北京市醫院用電安全隱患消除對策

北京市醫院后勤管理質控中心 王大剛 首都醫科大學宣武醫院后勤服務中心 王毅強

為保障北京市醫療系統用電安全，北京市醫管中心和北京市醫院后勤管理質控中心多次組織行業專家和專業單位，對北京市三十多家三級以上醫院進行了為期三年的用電安全隱患排查。這些安全隱患問題以《北京市醫院用電安全隱患分析》[1]和《醫療場所電氣火災分析》[2]為題發表后，引起了北京市醫療系統各級負責供配電的領導和工作人員高度重視，許多單位還多次組織行業專家和專業單位共同探討，圍繞提高重要醫療場所供電保障能力和大型醫療設備電能質量獻計獻策，提出許多切實可行的醫院用電安全隱患消除對策。其中一部分建議，作者在參與北京市地方標準DB 11/T527-2021《配電室安全管理規范》的修訂過程中已將其采納。

1 從應急電源設計入手，提高重要醫療場所供電保障能力

1.1 對UPS/EPS安裝位置進行規劃設計

某醫院在初期規劃時UPS/EPS系統采用分布式安裝，并設計了各UPS/EPS機房位置。但在系統BIM仿真后，發現分布式無法實現。系統提示：400kg/m2的樓板承重設計載荷無法安裝手術室和搶救室UPS，其主機自身差不多有1噸，配套電池更是重達數噸，樓板加固處理起來難度很大。醫院負責運維的領導也指出，作為一家大型醫療場所分布式安裝的UPS/EPS管理難度大，需配備UPS/EPS的搶救室、手術室、ICU、RCU、CCU、NCU、導管介入室、DSA及消防系統分布在不同醫技科室，位置分散造成運維人員不足，同時也會增加管理難度。經各方專家會商決定，在人員密度和危險度較低的停車場，建設由電池、電池管理系統(BMS)、儲能變流器(PCS)及智能化管理系統組成的儲能電站。

據醫院特殊需要，儲能電站進行了特殊設計：在儲能變流器(PCS)后串接濾波模塊，保證了醫療設備的供電質量；儲能電站容量設計為供電負荷的1.5倍，保證重要負荷的“n+1”安全冗余；電池管理系統(BMS)將電池分為五個模組，根據應用環境可自動選擇工作模式，使儲能電站同時兼具不間斷供電、應急供電和用電調峰的功能；為防止切換過程中產生的“閃變”，模組切換開關并接了超級電容。

儲能電站建成后實現了“平戰結合”。既可用電調峰、節省用電成本，還可進行不間斷供電和應急供電。首先實現了UPS/EPS系統的全部功能，即為ICU、EICU、NICU、住院手術室、門診手術室、DSA、檢驗科、信息中心機房、弱電井道和消防保衛系統提供應急電源和不間斷電源；其次，通過調節峰谷用電時間節約近三分之一的用電費用；再次，利用智能化管理系統節省了近半數人力；另外，儲能電站容量大又可以較長時間供電，故可省掉原來計劃購買應急發電機的開支。

1.2 UPS和EPS不能混用

在醫療場所，既有為重要醫療場所提供應急保障的UPS系統，也有根據消防部門要求建設的EPS系統。兩者功能、適用場合和安全等級完全不同，但筆者在許多醫院發現UPS和EPS混用濫用的現象。UPS和EPS的主要區別如下：

UPS電源一般用于醫院智能性電子負載，如醫療設備、電腦、服務器等。EPS一般用于消防保安設備，應急照明和事故照明等；UPS根據所保護的設備要求而設計，有三大功能：穩定供電電壓和頻率、克服電壓暫降、過濾電源諧波。EPS根據消防規范要求設計，以消防應急類的一級負荷為目標，功能是提供獨立回路的供電系統。EPS能夠提供應急電源，只能實現持續供電、沒有改進設備供電質量的功能。

EPS電源與UPS電源兩者都具有電子旁路、維修旁路及逆變三種工作模式。在功能上的區別是：EPS電源具有持續供電功能，平時采用旁路供電，市電停電時才轉為逆變供電。UPS電源平時處于在線狀態，失去市電后繼續供電、但會發出告警；UPS電源逆變后直接供應負載，冗余較小、發熱量低、無須阻燃、不需要互投功能。EPS電源在失電后才連接負載，逆變器冗余大，對有變頻啟動的電機負荷、機殼和導線瞬時發熱量增大，需要有阻燃措施，同時要配置多路互投功能，方便與消防聯動。

1.3 工頻UPS和高頻UPS不能選錯

目前，UPS從結構上通常分為工頻和和高頻。二者從原理、結構和應用場合都有本質的不同，根據不同的負荷設備，必須慎重選擇。工頻UPS基于變壓器，即升壓隔離變壓器。此外還包括可控硅整流器、逆變器和旁路電路。因其整流器和變壓器工作頻率均為50Hz，與電網頻率一致，所以叫工頻UPS。高頻UPS無變壓器，升降壓基于電池電壓變換器，此外還包括高頻整流器、逆變器和旁路電路。高頻UPS相比傳統的工頻UPS，由于整流頻率在10kHz以上，甚至高達上百kHz而得名。

許多數據中心服務器要求零地電壓小于1V，如果選擇高頻UPS，由于引入的整流器零線是正負母線的中性點，整流器和逆變器的高頻諧波在零線上耦合，零地電壓被諧波疊加升高，負載端零地電壓也因此升高，從而使服務器無法正常工作。

UPS的對外干擾一般有兩種，一種是聽得到的機械噪聲、一種是聽不到的電噪聲。工頻UPS會產生這兩種噪聲，以可控硅整流器產生的諧波為主體，電噪聲會影響機器的穩定度，也會對電力系統的其它設備造成干擾；變壓器鐵芯和散熱風扇產生的機械噪聲影響人的身心健康，降低工作效率。高頻UPS的工作頻率在20kHz以上，這個頻率范圍是人耳聽不見的，不會產生環境噪音；高頻UPS的功率因數可達0.99以上，無功功率很小，不會對其他設備產生干擾。對于影像設備，如果選用工頻UPS，就會由于出現無法消掉的橫帶干擾，最終使醫療影像設備無法正常工作。

綜上分析，對醫療場所，除醫院信息系統機房和相關設備必須選用工頻UPS外，其余都應配置高頻UPS。

2 采取專項治理，提升大型醫療設備供電質量

2.1 消除閃絡，減少精密醫療設備的損壞

消除閃絡的方法主要有UPS（不間斷電源）、STS（靜態切換開關）、SVC（靜止無功補償器）、AVC（自動無功補償器）、CVT（諧振變壓器）、MG（電動機發電機組）、TCR（變壓器分接頭調節器）和DVR（動態電壓恢復器）等。

根據醫療場所的特點，推薦使用超級電容儲能式動態電壓恢復器（DVR）。它采用超級電容作為儲能單元。閃絡發生時DVR處于逆變供電模式，超級電容的能量經DVR轉換為標準電壓源給負載供電。供電恢復正常范圍內時，DVR處于旁路模式，電網直接給負載供電，同時DVR從輸出側獲取能量給超級電容充電。這種超級電容儲能式DVR可智能跟蹤電壓暫降，保護策略完善。采用直流電容進行穩壓，性能上比傳統的電池元件更加穩定，壽命也更長，維護成本與維護工作量也大為減少。系統供電電壓正常時，DVR處于旁路狀態，只有發生電壓暫降時啟動補償機制。只有在此時裝置核心部分才被喚醒，這種特殊的工作機制可大幅度的提高設備整體的壽命。

IEEE Std 1668對額定電壓低于1kV用電設備的電壓暫降耐受能力測試進行了規定，在采購精密醫療設備時，應當要求設備廠家依據中國電源學會團體標準TCPSS1008-2020《低壓電氣設備電壓暫降及短時中斷耐受能力測試方法》提交測試報告，并依據測試結果采取相應的設備保護措施。

2.2 治理諧波，使醫療設備運行更安全

目前諧波治理方法按技術手段可分為無源濾波（PF）和有源濾波（APF）；按治理策略又可分為高壓母線治理、低壓母線治理和就地治理。

有源濾波（APF）是利用現代控制論的方法，根據輸出端數據反饋的結果，智能調節器采用一系列智能算法，自動在系統中產生一個大小相同、相位相反的諧波分量注入系統，以此抵消系統中的諧波成分，達到消除諧波的目的。APF治理策略有高壓母線治理（在變壓器的上端，高壓（10kV）母線上治理諧波）和低壓母線治理（在變壓器的下端，低壓母線上治理諧波），它能迅速補償或者抵消所需的諧波成分，實現快速治理諧波的目的。

作為有源補償裝置，不僅可跟蹤負載產生的諧波電流，而且可對外來侵入的諧波電流進行跟蹤補償。由于醫療場所諧波源主要是大型醫療設備，它們既怕諧波干擾，又產生大量工作諧波，必須采用智慧型APF來抑制諧波。這種有源濾波器能夠自動檢測、自動補償，不受諧波頻率的制約；在治理諧波的過程中不影響功率因數。對于諧波頻段不固定的大型醫療設備，部署一臺智慧型APF單機就可對抗2～51次全頻諧波電流，消除諧振對供電系統的危害。

無源濾波（PF）治理策略是就地治理，主要用于消除重點諧波源設備的諧波危害。對MRI、CT、伽瑪刀等大型醫療設備，在其供電電源入口處裝設HTHF（設備級無源諧波濾波器）或專用隔離變壓器，既可防止這些醫療設備工作時產生的諧波注入電網，又可降低其他諧波源對該醫療設備的影響。

消除醫療場所諧波的最有效方法是找到源頭，治標先治本。一方面要降低電網和醫療設備的諧波分量，另一方面要提高醫療設備自身的抗諧波干擾能力。目前在醫療場所的諧波治理策略中，最有效的是將非線性負載在設備端轉變成線性負載，既能防止醫療設備產生的諧波外竄，又能保證醫療設備不受外來諧波干擾，這也是目前最理想化的諧波治理策略。

2.3 解決三相不平衡，提高醫療設備使用壽命

目前，適合醫療場所的三相不平衡治理方案是裝設三相不平衡調節裝置。這種裝置根據供電電源三相不平衡程度接入不同數量的電容器，通過換相開關手動或自動調整三相負荷的不平衡，不但可使供電線路均衡運行，還可調整不平衡有功電流。

3 加強針對性培訓，提高醫院用電管理水平

由于醫療單位對供電安全和供電質量的特殊要求，必須進行經常性的針對性培訓，這對提升各類人員的業務水平和工作責任心尤為重要。醫療系統電力安全培訓可在增強重要醫療場所供電保障能力、促進供電質量的提高以及利用供電智慧樹進行電力故障仿真等方面發力，從而進一步保障醫療供電系統安全。

首先，培訓可增強重要醫療場所供電保障能力。根據國家規定，醫院的搶救室、手術室、ICU、RCU、CCU、NCU、導管介入室、DSA屬于2類醫療場所，即最重要的醫療場所，斷電故障會直接危及患者生命。這些場所必須接入兩路以上市電電源，同時配備UPS（不間斷電源）和應急發電機作為后備電源，這就是通常所說的“四重保障”。大多數醫療單位在硬件上都滿足要求，但由于這些應急保障設備使用者與維護者的水平不足及責任心不夠，極大地降低了這些重要醫療場所的供電保障能力。要想提升重要醫療場所的供電保障能力，必須不斷加強培訓，通過培訓努力提高使用單位的UPS管理水平，提高應急發電機維保單位的責任心，并提高運維人員對互投裝置的故障辨析能力。

其次，培訓可加強醫療設備供電質量控制。醫院的大型醫療設備，如PET-CT、核磁共振、DR系統、CR、工頻X光機、推車式B型超聲波診斷儀、體外沖擊波碎石機、高壓氧艙和直線加速器等對供電質量的要求很高，但由于醫院的供電質量存在嚴重問題，直接影響著醫療設備的正常運行。通過針對性培訓，可讓醫院用電的管理者和大型醫療設備的使用者認識到供電質量的重要性，學會排查由于供電質量問題對大型醫療設備的干擾和破壞。最終實現以下目標：消除閃絡，保護精密醫療設備；減少諧波，保障大型醫療設備正常運行；處理三相不平衡，延長醫療設備的使用壽命。

為提高醫院供電系統的整體安全，應著力加強全方位的培訓工作，積極發揮電力安全培訓作用，保障醫療供電系統安全，保障醫療系統提供醫療服務的及時性和穩定性，推動其承擔為患者生命保駕護航的重要使命，構筑更加健康的首都醫療生態圈。

4 推行柔性管理，提高醫院供配電系統的整體安全

醫院普遍存在用電環境復雜、用電設備種類繁多和用電管理專業人員匱乏的問題。因此有必要構建醫院供配電柔性安全體系，即通過柔性安全的技術手段實現以下目標：運行狀態的可視性、運行邏輯的自發現、運行過程的可控性和運行故障的自修復。

4.1 堅持科學評估，實現運行狀態的可視性

4.1.1 確定醫院供配電可靠性指標體系

在邊界條件確定上，指標體系以醫院中的重要醫療場所和大型醫療設備供電為核心，以四重保障能力和電能質量為重點，定義各項指標仿真態勢及逼近公式確定邊界約束條件。在參數選擇上，指標體系立足于北京市醫院供配電系統現狀，對數據進行有效性校驗，識別典型業務數據及故障數據，提取醫院供配電系統的基本特征，最終選擇了五類采樣節點和六類輸入接口。

4.1.2 建立醫院供配電可靠性評估模型

可采用人工神經網絡方法，也就是通過人工智能算法模仿人類神經網絡的思維邏輯，并進行簡化、抽象和模擬，利用各元節點和軸突之間的相互傳導來處理信息，從而形成由節前神經元、神經元、節后神經元、樹突和軸突構成數學模型。這種模型呈現鏈式結構，具有環境應激處理特性、知識網格存儲特性、數據冗余容錯特性和自我社會仿真特性等。

醫院供配電可靠性評估模型通過潮流計算等方法，對于正在運行的供配電系統，可判斷重要醫療場所的四重保障能力和大型醫療設備的電能質量，如果有風險就會自動提醒醫院采取措施，調整運行方式。對于正在改擴建的醫院供配電系統，若將該模型與BIM系統結合，可為設計市電供電方案和電氣設備選型提供依據。該模型還可為定值計算、繼電保護調試、電力故障仿真等提供數據支撐。醫院供配電可靠性評估模型的輸出為：醫院供配電可靠性指標、重要醫療場所供電保障能力指標和大型醫療設備供電質量評價指標。

4.1.3 節點級設計、結構級設計和訓練級設計

進行節點級設計是確定元節點類型，區分出節前元節點、元節點和節后元節點。元節點主要承擔組合和轉移的功能。組合功能是對節點信號進行組合，組合過程中要對節點輸入進行簡單加權；轉移功能是對節點信號進行輸出實現，轉移變換由節點的轉移因子決定。例如，對于重要醫療場所這種元節點，供配電四重保障能力的組合和轉移主要通過ATS(自動轉換開關）來實現。

進行結構級設計是建立傳入樹突和傳出軸突組件，實現元節點的連接。首先確定模型的層數和各層節點數量，通過傳入樹突和傳出軸突實現元節點的連接。根據連接方式可分為饋入連接和饋出連接，饋入連接的上一層的元節點只與傳入樹突連接，元節點之間不直接連接，醫院中核磁和PET-CT等大型醫療設備屬于此種；饋出連接的各層元節點都可接入多重饋入，醫院中手術室和急救室等重要醫療場所屬于此種。

進行訓練級設計是選擇學習訓練算法，確定閾值、邊界條件、初始值以及模型的終止條件。我們已完成了樣本訓練，即提供供電系統實際運行的輸入和輸出數據作為訓練樣本。目前正進行知識學習方式，即在樣本訓練的基礎上，利用人工智能的方法，利用輸入的動態信息建立數學模型，并利用模型的反饋調節功能對輸入信息自動調整連接權值或閥值。

完成以上工作后，醫院供配電管理部門就可堅持經常性評估，實現運行狀態的可視性。

4.2 建立供電智慧樹，實現醫院供配電運行邏輯的自發現

醫院供電智慧樹可解決醫院供電線路不清的問題。它用節點矩陣描述了醫院供配電系統各節點順序關系，用矢量矩陣描述了各節點的位置關系。因此，供電智慧樹模型可表明各層節點和鄰近節點的連接關系，如果底層節點負荷已知，利用逆向推衍可方便求出鄰近節點的負荷。供電智慧樹通過現場分支測試，建立供電樹的拓撲分層模型，最終在管理平臺上直觀展示完整的供配電拓撲結構和設備參數。利用供電智慧樹算法，可快捷偵測各匯聚點的負荷指向及各節點負荷的組成情況；可方便地展示供電系統中的拓撲結構，并將各分散的負荷有機地整合成完整的供電系統。

供電智慧樹在醫院供配電系統運行中也發揮了重要作用。正常運行時能監視供電系統各支路負荷情況，并通過改變供配電系統的運行方式，實現負荷合理分配；在故障發生后能將故障分區管理，防止醫院出現大面積停電，并在恢復供電時幫助管理人員編寫送電指導文件，幫助操作人員進行仿真模擬演練，避免誤操作。供電智慧樹的實現算法將配電網的物理結構和運行參數有機地結合，實現了從智能配電到智慧用電的飛躍。由于圖紙和技術資料的缺失，許多醫院無法編制針對重要醫療場所和大型醫療設備的供電應急演練方案，無法進行電力故障仿真。利用供電智慧樹拓撲結構自動形成的功能，還可將其作為供電系統分析和電力故障仿真演練的重要工具。

4.3 監測斷路器的健康狀態，實現運行過程的可控性

醫院供配電系統中，斷路器占醫院配電系統資產總額的70%～80%。而80%以上的電力故障也是由斷路器引發，核心斷路器一旦發生故障就會造成大面積突然停電，直接威脅患者生命。目前，通過大數據技術可實現斷路器健康狀態監測，即根據智能監測平臺采集的斷路器平均負荷、操作次數和觸頭磨損等參數，通過建模，自動生成設備健康狀況曲線，及時給出小修、大修和退役等維護提示，實現了斷路器健康狀態在線監測。

斷路器健康狀態監測通過運行數據采集積累，利用線性回歸算法科學計算出斷路器全壽命周期曲線，可讓運維人員及時了解斷路器的目前狀態，提醒運維人員提前進行預防性維護。通過斷路器健康狀態監測，運行維護工作可真正實現從“事故后搶修”到“事故前預防”的飛躍；可有效預防惡性安全事故。通過及時監測斷路器的每次動作，根據系統故障預警，職能部門可及時組織有效檢查，將故障消滅在萌芽階段；可為優化醫療設備的運行方式提供數據支持。在醫院，通過監測斷路器的運行情況，所采集的大量斷路器運行數據反應了醫療設備運行規律，可籍此查找醫療設備故障的原因。如，某醫院手術室中的高頻電刀工作狀態不穩且經常損壞，通過調取該回路斷路器健康狀態發現大量奇次諧波，諧波治理后高頻電刀工作狀態恢復穩定。

斷路器健康狀態在線監測通過自動評估斷路器的性能可實現科學的計劃檢修。斷路器健康狀態正常時不發生報警，沒有必要進行例行維修；斷路器健康狀態不正常時會立即發出預警信息，通知運行維護人員及時檢修，此種方法完全可避免過度檢修或檢修不足。如果堅持對斷路器進行周期性狀態評估和預防性維修，可將配電維修由“被動維修”變成“主動預防”，就可有效提高配電系統安全水平。

5 結語

隨著智能配電系統的推廣和普及，智能配電系統的自愈控制將成為從根本上消除用電安全隱患的重要手段。智能配電系統在實現了運行狀態的可視性，運行邏輯的自發現和運行過程的可控性之后，就可實現運行故障的自修復，即智能配電系統的自愈控制。自愈控制是指配電系統追求的目標，即配電系統能自行分析并處理運行故障。如果是預案已有的故障,無需現場檢修,就可通過自愈控制指令將出現問題的狀態直接恢復到預先設定的正常狀態。

智能配電網的自愈控制主要包含了信息采集、診斷、決策、執行4個過程。其中信息采集的關鍵是對數據系統進行有效性校驗，提取數據特征，識別典型業務數據與故障預警數據，排除干擾數據；診斷和決策將依據采集的信息，利用智能決策方法對整個配電網運行狀態進行快速實時評估。如果是配電系統狀態出現問題系統就立即進行處理,以保障安全供電，防止事故發生；執行是對決策命令的實現，它建立在完備的預案體系和配套的備用裝備基礎之上。