医疗系统中模块化UPS应用方案

1 前言

近几年医疗系统的集中化管理已成为一种发展趋势。对于数据中心、关键设备的保护更是重中之重，尤其是那些生命攸关的场所，如：洁净手术室﹑ICU重症监护室﹑CCU心脏监护室、产房等场所重要电力负荷区，必须配备UPS后备电源，其目的就是保证为该场所内的医疗电气设备提供一个安全、可靠的电源保障，用以确保病人的生命安全、提高医疗服务质量。

我国2002年11月26日发布，12月1日开始实施的《医疗洁净手术部建筑技术规范》，其中8.3 配电要求：由于手术室的重要性，手述室内用电设备配电盘须加隔离变压器。

某三甲综合医院，重要关键性典型负载的统计如下：洁净手术室 5个 房间(床位);ICU重症监护室20个房间(床位);产房5个房间(床位)。负载总容量预计为：100kVA 。

2 方案配置

2.1 台达UPS配置方案

用于医疗系统的台达模块化UPS电源配置方案列于表1。

表1 模块化UPS电源配置方案

2.2 HIFT UPS供电方案说明

为提高供电系统的安全、可靠性，传统供电方案是采用两台UPS单机并联冗余方式运行，虽然这在一定程度上提高了可靠性，但是它不便于在线维护、扩容，同时对设备的利用不充分、效率低、缺乏灵活性扩充，更重要的，系统的冗余数仅为1。

而HIFT UPS采用模块化设计的结构极具弹性，可实现模块N+X自动弹性组合冗余，供电系统拥有最高的可靠性。同时，客户还可通过定购额外的模块，来增加HIFT的备用冗余能力。HIFT UPS具有随需扩容的性能优势，可以按照现在的负载先进行配置,当机房负载扩容容量增加时,直接热插入模块,扩容灵活、方便，以20kVA一个模块为单位最大可扩充至480kVA的冗余供电系统。

根据用户负载需求，台达提供一种更经济的HIFT UPS供电系统冗余配置方案，采用HIFT 120kVA UPS 1台，由6个20kVA模块组成总功率120kVA，模块5+1并联冗余系统。根据医疗系统规范标准对配电系统的要求，UPS输出端配置隔离变压器，输出侧采用TN-S配电系统，确保供电系统更安全可靠、提供更佳的保护效果。图1为HIFT 120kVA UPS模块冗余供电系统图。

图1

3 方案优势

3.1 安全可靠

⑴ HIFT 120K模块5+1并联冗余可靠性分析

采用普通UPS单机100kVA 1+1并联冗余系统的可靠性计算公式为式(1)。

( 1)

式中：R(t)表示单机可靠性;RN+X(t)表示系统可靠性; 表示并联冗余系统中X+1个子系统故障时的组合数。

如果单机可靠性为R(t)=0.99，代入式(1)得到1+1并联系统的可靠性为：

R1+1(t)=1-[1-R(t)]2=0.9999

普通UPS单机100kVA 1+1并联冗余方案中，无论实际运行负载是多少，冗余数始终都为1不变，UPS供电系统的可靠性始终为0.9999。

采用台达HIFT 120K UPS模块5+1冗余的方案中，当实际负载为设计容量的60%时(实际负载:100kVA×60%=60kVA),实际负载占3个模块，此时供电系统冗余数为3个模块，实际运行时是模块3+3的并联冗余系统。也就只有4个功率模块同时故障的时候，UPS才会转旁路工作，才会在无保护的状态下运行。

如果单个模块的可靠性为 ，代入公式(1)得模块3+3并联冗余系统的可靠性为：

R3+3(t)={1-[1-0.99]4}10=0.9999999。

同理，当实际负载为设计容量的30%时(实际负载:100kVA×30%=30kVA)，HIFT 120K UPS系统实际运行时是模块2+4并联冗余系统，代入公式(1)可得可靠性为：R2+4(t)={1-[1-0.99]5}3=0.999999997。

⑵ 可靠性比较

不同负载的可靠性比较列于表2。

表2

从表2可见，由1+1并联组成冗余供电系统，当单机可靠性为0.99时，并机系统可靠性可达到0.9999。

由HIFT UPS组成的N+X冗余系统，当单个模块可靠性同样为0.99时，根据实际负载量的变化弹性组合成的模块3+3冗余系统，可靠性为0.9999999，比单机1+1并联冗余系统的可靠性高出1000倍;模块2+4冗余系统的可靠性为0.9999999997，比单机1+1并联冗余系统的可靠性高出333333倍。

另外，由单机1+1并联组成的冗余供电系统，当单机可靠性为0.99时，并机系统可靠性达到0.9999，此值与负载量无关。也就是说，不管系统实际负载量是多少，系统永远是1+1冗余，不允许两台同时故障，可靠性永远是0.9999。

但是，在HIFT UPS组成的N+X冗余供电系统，系统的实际负载量占设备容量的大小与系统的可靠性息息相关，实际负载量越低，系统可靠性越高。客户可以通过在线增加功率模块来提高系统可靠性，以保证系统更加的安全、可靠地运行。

3.2 动态扩容

HIFT UPS因采用模块化结构，可以在20kVA∽480kVA的宽广范围内，以20kVA为单位来随时随需在线扩容，客户不再需要仅是为未来的可能性而提前投入大笔费用。

图2

HIFT UPS的这种灵活性，即允许配置容量最贴近实际需求容量的能力，不仅降低了UPS的初始购置成本，更减少了配套设备(如空调)的配置与能耗支出，有效防止了基础设施超前超大规模设计导致的不必要开支。

3.3 高效节能

传统的单机1+1并联冗余供电系统中，采取了一次到位的投资方式，双机并联负载均分运行，导致UPS整机效率大幅降低(实际工作中1+1并机系统中单机的负载率一般在30%)，系统低效率状态下运行(在30%负载情况下整机效率仅为80%)。图3 为一般UPS产品单机在不同负载百分比情况下的效率示意图。

图3

而HIFT(海福) UPS，即使带载只有额定容量的15%，整机效率亦超过90%;当带载达到27%时，效率就已高达94%。效率在百分比上的每一小步提升，能耗支出的节省将会降低一大步。图4为HIFT 120K UPS工作效率与负载关系的曲线图。供电方案能耗比较列于表3。

图4 HIFT UPS AC-AC效率图

表3 供电方案能耗比较

负荷容量按100kVA计算的UPS系统，HIFT UPS系统使得整机效率提高了8%，则一年可以节省86690度电。按照工业用电1.5元/度计算，可以节省电费13万元运营费。我们不难发现，在某些地区、城市，既使愿意多付出13万元，也会因为能源供应不足，而无法保证系统的正常用电(特别是在用电高峰季节尤为突出)，在这个时候，HIFT UPS在高效节能方面的特性，才尤为突出，值得更加关注。

4 结论

台达HIFT(海福)模块化UPS高智能容错供电系统，有力保障医疗单位100%地安全、可靠运行，为人民的健康及生命筑起了一道安全保障，真正成为人民生命安全的守护神。希望能利用此文提供给更多的医疗行业用户作参考。

作者简介

郑强(1982~),男,中达电通股份有限公司UPS产品开发处,主要负责售前技术支持工作■