系统在满足无线通信功能的同时，还 应支持与外部固定话机之间的语音通信。这一性能 的实现是通过中继连接的方式将行政电话主机与无 线通信系统主机之间联通的。在HTR-PM核岛技 术支持中心设置带图形界面的触摸屏调度台，作为 无线通信系统的显示及操作平台。
(3)设备可靠性
无线通信系统所使用的设备必须是成熟、可靠 和稳定的设备。系统的核心设备应采取冗余措施，以保证系统高可靠性运行。
(4) 系统安全性
无线通信系统必须基于一个专用网络进行布 置，同时还应具有传输加密和分组功能，保证整个系 统传输信号的可靠性和安全性。所有的无线通信信 号应是数字加密的、以保证无线传输时的通信安全，并防止被非法监听。无线通信系统信息安全应满足 国家发展和改革委员会令第14号《电力监控系统安全 防护规定》、国能安全〔2015〕36号《电力监控系统安全 防护规定》及《信息安全技术网络安全等级保护基本要 求》GB/T22239—2019的相关规定及要求|6]。
(5) 电磁兼容性
电磁兼容性（EMC)包括电磁干扰（E M I)和电 磁耐受性（EM S)两部分。由于核电厂核岛内设置 了大量核安全级设备，针对其中的仪控类敏感设备 需考虑无线通信系统对其的干扰，因此无线通信系 统EMI性能是关注的重点。这一性能主要是通过 射频干扰（RFI)测试来保证的，此测试通常要求在 设备出厂前和安装后分两步进行。使选用的无线通
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信系统设备满足现场设备电磁兼容性的要求，以确 保其的覆盖范围内的所有设备能够安全、可靠的运 行。此外，无线通信系统设备也要具备一定的EMS 性能，能承受来自核电厂内其他电子设备的电磁干
扰。核电厂无线通信系统所选用设备的电磁兼容性 指标应符合《电磁兼容通用标准工业环境中的发射》GB/T丨7799.4—2〇12[7]、《电磁兼容试验和测量 技术射频电磁场辐射抗扰度试验》GB/T 17626. 3— 2〇16的相关要求[8]。
3.3设计要求
3.3.1系统覆盖区域
HTR-PM的无线通信系统，其信号覆盖了石岛 湾核电厂生产区内核岛、常规岛、各BOP(Balance of Plant)子项建筑物内需要人员频繁调试、运行、检 修、巡检的所有区域，还包括核电厂控制区单围栏内 室外道路。
3.3.2覆盖区域分级
HTR-PM工程无线通信系统不同厂房或区域分 为三个等级覆盖。
一级区域主要指核岛内与核安全有关的仪控电 敏感设备密集区域或核辐照强度高的红区。此区域 由于对电磁干扰水平要求严格或平时禁止进入，暂 不进行信号覆盖，完成系统通信线路路由器的 预留工作，待用户根据以后实际测试及使用需求情 况自行决定是否进行覆盖使用。在信号覆盖前通过 管理手段，禁止手持终端携带人该区域。
二级区域主要指平时限制进入的核辐照强度较 高的橙区房间或仪控电设备相对敏感房间。此区域应 满足在安装调试和停堆检修阶段频繁使用无线信号的 要求。当反应堆正常运行时，应能远程或就地关闭该 区域内的电源，禁止手持终端携带人该区域。
三级区域指核电厂无线信号覆盖范围内除一 区、二区外的其他区域，能够满足调试、运行、检修、巡检或办公的各种应用需求。
表3无线通信系统区域分级覆盖表。在不同级 别区域中，打对勾为允许使用，打叉为禁止使用，短 横线为无此项选择。在特殊房间内，仪控系统有电 磁兼容性要求。
3.3.3系统功能
HTR-PM工程无线通信系统能满足以下五种主 要功能。
(1)系统管理功能
1)用户业务信息管理：对用户可以使用的业务进行管理和控制，包括业务的登记、变更、存储，并根
据这些业务信息对用户所使用的业务进行控制。
表3无线通信系统区域分级覆盖表（U JA厂房局部)
使用要求
房间编码
禁止限制使用（二级）允许电磁兼容
使用安装正常停堆使用要求
(一级）调试运行检修(三级）
1UJA95 111————V—
1UJA95 103—V X V——
1UJA95 106————V—
1UJA95 107————V IEC
1UJA95 114————V—
1UJA00 107V—————
2) 用户及终端认证和等级管理：用户接入网络 时对用户的合法性、终端的合法性进行认证，并根据
用户等级启动相应的业务提供策略，如优先级、带宽
上下限等[9]。
3) 移动性管理以及切换功能：通过对终端位置 和状态的管理，使得终端不管处于覆盖区域的任何
位置，都可以享有系统所提供的业务[K)]〇
4) 的管理功能：实现对的配置管理、故障管理等设备管理功能。
5)网管功能：采用B/S架构，通过IE浏览器即可 实现对设备和的管理，不需要配置专门的客户端。
(2) 多媒体集调度功能
系统的多媒体集调度功能是通过带图形界面
的触摸屏调度台实现的，有以下具体功能：
1) 调度功能：能够实现呼叫、强插、、代接、实时监听、禁话、转接、对讲、夜服、热线、组呼、会议、
广播通知等。
2) 业务功能：短信、拨号呼叫、来电接听、多线 路切换、振铃组、轮询组、语音信箱、公共会议室、自
动转接、手动转接等。
3) 管理功能：系统管理、分组管理、帐号管理、权限管理、热线管理、终端状态显示、通话录音、系统
日志管理等。
(3) 人员定位功能
系统能快速对系统内的手持终端、其他手持设
备或者专用的定位卡进行定位，从而达到对人员定
位的功能。定位的精确度至少以房间为单位。系统
同时具备区域监视、追踪、历史记录、限制区域告警
等功能["]。
(4) 电话录音功能
系统具有单个、单组或全局的通话事件记录功
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