模塊化UPS集中式供電改造實踐應用

首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院 于孟冬

應急電源是保障醫(yī)院安全生產(chǎn)的基礎運行設備設施，與一般企事業(yè)單位供電需求相比，醫(yī)院供電保障直接關系到患者生命安全，其應急電源系統(tǒng)的安全可靠性尤為重要。應急電源系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機組、UPS不間斷電源系統(tǒng)、EPS應急電源系統(tǒng)等設備。其中UPS既解決不間斷供電問題，又解決電能質(zhì)量問題，例如醫(yī)院計劃內(nèi)或計劃外停電導致市電斷電，或造成電壓過載、電壓和頻率諧波和閃爍等問題。計劃外斷電會威脅患者生命安全，損壞醫(yī)療設備，造成醫(yī)療事故，信息系統(tǒng)癱瘓，損害醫(yī)院的聲譽。所以要求工程建設單位、設備生產(chǎn)安裝單位、運行維保單位應協(xié)作高質(zhì)高效的保障醫(yī)院供電系統(tǒng)安全。

根據(jù)國家標準《建筑物電氣裝置 第7-710部分：特殊裝置或場所的要求 醫(yī)療場所》（GB 16895.24-2005）、《綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范》（GB 51039-2014）、《醫(yī)療建筑電氣設計規(guī)范》（JGJ 312-2013）與醫(yī)院變配電系統(tǒng)需要，“一級負荷”與“一級負荷中特別重要的負荷”應設在線式UPS不間斷電源。在實際工程項目建設中，首先是遵守電氣設計規(guī)范，其次是根據(jù)醫(yī)院應用需求，合理選配UPS規(guī)格及配置接線方式。本文以我院兩個在建醫(yī)院模塊化UPS集中式供電改造案例為例，論述了模塊化UPS集中式供電方式的優(yōu)勢及應用，以此探討應急電源系統(tǒng)的技術發(fā)展與應用前景。

1 模塊化UPS的優(yōu)勢

模塊化UPS的結(jié)構(gòu)特點是由功率模塊、靜態(tài)旁路模塊、顯示通信模塊等可熱插拔獨立標準化模塊組成，相對于傳統(tǒng)塔式UPS，模塊化UPS具有三大優(yōu)勢。

第一，模塊化冗余并聯(lián)。各模塊之間的并聯(lián)控制采用了分散式邏輯控制方式，沒有主機與從機之分，功率模塊平均分擔負載，任何一個模塊拔出或插入均不會影響其它模塊的正常工作，按需構(gòu)成N+1，N+X冗余系統(tǒng)，使設備無單點故障，增加了整機工作的可靠性。

第二，能耗管理提高運行效率。根據(jù)當前的業(yè)務需求進行配置，并且能在以后添加更多模塊。使設備長期運行在最佳工況，供電系統(tǒng)能隨需應變，讓容量隨著業(yè)務的發(fā)展而實現(xiàn)“動態(tài)成長”。既滿足了后期業(yè)務的擴展需求，又降低了用戶的初期購置成本。

第三，標準化模塊簡化運維工作。傳統(tǒng)UPS需要專業(yè)技術人員到現(xiàn)場維修，還會面臨備品備件升級或停產(chǎn)，售后服務無法保證。模塊化UPS所有模塊標準化生產(chǎn)銷售，都允許熱插拔，運維人員可以快速介入維護，直接在線更換UPS備用模塊。

2 UPS集中式供電系統(tǒng)的優(yōu)勢

醫(yī)療場所需要UPS供電的設備除具有可靠性高的要求外，普遍存在終端設備布置分散的特點，如臨床科室中手術室、急診搶救室、重癥監(jiān)護室、血液透析室、導管介入室等；醫(yī)技科室中檢驗科、超聲影像科等；信息中心管理的下級服務器交換機等，均分散布置在不同建筑物不同樓層內(nèi)。根據(jù)各場所的功能平面布置及用電負荷不同，UPS電源可以采用單臺集中設置和多臺分散設置兩種方式。分散式供電系統(tǒng)的UPS安裝在用電負荷附近為專屬設備供電，單臺容量較小，便于就近監(jiān)測和移動，設備采購和施工成本相對較低。但這種看似簡單實用的配電方式卻存在極大的安全隱患。首先，UPS不間斷電源系統(tǒng)除了電源設備主機外，還包括蓄電池組，蓄電池的選配至關重要，它不僅關系到停電后延續(xù)時間長短，而且是極易觸發(fā)燃燒爆炸的危險品，如果選配及安裝運維不當，極有可能造成重大安全事故。其次，一方面各科室以醫(yī)療設備診療治療為主，醫(yī)護人員對電源設備無法進行專業(yè)操作，如出現(xiàn)堆放雜物、人員觸碰等行為極易引發(fā)設備損壞和人員傷亡。另一方面，也不利于后勤電工人員統(tǒng)一管理監(jiān)控設備運行情況和進行日常維護保養(yǎng)工作。

基于以上分散式供電的不足之處，集中式供電系統(tǒng)優(yōu)勢顯而易見。第一，將UPS電源設備，尤其是生命周期較短和易燃爆的蓄電池，規(guī)劃設計在空間及溫度都達標的運行環(huán)境良好的專用機房內(nèi)，有利于延長設備使用壽命，由電氣專業(yè)人員定期巡視檢查，加強了統(tǒng)一管理。第二，大功率UPS在元器件性能上優(yōu)于小功率UPS，不僅功能完善，而且更加堅固耐用。第三，采用集中式大功率UPS的同時，在配電系統(tǒng)中配套雙電源進線和加裝手動維修旁路開關，可以保證UPS可靠運行和設備維修更換時的供電連續(xù)性。

3 醫(yī)院模塊化UPS集中式供電改造需求和分析

下面通過安貞醫(yī)院兩個模塊化UPS集中式供電改造項目為例進行分析。

案例1：安貞醫(yī)院信息中心UPS電源分散式改集中式供電改造項目（圖1）

圖1 安貞醫(yī)院信息中心UPS電源分散式改集中式供電改造項目示意圖

安貞醫(yī)院醫(yī)療樓南北兩側(cè)弱電豎井內(nèi)，分散配置小功率UPS（5kVA主機內(nèi)置電池或外置電池）為各樓層信息網(wǎng)絡交換機提供應急電源，共計2套×17層=34套UPS設備。因弱電豎井內(nèi)設備數(shù)量不斷增加導致井道內(nèi)溫度過高嚴重影響UPS主機散熱及蓄電池運行壽命；部分豎井空間不足甚至導致UPS被包裹在弱電線纜當中，無維護空間更無法更換超期運行的蓄電池，易發(fā)生過火災事故。為迫切排除安全隱患，合理規(guī)劃UPS電源配置，逐一排查現(xiàn)場設備運行工況后，將原豎井分散式UPS電源進行集中式供電改造。拆除34套小功率UPS設備，在信息中心UPS機房內(nèi)配置2臺大功率模塊化150kVA UPS主機及配套蓄電池，分別為南北兩側(cè)豎井信息網(wǎng)絡交換機供電，由UPS輸出配電柜先配電至低樓層、中樓層、高樓層3個二級配電箱，再配電至就近樓層終端配電箱。每臺UPS上級電源為雙路市電輸入，保障供電可靠性。信息中心UPS機房運行環(huán)境優(yōu)良，有專業(yè)人員值守并監(jiān)控，利于UPS設備及蓄電池的高效運維。

案例2：安貞院手術室UPS電源分散式改集中式供電改造項目（圖2）

圖2 安貞醫(yī)院手術室UPS電源分散式改集中式供電改造項目示意圖

安貞醫(yī)院共10間手術室，改造前在各手術室墻外隔間內(nèi)分別安裝10kVA UPS主機及配套蓄電池組，各配電箱均為雙路市電（主路總配箱出線/副路總配箱出線）進線，經(jīng)過雙電源切換裝置后向無影燈、吊塔插座等重要醫(yī)療設備負荷經(jīng)UPS供電。該接線方式為典型UPS電源分散式供電設計，優(yōu)點是雙電源進線穩(wěn)定可靠、UPS電源就近于負荷供電范圍清晰；但現(xiàn)場隔間狹小封閉，蓄電池甚至只能安裝在高于2米的墻壁支架上，無法保證UPS主機散熱空間和蓄電池巡檢，存在極大安全隱患，同時手術室凈化區(qū)域?qū)﹄娎|敷設施工及非醫(yī)護人員日常巡檢維護都有很大局限。

綜合分析負荷性質(zhì)、施工可行性、運維需求，將手術室UPS電源分散式改集中式供電改造，在手術室同樓層獨立房間內(nèi)配置集中式大功率模塊化100kVA UPS主機及配套蓄電池，UPS電源由市電主路、副路經(jīng)電源切換裝置直接為總配箱供電，拆除原分散小功率UPS主機及配套蓄電池并用端子可靠短接。改造后不僅保證了手術室雙電源可靠供電，而且UPS設備運行環(huán)境良好，更方便了運維人員日常巡檢維護設備，為手術室順利完成醫(yī)療手術提供高質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定的電源保障。

醫(yī)院用電負荷大、級別高，供電系統(tǒng)復雜。改造前的配置是每個手術隔間或豎井配置一臺5-10kVA的UPS，空間狹小，不便于操作，并且占用了手術室配電間及弱電機房的空間，影響其他設備的布置；改造后將UPS集中放置在專用機房，空間寬闊，便于專業(yè)的操作，同時釋放了手術隔間及弱電間的空間，方便以后的更新和改造。保證醫(yī)院中各種精密醫(yī)療設備及信息系統(tǒng)的可靠運行，是確保醫(yī)院救治工作正常開展的必要條件。改造前當前的設備都是單機運行，沒有冗余，如果設備故障，將直接導致系統(tǒng)癱瘓，無法提供高質(zhì)量輸出，而且也沒有合理的監(jiān)控系統(tǒng)了解到每一臺的實際狀態(tài)，即便發(fā)生問題也無法第一時間知道UPS及電池的狀態(tài)，這樣會錯失關鍵的維護時機，造成隱患擴大，甚至重大事故的可能性；改造后的模塊化方案，提供N+1甚至N+X的保護，即便一個模塊故障，也不會造成系統(tǒng)輸出異常，安全性提升50%以上，與此同時配置了專業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)，包括主機和電池的監(jiān)控，第一時間了解到整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，方便進行運維和預防性維護，消除隱患，提升安全性。

節(jié)能減排和成本控制也是醫(yī)院需要考慮的重要環(huán)節(jié)，改造前分散式的UPS的效率滿載情況下一般是90%，如果負載量低的情況下，大概是50～70%的效率，效率極低，浪費電力，要對幾十臺的分散UPS進行維保，每次維保的時間長，并且對醫(yī)院正常運行影響較大，維保成本很高；改造后的高頻機即便在低負載的情況下也能達到94%以上的效率，效率提升了30%以上，大大降低電能損耗和碳排放量。改造后只需要對3臺UPS進行維保，維保成本降低，并且UPS放在專用機房，每次維保不會影響醫(yī)院正常的運行。對于電池的性能來說，也從以前的無空調(diào)環(huán)境下的1-2年壽命，提升一倍以上到4-5年?？傮w來說，改造后的運維成本大幅度降低，安全性提高，減少了人員維護的時間，信息化程度提高。

綜上，UPS不間斷電源是供電系統(tǒng)的重要保障，本文雖主要例舉了工程實踐中模塊化UPS集中式供電改造案例的優(yōu)勢，但沒有完美的方案，不同配置各有優(yōu)缺點，目前各品牌單機設備的性能不斷優(yōu)化，產(chǎn)品最終為需求服務，要確定何種方案最佳，需要在執(zhí)行國標規(guī)范的基礎上，根據(jù)各醫(yī)院的實際用電需求合理規(guī)劃。