淺談醫院能源管理電能質量在線監測係統的應用

摘 要：針對供配電係統中大量非線性負荷使用對電能質量實時、可靠、*確的在線監測控製需求，醫院能源管理係統中對電能質量監測無論是監測對象、運算分析算法以及係統功能結構等均需提高。以供配電係統中三相不平衡度、電壓閃變和諧波分量作為(wei) 電能質量評估指標，構築“ARM＋DSP"雙CPU嵌入式電能質量在線監測係統。工程實踐應用效果分析表明，雙核電能質量在線監測係統，以IEC61850及國家標準要求的指標參數計算方法為(wei) 基準，融合DSP和ARM芯片模塊優(you) 勢，能夠*確監測和運算分析供電電能質量，並動態調節SVC/SVG無功補償(chang) 方案，降低和避免電能擾動，保障醫療設備性能正常穩定發揮。

關(guan) 鍵詞：供配電網；電能質量；在線監測；電壓閃變；諧波

0引言

現代醫學技術的快速進步，在很大程度上得益於(yu) 電了技術的飛速發展及在醫療領域內(nei) 的*麵滲透。影響醫療設備運行質量的因素很多，目前大多注重醫療設備自身性能方麵的研究，而對於(yu) 其工作環境因素的研究尤其是供電安全可靠性方麵的研究相對較少。對於(yu) 高精度檢測、監測和輔助治療的大中型醫療設備而言，其危害*大的因素即為(wei) 電源電壓不穩定,偏高、偏低以及突然中斷等,均可能造成醫療設備內(nei) 部電路板損壞、計算機控製係統素亂(luan) 、檢測數據不準確等導致設備性能不能正常穩定發揮。超過60%醫療設備出現故障的原因與(yu) 供電質量有 關(guan) ，同時也是醫療設備老化的主要因素。為(wei) 了為(wei) 醫療設備檢測、監測和治療質量提供強有力的電能保障,掌握醫院供配電係統實際運行工況狀態，對供電電能質量進行在線實時監測和動態調整，提高人性化服務水平，保障醫療設備運行質量和降低電能損耗，具有非常重要的理論研究和實際應用意義(yi) 。

醫療設備數量規模的增加和類型的多樣化，對供電電能質量的實時監測和在線優(you) 化提出更高的要求。目前，國內(nei) 對電能質量在線監測係統設計已有很多研究，史建平設計一種基於(yu) 單一DSP芯片為(wei) 核心的電能監測係統，該係統雖能夠準確進行電能質量計量，但在供電質量在線監測，動態分析和智能決(jue) 策等功能優(you) 化方麵存在不足，很難適應醫療設備供電電能在線實時可靠、動態調節等複雜功能調節需求。黃贇設計基於(yu) DSP和FPGA設計了三相電能質量信號模擬發生器，雖能有效解決(jue) 多信號采集問題，但對於(yu) 醫院等特殊場所的電能信號同步采集準確性還不高。夏建生等設計了一套DSP+PC架構的電能質量監測管理係統，該係統雖然可以準確地檢測穩態電能質量,但其對暫態擾動隻能進行定位和識別，無法對暫態擾動分量進行準確檢測，為(wei) 準確掌握配電係統中的穩態和暫態分量及數值，本文展開“DSP+ARM"雙CUP架構電能質量管理係統研究，通過連續監測諧波、電壓波動和閃變等特征指標並結合智能算法進行智能分析,確保醫療設備供電運行具有較高安全可靠性，降低醫療設備帶來的醫療隱患等不良事件發生率,有效提高醫院供電科學管理和人性化服務水平。

1 電能在線監測特征指標

1.1 電壓波動和閃變分量

醫院供配電係統中由於(yu) 存在非線性及衝(chong) 擊性負荷，會(hui) 從(cong) 電網係統中暖收大量無功功率，同時還會(hui) 引起電壓波動和閃變。電壓波動和閃變是威脅醫院供電安全可靠性的主要原因，同時也是動態電能質量在線監測的重要指標。

電壓波動和電壓閃變由係統中無功功率波動引起，當係統中衝(chong) 擊性和非線性負荷增加時將會(hui) 嚴(yan) 重影響供電質量，影響醫療設備運行性能導致檢測不準、監測不到位和疾病治療效果不佳等問題。根據國家電工委員會(hui) (IEC)相關(guan) 標準，醫院供配電係統主要以10 KV、35KV為(wei) 主，其電壓波動指標為(wei) :10KV為(wei) 2.5%；35KV為(wei) 2.0%。

1.2 諧波分量

醫院供配電係統中非線性設備的廣泛使用，勢必會(hui) 產(chan) 生一些非穩定瞬態變化分量，疊加後會(hui) 引起連續周期變化的基波電壓和電流分量發生畸變，即為(wei) 諧波。諧波是供配電係統中不可避免的隨機擾動，給係統中監測、保護、計量和通訊等設備帶來較大影響，醫院電能管理係統中主要以總畸變率指標(THD)來評估電能質量。

通過計算機數字檢測法，利用DSP微處理器對采集數字信號進行篩選和分類,可以準確獲得供電電壓的基波分量和各次諾波分量，以便技術人員采取合理措施抑製和消除諧波對供配電係統的影響,確保醫療設備性能正常穩定的發揮。

2 醫院電能在線監測管理係統

按照“分散監測、集控管理"原則設計醫院電能管理係統，由監控終端層、變配電台區監控中心層和醫院電能監控中心層共三層結構組成。將醫院每個(ge) 檢測室、手術室、實驗室、化驗室和*點部位按區域劃分為(wei) 不同監控點和監測點區域內(nei) 1~n監控點和監測點共同組成監控終端層的監控終端*小功能單位，通過Internet網絡與(yu) 10KV變配電台區的電能質量在線監管中心進行數據信息的交互共享,*終經ethernet以太網連接到醫院能源管理係統，實現對供電電能質量的在線監測、智能分析、動態調節和遠程調度等功能，經合理切換SVC/SVG 等無功補償(chang) 裝置，快速響應、吸收和抑製電網係統中由於(yu) 非線性負荷引起的電壓波動和諧波，調節電壓電流分量和校正功率因數，提高供電安全可靠性。醫院能源管理係統電能在線監測集控管理係統總體(ti) 設計方案，如圖1所示。

從(cong) 圖1可知，電能質量在線監測係統中的*小功能單元為(wei) 監控終端層設置的監控點和監測點，它們(men) 主要負責收集用電終端的供電電壓、電流、電壓波動、電壓閃變、三項電壓不平衡和諧波等電能質量及質量擾動數據，並經Internet上傳(chuan) 給電能質量在線監管中心。電能質量在線監測係統采集實時用電信息後，經DSP數據處理器對數據進行實時分析並形成對應調度決(jue) 策。

3 雙CPU電能監測終端及無功補償(chang) 控製

3.1 雙CPU 電能監測終端

電能監控終端是醫院電能在線監測集控係統的*小功能單元，也是電能數據采集、智能分析和遠程傳(chuan) 輸的核心。為(wei) 提高監控終端數據處理速度和精度，按照冗餘(yu) 原則綜合ARM在終端設備控製和DSP在數據處理方麵的優(you) 勢，構造“ARM+DSP"雙CPU嵌入式係統結構，如圖2所示。

從(cong) 圖2可知，醫院電能質量在線監測設備主要由數據采集模塊、DSP數據處理模塊和ARM 主控模塊3個(ge) 功能模塊組成。其中:數據采集模塊，主要通過前端信號調理電路和ADS8365采樣芯片，從(cong) CT和PT互感器二次采集獲取電流/電壓數據，並進行預處理。DSP數據處理模塊是電能質量在線監測設備的核心，通過內(nei) 部IEC61850電能質量標準算法程序分析提取獲得諧波、三相電壓不平衡度、電壓波動、電壓閃變等電能質量擾動分量，並通過插值和二次采集算法確保數據處理具有較高可靠性和精度。同時，DSP模塊經EHPI並行端口與(yu) ARM主控模塊及外部主機並行通信。ARM主控模塊具有較強控製性能，負責接收DSP處理後的電能質量特性數據、在線波動圖形生成、曆史數據分析等功能。采用ARM+DSP雙CPU嵌入式芯片結構，利用雙核讓DSP負責數據處理而ARM控製所有外部設備，可加快DPS數據處理效率和精度，同時可避免DSP去訪問外部設備，確保芯片數據資料管理具有一致性、實時性和可靠性。

3.2 SVC/SVG無功補償(chang) 控製

監測終端采集到各電能質量在線監管中心的電能數據後，經通信擴展模塊將相應信號傳(chuan) 輸給無功補償(chang) 控製櫃中的無功補償(chang) 控製器。由控製器自動判斷實時電壓、電流、功率因數等特征數據是否滿足要求,並利用電壓會(hui) 差進行複核。如果超出設定限製則控製器經內(nei) 部分析計算投切容量並確定是三相同步投切或是三相分相投切等控製策略，經RS485通訊準確控製 SVC/SVG集成無功補償(chang) 電容器組的平緩投切,保持供電電壓穩定。

4 雙CPU電能在線監測係統應用分析

為(wei) 了驗證電能在線監測係統裝置在醫院電能管理應用中的測量準確度和電能調節可靠性，按照圖 1、2結構組建電能質量監測終端。結合電氣主接線進行櫃體(ti) 組裝，如圖3所示。

通過編程組建電能在線監測集控管理係統可視化人機界麵，經IEC61850一致性檢測、IEC61850通信規約接入測試和GB/T19862-2005準確度測試，測試界麵如圖4所示。

自動校準結果表明：研製的數字式多通道雙CPU電能在線監測係統,其基波電流/電壓、諧波、三相不平衡度、電壓波動、電壓閃變等特征指標，均滿足IEC61850等規範標準規定的誤差限值，測量數據準確可靠且精度高。

經校準滿足規範標準要求後，該電能在線監測係統裝置在醫院10KV變電站電能管理係統中應用。其中，電子式CT/PT電流電壓互感器安裝在10KV進線開關(guan) 櫃中，0.4KV監測終端通過雙CPU數據采集裝置將采樣信號送到電能在線監測裝置，再以IEC61850通信規約上傳(chuan) 到醫院能源管理電能在線監測集控中心平台。根據醫院10KV變電站實際情況，監控/監測 終端、數據采集模塊、DSP/ARM芯片模塊等采取集中組屏方式安裝。係統投運後，各設備運行性能穩定，供電電能質量評估優(you) 良率達到98%，整個(ge) 10 kV變電站供電側(ce) 電能監測數據一致性、實時性、完整性均好。表1~3所示為(wei) 醫院采用雙CPU電能在線監測係統，對10 kV側(ce) 和0.4 kV電能質量在線監測數據結果，監測時間為(wei) 連續24h,諧波統計數據為(wei) 95%概率值。

從(cong) 表1~3可知，本文所建立的電能質量在線監測係統，能夠準確可靠對電能特征指標數據進行24h實時連續監測，同時可以利用內(nei) 部DSP數據處理單元智能運行分析生成對應的 SVC/SVG調控決(jue) 策，動態進行適當無功容量補償(chang) 。在係統自動監測調控作用下，醫院供電電能質量得到有效改善，電壓不平衡度*大為(wei) 2.15，低於(yu) 規範要求的2.5限製指標；短時閃變*大值為(wei) 0.83，長時閃變*大值為(wei) 0.66；均滿足規範限值要求；典型諧波分量含有率95%，統計值也在規範允許範圍內(nei) 。

5 AcrelEMS-MED醫院能源管理平台

5.1平台概述

AcrelEMS-MED醫院能源管理平台充分結合《醫療建築電氣設計規範》《綠色醫院建築評價(jia) 標準》、《醫院建築能耗監管係統建設技術導則》等行業(ye) 規範、根據醫院用戶需求以及能源管理部門要求，采集分析能源、能耗、能效數據，監測以電能質量、智慧用電相關(guan) 指標以及其他用能指標，並與(yu) 國家能源政策與(yu) 用能模式改革結合。能夠輔助醫院後勤管理人員進行能源供應係統及設備的運行管理工作，幫助醫院管理層實時掌握醫院的能耗情況，為(wei) 醫院能源信息化建設和節能管理提供了良好的技術平台。

5.2平台組成

安科瑞醫院能源管理係統建立基於(yu) 雲(yun) 平台的“監、控、維"一體(ti) 化的能源管理係統，從(cong) 數據采集、設備控製、數據分析、異常預警、運維派單、係統架構和綜合數據服務等方麵的設計，幫助醫院後勤管理部門了解醫院能源運行情況，關(guan) 注消防和電氣安全，及時預警異常情況，提高運維效率。它集成了10KV/O.4KV變電站18luck新客户端係統、變電所運維雲(yun) 平台，配電房綜合監控係統，能耗管理係統，智能照明控製係統，智慧消防平台，電氣火災監控係統，消防設備電源監控係統，防火門監控係統，消防應急照明和疏散指示係統，充電樁管理係統，電能質量治理解決(jue) 方案，醫療隔離電源解決(jue) 方案，

5.3平台拓撲圖

5.4平台子係統

（1）醫院18luck新客户端解決(jue) 方案

18luck新客户端係統實現對變壓器、柴油發電機、斷路器以及其它重要設備進行監視、測量、記錄、報警等功能，並與(yu) 保護設備和遠方控製中心及其他設備通信，實時掌握供電係統運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高醫院供電可靠性。

18luck新客户端係統主要針對開閉所和10/0.4kV變電所，對高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀(yi) 表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀(yi) 表，用於(yu) 測控出線回路電氣參數和用能情況。同時對醫院重要設備如柴油發電機、無功補償(chang) 裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源係統狀態進行監測。

（2）醫院變電所運維雲(yun) 平台解決(jue) 方案

AcrelCloud-1000電力運維雲(yun) 平台采用多功能電力傳(chuan) 感器、無線通信、邊緣計算網關(guan) 及大數據分析技術，通過智能網關(guan) 采集現場數據並存儲(chu) 在本地，再定時向雲(yun) 平台推送數據。平台采集的數據包括變電所回路電氣參數和變壓器溫度、環境溫濕度、浸水、煙霧、視頻、門禁等信息，有異常發生10S內(nei) 通過短信和APP發出告警信號。平台通過手機APP下發運維任務到相關(guan) 人員手機上，並通過GPS跟蹤運維執行過程進行閉環，提高運維效率，即時發現運行缺陷並做消缺處理。

（3）醫院配電房綜合監控係統解決(jue) 方案

Acrel-2000E配電室綜合監控係統，可實現開關(guan) 櫃運行監控、高壓開關(guan) 櫃帶電顯示、母線及電纜測溫監測、環境溫濕度監測、有害氣體(ti) 監測、安防監控，可對燈光、風機、除濕機、空調控製等設備進行聯動控製。實現動力環境各數據的檢測與(yu) 設備控製，優(you) 化動力環境，避免運行環境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，實現配電動力環境的分布式遠程管理。

（4）醫院能耗管理係統解決(jue) 方案

對建築各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統計和分析。能夠合理的確定各科室建築能耗經濟指標及績效考核指標，發現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動節能的意識。

①　搭建醫院智慧能源管理係統的基本框架，對各個(ge) 用能環節進行實時監測；

②　排碳數據化：通過係統可實現建築單位內(nei) 人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③　區域能效比：實現建築單位內(nei) 區域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位麵積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭(zheng) 排名：各個(ge) 科室能耗對比，實現能耗排名，增強全院工作人員的節能意識；

⑦　對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，並根據能耗監測管理係統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為(wei) 能耗運營管理部門提供可靠的依據；

⑧　能耗數據采集，隨時查詢，並根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀(yi) 表故障進行報警，提高係統信息化、自動化水平。

（5）醫院智能照明控製係統解決(jue) 方案

醫院人流比較密集，科室較多，照明用電在醫院電能消耗中約占到15%左右。所以合理使用照明控製係統，在提升醫生和患者的體(ti) 驗情況下大程度使用自然光照明，通過感應控製做到人來燈亮，人走燈滅或保持地強度照明，盡量解決(jue) 照明用電。

ASL1000智能照明控製係統可以實現場景控製、時間控製、區域控製、光照度感應控製以及紅外感應控製等多種控製方式，能有效避免公共區域的照明浪費，還可以幫助醫院管理照明。

係統在配電箱內(nei) 的模塊主要有總線電源、開關(guan) 驅動器、IP網關(guan) 、耦合器、幹接點輸入模塊等。這些模塊使用35mm標準導軌安裝。

安裝在控製現場的模塊主要有光照度傳(chuan) 感器、紅外傳(chuan) 感器和智能麵板。有人經過可以設定紅外感應控製亮燈，人離開後在設定的時間內(nei) 熄燈，智能麵板等手動控製設備，可實現自動控製、現場控製和值班室遠程控製相結合。

（6）醫院智慧消防平台解決(jue) 方案

智慧消防雲(yun) 平台基於(yu) 物聯網、大數據、雲(yun) 計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，並對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過雲(yun) 平台進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“係統化"需求。從(cong) 火災預防，到火情報警，再到控製聯動，在統一的係統大平台內(nei) 運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平台直觀地看到每一棟建築物中各類消防設備和傳(chuan) 感器的運行狀況，並能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內(nei) ，相關(guan) 報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關(guan) 人員。

（7）醫院電氣火災監控係統解決(jue) 方案

電氣火災監控係統作為(wei) 火災自動報警係統的預警子係統，由電氣火災監控主機、電氣火災監控單元、剩餘(yu) 電流式電氣火災探測器以及測溫式電氣火災探測器組成，通過現場總線構成一套完整的預防電氣火災的監控係統，數據可集成至企業(ye) 消控室監控係統。

醫院電氣火災監控係統以建築為(wei) 單位設置，采集數據後上傳(chuan) 至值班室監控主機，實現對建築電氣安全預警。現場設置的傳(chuan) 感器監測配電係統回路的漏電電流和線纜溫度，異常時實時發出報警信號，重點關(guan) 注門診樓、住院樓、醫技樓等區域漏電或者電纜發熱等問題。

（8）醫院消防設備電源監控係統解決(jue) 方案

醫院消防安全非常重要，消防設備比較多，消防設備電源監控係統主要功能就是用於(yu) 監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

消防設備電源監控監控係統采用消防二總線，以建築為(wei) 單位設置區域分機采集消防設備電源狀態，區域分機通過二總線接收多台傳(chuan) 感器的電壓、電流信息和開關(guan) 狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視。

（9）醫院防火門監控係統解決(jue) 方案

醫院防火門數量比較多，由於(yu) 部分區域經常有人走動，常開常閉防火門數量都不少，防火門監控係統的作用就是監測防火門開閉狀態，在發生火災後自動關(guan) 閉常開防火門，防止煙霧擴散。防火門監控係統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，用於(yu) 監測和控製防火門狀態，當防火門發生異常位置信號時，防火門監控器能發出故障報警信號，指示故障報警部位並保存故障報警信息。發生火災時，關(guan) 閉事故區域所有常開防火門，防止煙霧向安全區域擴散。

（10）醫院消防應急照明和疏散指示係統解決(jue) 方案

醫院人員流動性強，密度大，消防比較複雜，一旦發生火災，疏散指示係統非常重要。消防應急照明和指示係統可以和火災報警係統聯動，提供應急照明和疏散路徑指示，指引人群快速找到疏散出口，並可以一鍵選擇疏散應急預案，提升人員逃生概率。

（11）醫院有源諧波治理係統解決(jue) 方案

都是諧波源，比如X光機、CT機等都會(hui) 產(chan) 生大量諧波，諧波使電能的生產(chan) 、傳(chuan) 輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產(chan) 生振動和噪聲，並使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力係統局部並聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會(hui) 引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂(luan) 。對於(yu) 醫院的精密化驗設備可能會(hui) 產(chan) 生幹擾。

為(wei) 了消除配電係統諧波對醫院設備的影響，方案配置AnSinI有源濾波器，濾除電網2~31次諧波幹擾。

AnSinI係列有源電力濾波裝置，以並聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從(cong) 變流器中產(chan) 生一個(ge) 和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量並實時注入電力係統，從(cong) 而實現諧波治理和無功補償(chang) 。

（12）醫院充電樁係統解決(jue) 方案

醫院停車場有電動汽車和電動自行車，均需要提供充電樁。充電樁管理係統通過物聯網技術對接入係統的充電樁站點和各個(ge) 充電樁進行不間斷地數據采集和監控，解決(jue) 物業(ye) 、用電管理部門的充電樁使用、監控問題。電動自行車充電可采用投幣、掃碼充電方式，電動汽車支持IC卡和掃碼充電方式。遠程充電樁係統可實時遠程完成啟動充電、強製停止、單價(jia) 設置等控製指令，用戶可通過APP、微信、支付寶小程序掃描二維碼，進行支付後，係統發起充電請求，控製二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一係列故障進行預警；能夠遠程控製，提供財務報表和數據分析等功能。

（13）醫院醫療隔離電源解決(jue) 方案

《民用建築電氣設計規範》14.7.6.3條明確規定：在電源突然中斷後，重大醫療危險的場所，應采用電力係統不接地（IT係統）的供電方式。同時《醫院潔淨手術部建築技術規範》GB50333-2002中規定：2類醫療場所在維持患者生命，外科手術和其他位於(yu) 患者周圍的電氣裝置均應采用醫用IT係統。如：搶救室（門診手術室）、手術室、心髒監控治療室、導管介入室、血管照影檢查室等。

安科瑞電氣股份有限公司的醫療隔離電源解決(jue) 方案是針對醫療Ⅱ類場所的供電需求而開發設計的，能夠很好的滿足各類手術室和重症監護室對電源安全性和可靠性的要求，並符合國家相關(guan) 標準。

6 相關(guan) 平台部署硬件選型清單

6.118luck新客户端係統硬件配置

6.2變電所運維雲(yun) 平台硬件配置