1 引言
近幾年醫療系統的集中化管理已成為一種發展趨勢。對于數據中心、關鍵設備的保護更是重中之重,尤其是那些生命攸關的場所,如:潔凈手術室﹑ICU重癥監護室﹑CCU心臟監護室、產房等場所重要電力負荷區,必須配備UPS后備電源,其目的就是保證為該場所內的醫療電氣設備提供一個安全、可靠的電源保障,用以確保病人的生命安全、提高醫療服務質量。
我國2002年11月26日發布,12月1日開始實施的《醫療潔凈手術部建筑技術規范》,其中8.3 配電要求:由于手術室的重要性,手術室內用電設備配電盤須加隔離變壓器。
某三甲綜合醫院,重要關鍵性典型負載的統計如下:潔凈手術室 5個 房間(床位);ICU重癥監護室20個房間(床位);產房5個房間(床位)。負載總容量預計為:100kVA 。
2 方案配置
2.1 臺達UPS配置方案
用于醫療系統的臺達模塊化UPS電源配置方案列于表1。
2.2 HIFT UPS供電方案說明
為提高供電系統的安全、可靠性,傳統供電方案是采用兩臺UPS單機并聯冗余方式運行,雖然這在一定程度上提高了可靠性,但是它不便于在線維護、擴容,同時對設備的利用不充分、效率低、缺乏靈活性擴充,更重要的,系統的冗余數僅為1。
而HIFT UPS采用模塊化設計的結構極具彈性,可實現模塊N+X自動彈性組合冗余,供電系統擁有最高的可靠性。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勢,可以按照現在的負載先進行配置,當機房負載擴容容量增加時,直接熱插入模塊,擴容靈活、方便,以20kVA一個模塊為單位最大可擴充至480kVA的冗余供電系統。
根據用戶負載需求,臺達提供一種更經濟的HIFT UPS供電系統冗余配置方案,采用HIFT 120kVA UPS 1臺,由6個20kVA模塊組成總功率120kVA,模塊5+1并聯冗余系統。根據醫療系統規范標準對配電系統的要求,UPS輸出端配置隔離變壓器,輸出側采用TN-S配電系統,確保供電系統更安全可靠、提供更佳的保護效果。圖1為HIFT 120kVA UPS模塊冗余供電系統圖。
3 方案優勢
3.1 安全可靠
⑴ HIFT 120K模塊5+1并聯冗余可靠性分析
采用普通UPS單機100kVA 1+1并聯冗余系統的可靠性計算公式為式(1)。
式中:
表示單機可靠性; 
表示系統可靠性;
表示并聯冗余系統中
個子系統故障時的組合數。
如果單機可靠性為
,代入式(1)得到1+1并聯系統的可靠性為:
普通UPS單機100kVA 1+1并聯冗余方案中,無論實際運行負載是多少,冗余數始終都為1不變,UPS供電系統的可靠性始終為0.9999。
采用臺達HIFT 120K UPS模塊5+1冗余的方案中,當實際負載為設計容量的60%時(實際負載:100kVA×60%=60kVA),實際負載占3個模塊,此時供電系統冗余數為3個模塊,實際運行時是模塊3+3的并聯冗余系統。也就是只有4個功率模塊同時故障的時候,UPS才會轉旁路工作,才會在無保護的狀態下運行。
如果單個模塊的可靠性為
.代入公式(1)得模塊3+3并聯冗余系統的可靠性為:
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系統實際運行時是模塊2+4并聯冗余系統,代入公式(1)可得可靠性為:
⑵ 可靠性比較
不同負載的可靠性比較列于表2。
從表2可見,由1+1并聯組成冗余供電系統,當單機可靠性為0.99時,并機系統可靠性可達到0.9999。
由HIFT UPS組成的N+X冗余系統,當單個模塊可靠性同樣為0.99時,根據實際負載量的變化彈性組合成的模塊3+3冗余系統,可靠性為0.9999999,比單機1+1并聯冗余系統的可靠性高出1000倍;模塊2+4冗余系統的可靠性為0.9999999997,比單機1+1并聯冗余系統的可靠性高出333333倍。
另外,由單機1+1并聯組成的冗余供電系統,當單機可靠性為0.99時,并機系統可靠性達到0.9999,此值與負載量無關。也就是說,不管系統實際負載量是多少,系統永遠是1+1冗余,不允許兩臺同時故障,可靠性永遠是0.9999。
但是,在HIFT UPS組成的N+X冗余供電系統,系統的實際負載量占設備容量的大小與系統的可靠性息息相關,實際負載量越低,系統可靠性越高。客戶可以通過在線增加功率模塊來提高系統可靠性,以保證系統更加的安全、可靠地運行。
3.2 動態擴容
HIFT UPS因采用模塊化結構,可以在20kVA∽480kVA的寬廣范圍內,以20kVA為單位來隨時隨需在線擴容,客戶不再需要僅是為未來的可能性而提前投入大筆費用。
HIFT UPS的這種靈活性,即允許配置容量最貼近實際需求容量的能力,不僅降低了UPS的初始購置成本,更減少了配套設備(如空調)的配置與能耗支出,有效防止了基礎設施超前超大規模設計導致的不必要開支。
3.3 高效節能
傳統的單機1+1并聯冗余供電系統中,采取了一次到位的投資方式,雙機并聯負載均分運行,導致UPS整機效率大幅降低(實際工作中1+1并機系統中單機的負載率一般在30%),系統低效率狀態下運行(在30%負載情況下整機效率僅為80%)。圖3 為一般UPS產品單機在不同負載百分比情況下的效率示意圖。
而HIFT(海福) 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,能耗支出的節省將會降低一大步。圖4為HIFT 120K UPS工作效率與負載關系的曲線圖。供電方案能耗比較列于表3。
負荷容量按100kVA計算的UPS系統,HIFT UPS系統使得整機效率提高了8%,則一年可以節省86690度電。按照工業用電1.5元/度計算,可以節省電費13萬元運營費。我們不難發現,在某些地區、城市,既使愿意多付出13萬元,也會因為能源供應不足,而無法保證系統的正常用電(特別是在用電高峰季節尤為突出),在這個時候,HIFT UPS在高效節能方面的特性,才尤為突出,值得更加關注。
4 結束語
臺達HIFT(海福)模塊化UPS高智能容錯供電系統,有力保障醫療單位100%地安全、可靠運行,為人民的健康及生命筑起了一道安全保障,真正成為人民生命安全的守護神。希望能利用此文提供給更多的醫療行業用戶作參考。
作者簡介:鄭強(1982-),男,高級應用工程師,主要負責售前技術支持工作。