無線技術在核電廠的應用研究

徐博雅（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

隨著無線技術標準越來越普遍和成熟，電力研究協會（EPRI）在21世紀開始探索無線技術在核工業的潛在用途。在美國進行了無線傳感器在核電站的應用與部署演示，得到了很高的評價，無線傳感器的應用不但滿足了核電廠設施的監控能力要求，也可以大幅地節省操作和維護成本。這些測試證明：無線技術可以成為全球核電站儀控技術的一個極具吸引力的替代品，其最重要的影響因素是節約安裝和維護成本。在核電站的環境中新增電纜可能是現有設施升級中所涉及到的最大成本之一，無線技術可以經濟地部署大量無線傳感器，提高工廠的運營效率，這些傳感器獲得數據后，可以更深入地了解被監測區域的狀況[1]。

國際原子能機構于2015～2017年啟動了一個關于無線技術在核反應堆中應用的研究項目。該項目涉及5個關鍵領域：①相關規范、標準和法律法規；②與核有關應用無線通信技術的概念；③當前的方法、經驗和教訓；④潛在的應用場景；⑤新興無線技術。該項目的總體目標是開發和演示先進的無線通信技術，應用于核電廠儀控系統中的信號傳輸和故障診斷，以替代現有有線解決方案。

表1 工業應用無線技術Table 1 Wireless technology for industrial application

1 核電廠無線技術應用需求

有線與無線網絡技術集成實現異構的工業測控網絡是測控網絡的新發展趨勢，無線網絡技術能輕易地覆蓋有線網絡不能覆蓋的地方[2]。工業現場通常有種類豐富的檢測儀表和執行機構，例如壓力變送器、流量計、溫度變送器和液位計等，現場儀表通常采用有線的方式連接控制系統實現數據的傳送。隨著技術發展，無線網絡接入方式逐漸發展起來，逐漸成為工業通信領域研究的熱點。

傳統的監測系統要么是離線監測，要么是基于有線的設計。然而，有線存在很多不可避免的缺點，主要體現在：

1）維護困難，新增或替換傳感器需要重新部署電纜，消耗大量人力物力資源。

2）安裝困難，很多受空間或環境限制的位置，很難部署傳統有線傳感器。

3）傳統儀控系統多采用單一通信鏈路，一個鏈路上存在多個節點，如變送器、電纜、端子等；每個節點都存在故障隱患，對故障的診斷也存在很多不確定性。

4）大量傳感器的安裝往往受到電纜重量和費用的限制，當電纜敷設數量達到一個規模后，其成本和難度的增加是災難性的。

無線通信技術的發展，為上述問題的解決提供了一種新型、低成本的先進解決方案。無線檢測已經在工業上應用多年，通過工程應用表明，無線檢測存在以下優點：

a）節約成本，搭建方便：有別于傳統有線儀表的物理通信鏈路，采用無線則可以節省大部分的電纜敷設工作，并且信號采用網絡傳送數據，減少儀控系統IO采集模塊等的使用數量，從而縮減核電廠的投資。

b）擴展性好，容易增加節點。對于傳統儀表來說，增加監測點就需要增加電纜，電纜敷設過程中可能對原有線路造成破壞，而對于無線通信檢測便不會出現此問題。

c）現場設備通道在線檢役工作也是核電廠在役期間的一項很重要的工作，用于確定過程監測儀表的穩定性和準確性；無線儀表可以在遠程進行故障診斷，減輕相關維護人員工作強度，提供工作安全性。

d）組網靈活，可實現移動實時巡檢。只要在無線信號有效的通訊范圍內的所有設備，即可以實現實時在線查詢，并根據終端所處位置的不同，實時更新設備狀態信息，從而可利用簡單的終端，實現核電廠內的區域導航及設備巡檢。

核電廠設備狀態參數檢測一直是生產操作和控制的重要依據，但核電廠現場環境復雜、信號干擾和屏蔽極其嚴重，測點分布廣、數量多、距離遠，在進行現場儀表安裝檢測工作時，因為儀表安裝位置、現場環境等因素對工作效率和安全性產生很大影響。無線通訊系統無需復雜的電纜敷設工作，只需要針對現場建筑和設備布置情況進行區域劃分和節點的布置工作，這樣大大降低了電纜敷設的壓力。

表1簡單列出了幾項已經廣泛應用于工業場景的無線技術。

2 核電廠無線應用規范和案例

目前，并沒有無線技術在核電廠應用的國內標準，可以參考IEC62988標準進行無線設備的選擇和應用。（IEC 62988 Nuclear Power Plants – Instrumentation And Control Systems Important to Safety – Selection And Use of Wireless Devices）無線技術作為一種在空氣中傳播的技術，很容易被竊聽和控制，監管機構對無線技術在核電站的應用有很多的限制。

目前，多個國家已經嘗試在核電站部署無線系統，印度在Indira Gandhi原子研究中心的鈉冷快堆上部署了用于過程監測的無線傳感器網絡，用于測試無線傳感器網絡在核設施中應用的可行性。該網絡包含多個路由器節點和熱電偶、流量傳感器、液位傳感器、振動傳感器等，每個傳感器提供了電池作為備用電源。目前這個監測網絡運行良好，該中心還部署了一個無線傳感器網絡用于鈉泄漏檢測，其部署了一個由50個鈉泄漏檢測器組成的無線檢測系統，以并行方式連接到內部的無線傳感器網絡中。該無線網絡由多個路由器節點組成，提供多鏈路的冗余通道，數據通過無線網絡傳送到主控室以顯示儀表狀態。

美國是最早在核電廠應用無線技術的國家，十多年前就在科曼奇峰核電廠部署了無線監控系統。該系統由一個冗余的光纖主干網鏈接整個工廠的無線接入點，所有的儀表和移動設備都符合IEEE802.11標準，這個網絡也用于整個工廠的有線局域網，用于數據和遠程視頻監控等?？坡娣搴穗姀S的無線應用證明：無線技術可以顯著地降低運營成本，提高可靠性。

日本開發了一種用于嚴重事故的無線機器人系統，用于在惡劣環境中評估事故的嚴重程度。傳統的有線機器人在惡劣環境下很容易發生設備故障和線纜斷開的故障，這種機器人采用有線和無線連接的混合系統，當其中一種網絡鏈路發生故障時，可以保持通訊并檢測故障進行維修。

3 核電廠無線系統的應用前景

通過分析現有核電廠運行的經驗，認為在核電廠事故后監測系統中應用無線系統是非常有必要的。在核電廠事故期間和事故后，要及時準確地獲取核電站的運行狀態信息并保證重要設備處于工作狀態。但事故發生時設備和電源可能暫時或永久損壞，這時無線技術就是另一種解決方案。無線傳感器可以用電池作為備用電源，因為沒有電纜連接，從而減少了由其它傳感器或設備造成故障的概率，同時它可以使用多個冗余的傳感器，滿足事故后監測系統的單一故障準則要求。而使用電池的無線傳感器可以被認為是獨立的，滿足電氣隔離要求，因為它與其它設備沒有連接，這樣就不會受到其它設備故障的影響。

無線傳感器可以有多種供電，如線路供電、電池供電、自發電裝置（太陽能等）。而只需對其電池或自發電裝置進行鑒定，證明其能在規定的壽期內使用。而無線傳感器可以傳輸自診斷信息，方便維護，同時在緊急時刻可以用便攜設備（如平板電腦、筆記本電腦等移動終端）進行數據收集。

4 核電廠無線技術應用挑戰

4.1 信息安全技術的影響

信息安全是對無線技術在核電廠應用的最大挑戰，而數字化儀控系統的應用也已經對核電廠的信息安全提出了新的挑戰，無線技術的應用會使這種風險進一步擴大。無線技術的應用不但要解決傳統的信息安全問題，還要解決由于無線系統的特殊性帶來的新的安全問題，如利用同頻干擾、地址沖突、環境噪聲干擾等。當占用同一頻帶的兩個不同的無線協議相互接近時就可能產生干擾，通過監測信號強度、載波感知時間和數據包發送率等參數來檢測干擾，擴頻和調頻技術已經證實可以有效地對抗干擾[3]。

4.2 無線系統的技術挑戰

無線技術作為一種新興技術在核電廠應用中還有許多問題需要解決，如射頻通信協議、網絡拓撲結構、信號傳播等。還需考慮無線技術本身遇到的獨特挑戰，如信息安全、信號覆蓋、信號干擾與共存，電源、結構影響，電磁輻射等環境。同時，無線系統如何與現有儀控系統進行集成也是急需解決的問題。目前，無線技術已經成功地在核工業實現了應用，這些應用可以為相關設計人員提供經驗和教訓，以進一步實現更多的無線應用。工業上已經有成熟的無線傳感器設備，如溫度、液位、流量、壓力等，這些傳感器如何在核設施中的極端環境下使用，還需進一步驗證。

要在核電廠應用無線技術還需要解決很多問題，如核電廠設施復雜的環境結構（鋼筋混凝土接口、大型金屬管道設備、發射端和接收端之間的信號阻隔）。在核電廠中，鋼筋混凝土墻可以超過1m厚且鋼筋密度高，這種鋼筋混凝土墻的傳輸損耗接近100dB/m，信號穿墻幾乎是不可能的。電磁波的傳播速度受多種因素影響，在核電廠進行無線基站的設計需要考慮電磁波的反射引起的無線傳播和廠房墻壁、天花板和其它設施的吸收，從而來選擇最優位置以滿足無線網絡的要求。核設施中的惡劣輻射環境（主要是伽馬輻射）會影響無線傳感器的壽命，而設施內的電離輻射水平會顯著影響信號的傳播。這些都對無線系統在核設施的應用提出了新的挑戰。

5 結束語

從模擬到數字、從有線到無線是技術發展的趨勢。無線技術已經發展和應用了多年，技術的發展使應用無線技術的系統成本和穩定性已經遠遠高于傳統儀控系統，并且無線系統強大的自我故障診斷和自我修復能力的優勢已經顯現優勢。無線儀控系統的靈活性和便維護性將大大提高電站維修效率，縮短大修時間。無線系統相對于有線系統的優勢已經展現出來，核電廠對于無線系統不應該采取全盤否定的態度。經過調研分析報告，對無線系統在核電廠的部署進行規劃，可以分為以下幾步進行：

1）非主要系統的無線監測實現，例如：廠區輻射監測，移動式計量監測系統。

2）廠區無線系統全覆蓋，搭建輔助系統，例如：場內維保輔助系統網絡搭建。

3）最終實現完整無線儀控系統的搭建工作。

對于核電廠的復雜環境，基于目前的技術水平，建議采用有線網絡搭建整個無線控制網絡節點的無線儀控系統。