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Summary:本文通过分析核电站通讯的特殊需求,介绍核电站无线通讯的网络交换分层、系统结构以及测试标准,阐述无线通讯系统的施工要点,总结核电站使用无线通讯系统作为首要通讯手段的必要性和重要性。
关键字:核电站;无线通讯
前言
核电站主要由核岛、常规岛、BOP厂区等区域组成,核岛又分安全壳厂房、辅助厂房、附属厂房、核废料厂房、柴油机厂房等,厂房众多。核电站生产运行时作业流程复杂,人员设备分布区域广,这给建安、调试、运行期间工作配合的及时性提出了更高的要求。
大部分常规火电使用有线通讯系统作为电厂运行调度的主要通讯手段,无线对讲机作为通信调度的一种辅助手段进行使用。无线对讲机的缺点是覆盖范围有限,同一时刻只能进行单向通信,也不能接打电话,限制了使用的便利性。
核电站核岛由于核安全特殊要求,大量使用特殊钢筋混凝土或钢制模块结构,较多区域网络信号被屏蔽,导致普通移动手机终端无法使用。虽然厂房内部有线通话系统的安装可在一定程度上缓解上述问题,但由于电话终端位置固定同时数量有限,不能很好地适应核电站调试和运行期间的通讯需求。因此一套满足核安全高标准要求的无线通讯系统就显得尤为重要。考虑生产运行方便,某核电站使用无线通信系统作为生产管理人员、一线工作人员及调度人员之间的首要通讯手段。
无线通讯系统简介
无线电话和寻呼系统信号系统利用超微蜂窝、微蜂窝、WIFI等低功率小面积覆盖基站技术进行通讯,其信号可以无盲点完全覆盖整个核电厂,包括核岛、常规岛、BOP等所有区域。携带便携式无线手持终端的工作人员可以在核电站任何位置进行拨打和接听电话。同时通过接入核电站PABX和EPABX系统,无线手持终端不仅可以呼叫/接收厂内电话,还可以和厂外公共电话网络进行通讯。
无线通讯系统模型
在核电站无线通讯系统中,网络交换机依据功能和性能的不同,分为三层:接入层、汇聚层、核心层。
接入层允许无线手持终端连接到网络,接入层的交换机具有低成本和高端口密度特性,核电站每台机组设置若干台接入交换机,用于连接全厂无线基站(单岛)。
汇聚层是多台接入层交换机的汇聚点,它处理来自接入层设备的所有通信量,并提供到核心层的上行链路,汇聚层交换机需要更高的性能,更少的接口和更高的交换速率。
核心层的主要目的在于通过高速转发通信,提供优化、可靠的骨干传输结构,因此核心层交换机拥有更高的可靠性和吞吐量。
无线通讯系统构成
无线电话和寻呼系统由主控单元(MCU)、汇聚交换机、接入交换机、无线手持终端、无线基站、天线以及其它必需设备构成。
MCU
无线终端
定位应用服务器
IP调度服务器通信服务器
(查找并接通被打号码)
语音质量服务器
(处理手机信号,提高语音质量)
接入交换机
(联接各无线基站)
汇聚交换机
(汇聚接入交换机转发的信号)
无线手持机
(接入无线网络)
无线基站
(收发手持机信号)
录音服务器
(侦听记录语音信息)
无线集中控制单元
(管理基站并处理信号)
数字语音中继
(外线接入)

主控单元(MCU)
主控单元(MCU)是整个无线通讯系统的核心节点,系统所有服务器以及核心交换机都安装在MCU机柜内。MCU包含IP调度服务器、录音服务器、定位服务器、核心交换机、无线网络控制器、语音网关、SVP、光配线箱等。主控单元(MCU)可以呼叫和搜寻到被呼叫的基站,选择最合适的基站(路径)传输并将信号广播到被叫手持终端最近的基站上。为了应对后续通讯任务的增加,主控单元具备扩容功能。
汇聚交换机
汇聚交换机负责连接部分MCU设备和现场接入交换机,上联核心交换机,下联接入交换机,核电站每台机组分别至少配置一台汇聚交换机,连接分布在各处的接入交换机,汇聚交换机通过光缆与核心交换机和接入交换机相连。
会聚交换机安装在耐辐照防护箱内,防护箱内安装有电源模块和接线空开、端子。每台汇聚交换机可连接若干台接入交换机,有足够端口具备扩容能力。
接入交换机
接入交换机上联汇聚交换机,下联无线基站,是距离用户最近的网络设备。接入交换机的工作情况将直接影响无线基站工作,从而影响无线网络的覆
盖。接入交换机通过光缆与汇聚交换机相连,通过网线与无线基站相连。为连接MCU设备区域的无线基站,在MCU机柜里面放置了接入交换机,更多的接入交换机布置在厂房的各个区域。
基本上,核岛、常规岛和BOP厂房的每一层都会放置一台接入交换机。部分厂房楼层如果无线基站较少则在本层不放置接入交换机,无线基站连接到其它楼层的接入交换机上。如果有些区域的无线基站数目超过接入交换机端口数,超出的无线基站连接到其它无线基站较少楼层的接入交换机上。
无线基站及天线
无线基站安装遍布核电站厂房,无论是构筑物外部还是内部,为全厂区域提供连续可靠的服务。无线基站是在无线通讯系统中与用户接触最近的无线设备,基站的作用是收集用户数据流,将其传输到控制器,再转发到目的地。在核电站中,无线基站有分室内型和室外型两种,两者的硬件结构、安装方式和运行状态均有所差异。
大部分室内型无线基站与接入交换机间采用网线通讯,但对于部分距离较远的室内型基站,同室外型基站一样采用光缆通讯,经过光电转换与接入交换机相连。
鉴于核电站运行人员在通话中可能从一个区域移动到另一个区域,因此无线基站在布置时要考虑信号重叠覆盖实现信号无缝漫游,以免通话中断或衰减。无线通讯系统提供分布式动态信号覆盖,当手持机从一个基站的信号覆盖区域移至另一个区域时,电话信号可进行无缝切换。核电站内所有通话都进行
数字加密的,无线AP使用专用FIPS加密模块,具备防窃听功能。在超负荷区域,可布置多个基站来防止过载,一旦发现死区或者超负荷区域,可以很方便地通过增加基站数量进行扩容。
无线手持机
无线手持机是无线通讯系统中的用户终端设备,用户之间通过手持机进行通话。无线手持机的麦克风及听筒均带降噪功能,在高噪音环境中可降低环境影响。
设计上,要求无线手持终端应在不更换电池或充电的情况下能保持至少120分钟持续通话。但实际上,核电站采用了连续通话可达6小时的手持机,大大提交了使用效率。电池快耗尽时,手持机可以闪光、声音、震动的方式及时提醒用户充电或更换电池。
无线手持终端同时提供了无线耳麦、抗噪耳麦、气衣耳麦,可分别用于核电站运行后的不同区域,如控制室可使用无线耳麦,现场嘈杂区域采用抗噪耳麦,气衣耳麦是与辐射防护衣配套使用的特定版本,可与核电站个人防护装备如呼吸器进行配套使用。
供电要求
主控单元和无线基站使用核电站非1E级EDS系统供电,该系统配备有UPS电源,工作电压为单相220VAC。当核电站发生失电事故时,UPS电源的蓄电池可提供120分钟的稳定的持续电源。
由于系统设备分布范围较广,离不间断电源比较远或者现场环境比较复杂的设备无法从UPS电源供电,要现场取电。具体如下:MCU设备、汇聚交换机和接入交换采用不间断电源集中供电,光接入无线基站采用非1E级EDS系统集中供电或现场取电,电接口无线基站采PoE技术不需要单独供电。
无线通讯系统施工要点
考虑运输安全,MCU机柜与柜内服务器、交换机等分开包装运输。到现场后将IP调度服务器、录音服务器、定位服务器、核心交换机、无线网络控制器、语音网关、光纤配线架和语音质量服务器等安装在两个MCU机柜中,按厂家图纸完成内部接线。在安放相关设备时,设备间留有一定孔隙,以便散热。
汇聚交换机、接入交换机、无线AP均安装在对应的耐辐照防护箱内。先将C型钢支架固定在墙体上,将防护箱置于安装点,调整好垂直与水平距离,再使用六角螺栓和弹簧螺母将防护箱固定在C型钢上。
在距离防护箱15-20CM位置将天线支架固定在C型钢支架上,将卡接垫片固定在天线下部适当区域,并用抱箍穿过插孔固定天线。在固定好防护箱、无线AP及天线之后,将外接天线的馈线通过防护箱下部的出线孔连线到箱内无线AP的FIPS模块上。
现场施工时使用六类网线连接现场接入交换机和无线基站,使用光缆连接核心网络交换机和汇聚网络交换机以及汇聚网络交换机和接入交换机,除此之外,部分距离较远的无线基站和接入交换机之间也使用光缆相连。
测试标准
某核电站无线通讯系统相关设备均通过中国军标GBJ151A-97、GBJ152A-97电磁兼容测试,不会对核电站仪控系统、数字/微处理器、保护装置等设备的正常运行造成干扰。由于该核电站是中国引进美国的三代核电技术,、EPRIReportTR-102323和美国军用标准DODMIL-STD-461E实验标准。
结束语
核电站无线通讯系统克服了民用电厂无线通讯方式的缺点,同时满足了核电站核安全的高标准要求。目前该套系统已经在国内某核电站投入使用,取得了较好的效果,提高了工作效率。该系统还可以对核电站内人员进行实时跟踪监测和定位,随时清楚掌握每个人员在厂房内的位置及活动轨迹。如果发生灾变,还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息,为事故抢险提供科学依据。
[1]李钦钦,男,1988年2月出生,江苏南通人,东南大学本科学历,学士学位,中级职称,主要从事核电站工程项目管理工作。
[2]梁德学,男,1969年11出生,辽宁大连人,东北电力大学本科学历,高级工程师职称,主要从事核电站工程项目管理工作。
参考文献:
[1],Revision1,“GuidelinesforEvaluatingElectromagneticandRadio-FrequencyInterfaceinSafety-