醫(yī)療系統(tǒng)中模塊化UPS應用方案

鄭強

中達電通股份有限公司 關鍵基礎架構(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，特別是數(shù)字醫(yī)療系統(tǒng)的應用，使得醫(yī)療機構擁有完善健全的信息數(shù)據(jù)庫，大大方便醫(yī)生診斷和病人自查、實現(xiàn)遠程會診所需要的病人綜合數(shù)據(jù)調(diào)用及共享，實現(xiàn)快速有效服務，提高醫(yī)院競爭力。現(xiàn)今醫(yī)療機構中，大部分設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。如潔凈手術室、ICU重癥監(jiān)護室、CCU心臟監(jiān)護室、產(chǎn)房等場所重要電力負荷區(qū)，對供配電系統(tǒng)提出了更高的要求。我國2002年12月1日開始實施的GB50333-2002《醫(yī)療潔凈手術部建筑技術規(guī)范》中8.3配電要求：“心臟外科手術室必須設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)，是保護該場所內(nèi)的大型及高、精、尖醫(yī)療設備安全、可靠正常運行以及提高醫(yī)療服務質(zhì)量的關鍵之一。

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

1 方案配置

1.1 UPS配置方案

用于醫(yī)療系統(tǒng)的臺達模塊化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UPS單機并聯(lián)冗余方式運行，雖然這在一定程度上提高了可靠性，但不便于在線維護、擴容，同時，對設備的利用不充分、效率低、缺乏靈活性擴充，且系統(tǒng)的冗余數(shù)僅為1。

臺達HIFT UPS采用模塊化設計的結構富有彈性，可實現(xiàn)模塊N+X自動彈性組合冗余，供電系統(tǒng)擁有高可靠性。同時，客戶還可通過定購額外的模塊來增加HIFT的備用冗余能力。HIFT UPS具有隨需擴容的性能優(yōu)勢，可以按照現(xiàn)在的負載先進行配置，當負載設備增加時，直接熱插入模塊，擴容靈活、方便，以1個20 kVA模塊為單位，最大可擴充至480 kVA的冗余供電系統(tǒng)。

根據(jù)用戶用電設備需求，臺達提供了一種HIFT UPS供電系統(tǒng)冗余配置方案，采用HIFT 120 kVA UPS 1臺，由6個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)范標準對配電系統(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

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100 kVA 1+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可靠性計算公式（1）。

式中：R(t)表示單機可靠性；RN+X(t)表示系統(tǒng)可靠性；表示并聯(lián)冗余系統(tǒng)中X+1個子系統(tǒng)故障時的組合數(shù)。如果單機可靠性為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100 kVA 1+1并聯(lián)冗余方案中，無論實際運行負載是多少，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，當實際負載為設計容量的60%時（實際負載：100 kVA×60%=60 kVA），實際負載占3個模塊，此時供電系統(tǒng)冗余數(shù)為3個模塊，實際運行時是模塊3+3的并聯(lián)冗余系統(tǒng)。也就是只有4個功率模塊同時故障的時候，UPS才會轉(zhuǎn)旁路工作，在無保護的狀態(tài)下運行。

如果單個模塊的可靠性為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，當實際負載為設計容量的30%時（實際負載 ：100kVA×30%=30kVA），HIFT 120K UPS系統(tǒng)實際運行時是模塊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)，當單機可靠性為0.99時，并機系統(tǒng)可靠性可達到0.9999。由HIFT UPS組成的N+X冗余系統(tǒng)，當單個模塊可靠性為0.99時，根據(jù)實際負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1+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可靠性高出333333倍。

表2 不同負載的可靠性比較

另外，由單機1+1并聯(lián)組成的冗余供電系統(tǒng)，當單機可靠性為0.99時，并機系統(tǒng)可靠性達到0.9999，此值與負載量無關。也就是說，不管系統(tǒng)實際負載量是多少，系統(tǒng)永遠是1+1冗余，不允許兩臺同時故障，可靠性永遠是0.9999。

在HIFT UPS組成的N+X冗余供電系統(tǒng)，系統(tǒng)的實際負載量占設備容量的大小與系統(tǒng)的可靠性息息相關，實際負載量越低，系統(tǒng)可靠性越高。客戶可以通過在線增加功率模塊來保證系統(tǒng)安全、可靠地運行。

2.2 動態(tài)擴容

HIFT UPS因采用模塊化結構，可以在20～480 kVA范圍內(nèi)，以20 kVA為單位來隨時隨需在線擴容，HIFT UPS的這種靈活性，不僅降低了UPS的初始購置成本，更減少了配套設備（如空調(diào)）的配置與能耗支出，有效防止了基礎設施超前超大規(guī)模設計導致的不必要開支。

2.3 高效節(jié)能

傳統(tǒng)的單機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，雙機并聯(lián)負載均分運行，導致UPS整機效率大幅降低（實際工作中1+1并機系統(tǒng)中單機的負載率一般在30%），系統(tǒng)運行效率低（在30%負載情況下整機效率僅為80%）。傳統(tǒng)UPS電源單機在不同負載百分比情況下的效率示意圖，見圖2。

圖2 傳統(tǒng)UPS負載與效率關系示意圖

而HIFT UPS，即使帶載只有額定容量的15%，整機效率亦超過90%；當帶載達到27%時，效率就已高達94%。效率在百分比上的每一小步提升，能耗支出都會節(jié)省一大截。HIFT 120K UPS工作效率與負載關系的曲線圖，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

負荷容量按100 kVA計算的UPS系統(tǒng)，HIFT UPS系統(tǒng)使得整機效率提高了8%，1年可以節(jié)省電86690°。按照工業(yè)用電1.5元/度計算，可以節(jié)省電費13萬元運營費。在某些地區(qū)、城市，既使愿意多付出13萬元，也會因為能源供應不足，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 結論

從上面所述可知，UPS電源系統(tǒng)采用模塊化設計方案，提高了系統(tǒng)的可用性、適應性，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)對供電系統(tǒng)的不同需求，做到靈活建配，降低擴容成本及風險；應對電子設備故障的隨機特性，模塊化設計采用標準的在線熱拔插更換操作，能夠做到快速修復及減少人為的錯誤，提高系統(tǒng)的可用性；與傳統(tǒng)的雙機并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)相比較，不僅具有更經(jīng)濟的設備投資成本，且大大降低了能源成本。

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