大型醫院不斷電設備節能負載智能控制研究

林康, 郭嘉奇, 于娟娟, 李凱

(首都醫科大學附屬北京世紀壇醫院,北京 100038)

0 引言

大型醫院不斷電設備是指市電中斷時,某些醫學用設備需要配備UPS電源,如CT、MRI、CR、生化分析儀、監護設備等。因為電感性負載會有反電動勢產生,對離線式UPS造成傷害,若瞬間啟動電流大、UPS容量不足時,易造成瞬間超載,一旦適逢市電中斷時,UPS輸出亦中斷,且平時UPS長期處于超載使用狀態,將縮短電子組件及UPS的壽命,所以此類大型醫院不斷電設備必須具有穩壓、穩頻、濾波、抗電磁和射頻干擾、防止電壓突然中斷等功能。

大型醫院不斷電設備是延續患者生命的重要保障,在24小時不間斷的運行環境中,不斷電設備參數對稱關系差[1-2],其運行過程中的負荷性質不斷變化,電能質量受到損害,使醫院不斷電設備的負載不夠均衡,存在斷電的風險,造成生命財產損失,后果尤為嚴重。

目前致力于研究不斷電設備節能負載控制的專家眾多,如徐璋等[3]研究的發電系統配置優化方法,雖然該方法對優化不斷電設備能耗方面具備一定的應用效果,但受粒子群尋優時粒子步長影響,其收斂性較差,故最終結果不夠理想。文獻[4]研究的接入擁塞控制優化算法,對時隙周期選擇要求較高,在應用時需依據當前設備情況進行時隙周期計算,步驟較為繁瑣。文獻[5]采用優化PI控制器的LOO變換器的結構,通過選擇合適的占空比,正輸出初級LOO變換器(POELC)設計用于升壓操作,采用狀態空間平均法建立了功率變換器的動態模型。文獻[6]研究了慣性質量與轉換筒之間的摩擦對系統效率的影響,推導了PWM信號頻率、變頻缸截面積和慣性質量對FPC系統特性的影響,利用MATLAB/Simulink對分析結果進行了驗證,并對FPC設計參數的選擇提出了建議,但是其負載控制效果較差。

針對上述情況,本文研究大型醫院不斷電設備節能負載智能控制方法,為大型醫院不斷電設備安全運行提供良好的技術支持。

1 大型醫院不斷電設備節能負載智能控制方法

1.1 不斷電設備變流器拓撲損耗模型構建

結合大型醫院不斷電設備之間為并聯交錯的運行狀態,不斷電設備之間通過雙向變流器連接且變流器的通道特征為一致狀態[7]。不斷電設備運行時損耗包括電感、開關導通與驅動損耗和磁性元件損耗,此類損耗均可通過其變流器描述。不斷電設備變流器損耗分布拓撲如圖1所示。

圖1 不斷電設備變流器損耗分布拓撲圖

設置不斷電設備變流器的驅動損耗為A,其表達公式如下:

Adriing=Fg×Qg×fsw

(1)

式中,Fg、Qg、fsw分別表示門極電壓、總電流容量和開關頻率。

Aon為功率開關管的導通損耗,計算公式為

(2)

式中,Irms、Rds-on分別表示波紋電流有效值和等效導通阻抗。

不斷電設備變流器開關在開啟和閉合時,流經不斷電設備的電壓和電流時間范圍出現重疊情況[8],形成開關損耗。S1表示變流器開關管,Fin、FDN分別表示開關管輸入側電壓和寄生二極管正向偏置電壓降,不斷電設備在線序導通模式下,開關損耗計算公式如下:

ASW-S1(CCM)=(Fin+FDN)toverIof

(3)

式中,ASW-S1(CCM)表示開關損耗,tover、Io、f分別表示電壓電流重合范圍、輸出電流有效數值和勵磁頻率。

D2表示續流二極管,其功率損耗計算公式為

ASW-D2(CCM)=FDNtoverIof

(4)

在非連續導通模式,不斷電設備在開關周期內,當不斷電設備功率開關為關閉狀態時[9],電感電流數值為0。此時開關管和續流二極管的損耗計算公式如下:

(5)

(6)

式中,d、L分別表示占空比和相電感,tDT、T分別表示驅動時間和開關周期。

通過該模型計算驅動損耗、開關管以及續流二極管損耗數據,為后續負載智能控制提供基礎。

1.2 節能負載智能控制方法

由于醫院不斷電設備在某個時間段時會出現同時運行情況,使其負載出現重合,醫院不斷電設備具備模糊性[10],為了在各種負載條件下都能獲得優質的電源和最高的效益,利用變流器拓撲損耗模型獲取到驅動、開關等損耗數據后,計算不斷電設備在控制周期內是否運行,并進行標識處理。E=(e1,e2,…,en)T表示不斷電設備的運行標識解集,A表示該解集的系數矩陣。設置每隔1個小時對醫院不斷電設備進行一次負載控制,不斷電設備的運行集表達公式如下:

E=(e0,1,e0,2,…,e0,n,e1,1,e1,2,…,e23,n-1,e23,n)

(7)

式中,n表示醫院不斷電設備數量。

設置負載控制目標函數,其表達公式如下:

minZ=(β0-βm)2+(β1-βm)2+…+(β23-βm)2

(8)

(9)

式中,βi表示第個負載控制時段時變壓器負荷率;βm、SN、ci分別表示不斷電設備變壓器經濟負荷率、額定容量和功率。

對公式(8)進行變換處理,則有:

(10)

式中,j表示第j個不斷電設備。

為了使其具有更強的短路保護能力和更強的過載能力,不斷電設備負載控制目標函數約束條件為

(11)

α表示模糊規劃時有界閉模糊數,對醫院不斷電設備運行周期進行模糊截集處理,則有:

(12)

(13)

(14)

式中,Uα表示當前不斷電設備電壓。

使用最大隸屬度算法計算不斷電設備最佳運行規則,具體為

E=(e0,1,e0,2,…,e0,n,e1,1,e1,2,…,e23,n)

(15)

當設備局部負荷出現聚集情況時,在UPS供電系統中內置隔離變壓器,避免了外部設備的干擾輸入,則設備的局部負荷高于其正常負荷,需進行變壓器調節。依據不斷電設備最佳運行規則,通過設備運行時段數,控制周期以及負荷運行容量等,修正醫設備負載控制目標函數,其表達公式如下:

(16)

式中,ilow表示第i臺不斷電設備最低負載。

通過求解該公式可得到醫院不斷電設備最佳負載結果,大大提高了負載的安全性和穩定性。

2 實驗結果與分析

以某大型醫院為實驗對象,使用本文方法進行節能負載智能控制測試。

2.1 不斷電設備損耗計算精度測試

以ROC曲線作為衡量本文方法計算不斷電設備損耗指標結果如圖2所示。分析圖2可知,本文方法的真正率數值和假正率數值最高為0.93和0.95,AUC面積則接近90%。表明本文方法計算不斷電設備損耗數值精準。

圖2 泛化性能測試結果

2.2 負載控制測試

溫度和濕度達到15～25 ℃,30%～70%,即設置高濕告警點為70%,低濕告警點為30,設置高溫告警點為25 ℃,低溫告警點為15 ℃;電壓波動為+10%～-10%。設置高壓告警點為22～25 kgf/cm2,低壓告警點1.7～2.1 kgf/cm2,三相電壓不平衡度不超過4%,設備接地電阻不大于4 Ω。任一控制單元一旦達到告警點,則表明超負載運行,自動開啟UPS供電系統,以電流波紋變化情況作為衡量負載控制效果指標,使用本文方法前后該醫院不斷電設備輸出的電流波紋變化情況如圖3所示。分析圖3可知,該醫院不斷電設備未進行節能負載控制前其電流波紋波動區間大,波動幅度呈現無規律變化狀態,負載均衡性不足。經過本文方法控制后,輸出電流變化區間得到降低,電流波紋穩定、平滑。不存在負載聚集情況,不斷電設備負載能力好。

(a) 控制前

在不同時間段時,分析該醫院不斷電設備負荷值變化情況,結果如圖4所示。分析圖4可知,未對其進行節能負載控制前,不斷電設備的最高負荷值達到2800 kW左右,最低負荷值約為480 kW左右。應用本文方法后,在同一時間段內,控制后的不斷電設備負荷曲線數值得到一定程度降低,說明使用本文方法可有效降低醫院不斷電設備負荷,節能效果好。

圖4 不斷電設備負荷值變化結果

本文方法控制不斷電設備控制其負載效率,結果如圖5所示。分析圖5可知,本文方法控制的不斷電設備節能負載效率隨著其負載電流的增加而增加后呈現小幅度下降狀態。說明不斷電設備運行時的負載電流數值對本文方法影響小,其節能負載控制效果較好。

圖5 負載控制效率測試結果

測試本文方法應用一段時間后其節能性能結果如表1所示。分析表1可知,隨著本文方法應用月份的增加,該醫院不斷電設備損耗電量數值和節省金額逐漸下降,表明經過本文方法進行節能負載控制后,設備損耗電量空間降低,降低了醫院運營的成本。

表1 節能測試結果

3 總結

本文設計了大型醫院不斷電設備節能負載智能控制方法,并通過具體應用實例驗證了本文方法的有效性。