模塊化UPS集中式供電改造實踐應用

首都醫科大學附屬北京安貞醫院 于孟冬

應急電源是保障醫院安全生產的基礎運行設備設施，與一般企事業單位供電需求相比，醫院供電保障直接關系到患者生命安全，其應急電源系統的安全可靠性尤為重要。應急電源系統包括柴油發電機組、UPS不間斷電源系統、EPS應急電源系統等設備。其中UPS既解決不間斷供電問題，又解決電能質量問題，例如醫院計劃內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，損壞醫療設備，造成醫療事故，信息系統癱瘓，損害醫院的聲譽。所以要求工程建設單位、設備生產安裝單位、運行維保單位應協作高質高效的保障醫院供電系統安全。

根據國家標準《建筑物電氣裝置 第7-710部分：特殊裝置或場所的要求 醫療場所》（GB 16895.24-2005）、《綜合醫院建筑設計規范》（GB 51039-2014）、《醫療建筑電氣設計規范》（JGJ 312-2013）與醫院變配電系統需要，“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范，其次是根據醫院應用需求，合理選配UPS規格及配置接線方式。本文以我院兩個在建醫院模塊化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勢及應用，以此探討應急電源系統的技術發展與應用前景。

1 模塊化UPS的優勢

模塊化UPS的結構特點是由功率模塊、靜態旁路模塊、顯示通信模塊等可熱插拔獨立標準化模塊組成，相對于傳統塔式UPS，模塊化UPS具有三大優勢。

第一，模塊化冗余并聯。各模塊之間的并聯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，按需構成N+1，N+X冗余系統，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。根據當前的業務需求進行配置，并且能在以后添加更多模塊。使設備長期運行在最佳工況，供電系統能隨需應變，讓容量隨著業務的發展而實現“動態成長”。既滿足了后期業務的擴展需求，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UPS需要專業技術人員到現場維修，還會面臨備品備件升級或停產，售后服務無法保證。模塊化UPS所有模塊標準化生產銷售，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集中式供電系統的優勢

醫療場所需要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、重癥監護室、血液透析室、導管介入室等；醫技科室中檢驗科、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。根據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時間長短，而且是極易觸發燃燒爆炸的危險品，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，一方面各科室以醫療設備診療治療為主，醫護人員對電源設備無法進行專業操作，如出現堆放雜物、人員觸碰等行為極易引發設備損壞和人員傷亡。另一方面，也不利于后勤電工人員統一管理監控設備運行情況和進行日常維護保養工作。

基于以上分散式供電的不足之處，集中式供電系統優勢顯而易見。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，規劃設計在空間及溫度都達標的運行環境良好的專用機房內，有利于延長設備使用壽命，由電氣專業人員定期巡視檢查，加強了統一管理。第二，大功率UPS在元器件性能上優于小功率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性。

3 醫院模塊化UPS集中式供電改造需求和分析

下面通過安貞醫院兩個模塊化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

安貞醫院醫療樓南北兩側弱電豎井內，分散配置小功率UPS（5kVA主機內置電池或外置電池）為各樓層信息網絡交換機提供應急電源，共計2套×17層=34套UPS設備。因弱電豎井內設備數量不斷增加導致井道內溫度過高嚴重影響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，易發生過火災事故。為迫切排除安全隱患，合理規劃UPS電源配置，逐一排查現場設備運行工況后，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，分別為南北兩側豎井信息網絡交換機供電，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機房運行環境優良，有專業人員值守并監控，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

安貞醫院共10間手術室，改造前在各手術室墻外隔間內分別安裝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，經過雙電源切換裝置后向無影燈、吊塔插座等重要醫療設備負荷經UPS供電。該接線方式為典型UPS電源分散式供電設計，優點是雙電源進線穩定可靠、UPS電源就近于負荷供電范圍清晰；但現場隔間狹小封閉，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，同時手術室凈化區域對電纜敷設施工及非醫護人員日常巡檢維護都有很大局限。

綜合分析負荷性質、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療手術提供高質量持續穩定的電源保障。

醫院用電負荷大、級別高，供電系統復雜。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。保證醫院中各種精密醫療設備及信息系統的可靠運行，是確保醫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，將直接導致系統癱瘓，無法提供高質量輸出，而且也沒有合理的監控系統了解到每一臺的實際狀態，即便發生問題也無法第一時間知道UPS及電池的狀態，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，也不會造成系統輸出異常，安全性提升50%以上，與此同時配置了專業的監控系統，包括主機和電池的監控，第一時間了解到整個系統的運行狀態，方便進行運維和預防性維護，消除隱患，提升安全性。

節能減排和成本控制也是醫院需要考慮的重要環節，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院正常的運行。對于電池的性能來說，也從以前的無空調環境下的1-2年壽命，提升一倍以上到4-5年。總體來說，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勢，但沒有完美的方案，不同配置各有優缺點，目前各品牌單機設備的性能不斷優化，產品最終為需求服務，要確定何種方案最佳，需要在執行國標規范的基礎上，根據各醫院的實際用電需求合理規劃。