醫(yī)療系統(tǒng)中模塊化UPS應(yīng)用方案

鄭強(qiáng)

中達(dá)電通股份有限公司 關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)(MCIS)產(chǎn)品開發(fā)處，四川 成都 610000

0 前言

近幾年醫(yī)療系統(tǒng)的集中化管理已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，特別是數(shù)字醫(yī)療系統(tǒng)的應(yīng)用，使得醫(yī)療機(jī)構(gòu)擁有完善健全的信息數(shù)據(jù)庫(kù)，大大方便醫(yī)生診斷和病人自查、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程會(huì)診所需要的病人綜合數(shù)據(jù)調(diào)用及共享，實(shí)現(xiàn)快速有效服務(wù)，提高醫(yī)院競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)今醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，大部分設(shè)備已普遍配備不間斷電源（UPS），為其提供安全、可靠的電源保護(hù)。如潔凈手術(shù)室、ICU重癥監(jiān)護(hù)室、CCU心臟監(jiān)護(hù)室、產(chǎn)房等場(chǎng)所重要電力負(fù)荷區(qū)，對(duì)供配電系統(tǒng)提出了更高的要求。我國(guó)2002年12月1日開始實(shí)施的GB50333-2002《醫(yī)療潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》中8.3配電要求：“心臟外科手術(shù)室必須設(shè)置有隔離變壓器的功能性接地系統(tǒng)”。所以，配備具有高可靠的UPS供電系統(tǒng)，是保護(hù)該場(chǎng)所內(nèi)的大型及高、精、尖醫(yī)療設(shè)備安全、可靠正常運(yùn)行以及提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵之一。

現(xiàn)以某三甲綜合醫(yī)院，重要醫(yī)療設(shè)備總?cè)萘款A(yù)計(jì)100 kVA為例，對(duì)UPS供電系統(tǒng)的配置以及供電方案進(jìn)行比較與分析。

1 方案配置

1.1 UPS配置方案

用于醫(yī)療系統(tǒng)的臺(tái)達(dá)模塊化UPS電源配置方案,見表1。

表1 模塊化UPS電源配置方案

1.2 HIFT UPS供電方案說明

為提高供電系統(tǒng)的安全、可靠性，傳統(tǒng)供電方案是采用兩臺(tái)UPS單機(jī)并聯(lián)冗余方式運(yùn)行，雖然這在一定程度上提高了可靠性，但不便于在線維護(hù)、擴(kuò)容，同時(shí)，對(duì)設(shè)備的利用不充分、效率低、缺乏靈活性擴(kuò)充，且系統(tǒng)的冗余數(shù)僅為1。

臺(tái)達(dá)HIFT UPS采用模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)富有彈性，可實(shí)現(xiàn)模塊N+X自動(dòng)彈性組合冗余，供電系統(tǒng)擁有高可靠性。同時(shí)，客戶還可通過定購(gòu)額外的模塊來增加HIFT的備用冗余能力。HIFT UPS具有隨需擴(kuò)容的性能優(yōu)勢(shì)，可以按照現(xiàn)在的負(fù)載先進(jìn)行配置，當(dāng)負(fù)載設(shè)備增加時(shí)，直接熱插入模塊，擴(kuò)容靈活、方便，以1個(gè)20 kVA模塊為單位，最大可擴(kuò)充至480 kVA的冗余供電系統(tǒng)。

根據(jù)用戶用電設(shè)備需求，臺(tái)達(dá)提供了一種HIFT UPS供電系統(tǒng)冗余配置方案，采用HIFT 120 kVA UPS 1臺(tái)，由6個(gè)20 kVA模塊組成總功率120 kVA，模塊5+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)。根據(jù)醫(yī)療系統(tǒng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)配電系統(tǒng)的要求，UPS輸出端配置隔離變壓器，輸出側(cè)采用TN-S配電系統(tǒng)，確保供電系統(tǒng)安全可靠。供電系統(tǒng)，見圖1。

圖1 HIFT 120 kVA UPS模塊冗余供電系統(tǒng)圖

2 方案優(yōu)勢(shì)

2.1 安全可靠

2.1.1 HIFT 120 K模塊5+1并聯(lián)冗余可靠性分析

采用普通UPS單機(jī)100 kVA 1+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可靠性計(jì)算公式（1）。

式中：R(t)表示單機(jī)可靠性；RN+X(t)表示系統(tǒng)可靠性；表示并聯(lián)冗余系統(tǒng)中X+1個(gè)子系統(tǒng)故障時(shí)的組合數(shù)。如果單機(jī)可靠性為R(t)=0.99，代入式（1）得到1+1并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性為：R1+1(t)=1-[1-R(t)]2=0.9999

普通UPS單機(jī)100 kVA 1+1并聯(lián)冗余方案中，無論實(shí)際運(yùn)行負(fù)載是多少，冗余數(shù)始終都為1不變，UPS供電系統(tǒng)的可靠性始終為0.9999。

HIFT 120K UPS模塊5+1冗余方案中，當(dāng)實(shí)際負(fù)載為設(shè)計(jì)容量的60%時(shí)（實(shí)際負(fù)載：100 kVA×60%=60 kVA），實(shí)際負(fù)載占3個(gè)模塊，此時(shí)供電系統(tǒng)冗余數(shù)為3個(gè)模塊，實(shí)際運(yùn)行時(shí)是模塊3+3的并聯(lián)冗余系統(tǒng)。也就是只有4個(gè)功率模塊同時(shí)故障的時(shí)候，UPS才會(huì)轉(zhuǎn)旁路工作，在無保護(hù)的狀態(tài)下運(yùn)行。

如果單個(gè)模塊的可靠性為R(t)=0.99，代入公式（1）（其中N=3、X=3）得模塊3+3并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可靠性為：R3+3(t)={1-[1-0.99]4}10=0.9999999。

同理，當(dāng)實(shí)際負(fù)載為設(shè)計(jì)容量的30%時(shí)（實(shí)際負(fù)載 ：100kVA×30%=30kVA），HIFT 120K UPS系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)是模塊2+4并聯(lián)冗余系統(tǒng)，代入公式（1）可得可靠性為：

2.1.2 可靠性比較

不同負(fù)載的可靠性比較，見表2。

從表2可見，由1+1并聯(lián)組成冗余供電系統(tǒng)，當(dāng)單機(jī)可靠性為0.99時(shí)，并機(jī)系統(tǒng)可靠性可達(dá)到0.9999。由HIFT UPS組成的N+X冗余系統(tǒng)，當(dāng)單個(gè)模塊可靠性為0.99時(shí)，根據(jù)實(shí)際負(fù)載量的變化彈性組合成的模塊3+3冗余系統(tǒng)，可靠性為0.9999999，比單機(jī)1+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可靠性高出1000倍；模塊2+4冗余系統(tǒng)的可靠性為0.9999999997，比單機(jī)1+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可靠性高出333333倍。

表2 不同負(fù)載的可靠性比較

另外，由單機(jī)1+1并聯(lián)組成的冗余供電系統(tǒng)，當(dāng)單機(jī)可靠性為0.99時(shí)，并機(jī)系統(tǒng)可靠性達(dá)到0.9999，此值與負(fù)載量無關(guān)。也就是說，不管系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載量是多少，系統(tǒng)永遠(yuǎn)是1+1冗余，不允許兩臺(tái)同時(shí)故障，可靠性永遠(yuǎn)是0.9999。

在HIFT UPS組成的N+X冗余供電系統(tǒng)，系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載量占設(shè)備容量的大小與系統(tǒng)的可靠性息息相關(guān)，實(shí)際負(fù)載量越低，系統(tǒng)可靠性越高?？蛻艨梢酝ㄟ^在線增加功率模塊來保證系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

2.2 動(dòng)態(tài)擴(kuò)容

HIFT UPS因采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以在20～480 kVA范圍內(nèi)，以20 kVA為單位來隨時(shí)隨需在線擴(kuò)容，HIFT UPS的這種靈活性，不僅降低了UPS的初始購(gòu)置成本，更減少了配套設(shè)備（如空調(diào)）的配置與能耗支出，有效防止了基礎(chǔ)設(shè)施超前超大規(guī)模設(shè)計(jì)導(dǎo)致的不必要開支。

2.3 高效節(jié)能

傳統(tǒng)的單機(jī)1+1并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)中，采取了一次到位的投資方式，雙機(jī)并聯(lián)負(fù)載均分運(yùn)行，導(dǎo)致UPS整機(jī)效率大幅降低（實(shí)際工作中1+1并機(jī)系統(tǒng)中單機(jī)的負(fù)載率一般在30%），系統(tǒng)運(yùn)行效率低（在30%負(fù)載情況下整機(jī)效率僅為80%）。傳統(tǒng)UPS電源單機(jī)在不同負(fù)載百分比情況下的效率示意圖，見圖2。

圖2 傳統(tǒng)UPS負(fù)載與效率關(guān)系示意圖

而HIFT UPS，即使帶載只有額定容量的15%，整機(jī)效率亦超過90%；當(dāng)帶載達(dá)到27%時(shí)，效率就已高達(dá)94%。效率在百分比上的每一小步提升，能耗支出都會(huì)節(jié)省一大截。HIFT 120K UPS工作效率與負(fù)載關(guān)系的曲線圖，見圖3，供電方案能耗比較，見表3。

圖3 HIFT UPS AC-AC效率圖

表3 供電方案能耗比較

負(fù)荷容量按100 kVA計(jì)算的UPS系統(tǒng)，HIFT UPS系統(tǒng)使得整機(jī)效率提高了8%，1年可以節(jié)省電86690°。按照工業(yè)用電1.5元/度計(jì)算，可以節(jié)省電費(fèi)13萬元運(yùn)營(yíng)費(fèi)。在某些地區(qū)、城市，既使愿意多付出13萬元，也會(huì)因?yàn)槟茉垂?yīng)不足，而無法保證系統(tǒng)的正常用電（特別是在用電高峰季節(jié)），HIFT UPS具有高效節(jié)能的顯著特性。

3 結(jié)論

從上面所述可知，UPS電源系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，提高了系統(tǒng)的可用性、適應(yīng)性，并降低了總擁有成本（TCO）。模塊化系統(tǒng)可以根據(jù)醫(yī)療系統(tǒng)對(duì)供電系統(tǒng)的不同需求，做到靈活建配，降低擴(kuò)容成本及風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)對(duì)電子設(shè)備故障的隨機(jī)特性，模塊化設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的在線熱拔插更換操作，能夠做到快速修復(fù)及減少人為的錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的可用性；與傳統(tǒng)的雙機(jī)并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)相比較，不僅具有更經(jīng)濟(jì)的設(shè)備投資成本，且大大降低了能源成本。

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