淺談醫院能源管理電能質量在線監測系統的應用

摘 要：針對供配電系統中大量非線性負荷使用對電能質量實時、可靠、*確的在線監測控制需求，醫院能源管理系統中對電能質量監測無論是監測對象、運算分析算法以及系統功能結構等均需提高。以供配電系統中三相不平衡度、電壓閃變和諧波分量作為電能質量評估指標，構筑“ARM＋DSP"雙CPU嵌入式電能質量在線監測系統。工程實踐應用效果分析表明，雙核電能質量在線監測系統，以IEC61850及國家標準要求的指標參數計算方法為基準，融合DSP和ARM芯片模塊優勢，能夠*確監測和運算分析供電電能質量，并動態調節SVC/SVG無功補償方案，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，在很大程度上得益于電了技術的飛速發展及在醫療領域內的*面滲透。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面的研究，而對于其工作環境因素的研究尤其是供電安全可靠性方面的研究相對較少。對于高精度檢測、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部電路板損壞、計算機控制系統素亂、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供電質量有 關，同時也是醫療設備老化的主要因素。為了為醫療設備檢測、監測和治療質量提供強有力的電能保障,掌握醫院供配電系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。

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化提出更高的要求。目前，國內對電能質量在線監測系統設計已有很多研究，史建平設計一種基于單一DSP芯片為核心的電能監測系統，該系統雖能夠準確進行電能質量計量，但在供電質量在線監測，動態分析和智能決策等功能優化方面存在不足，很難適應醫療設備供電電能在線實時可靠、動態調節等復雜功能調節需求。黃赟設計基于DSP和FPGA設計了三相電能質量信號模擬發生器，雖能有效解決多信號采集問題，但對于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系統，該系統雖然可以準確地檢測穩態電能質量,但其對暫態擾動只能進行定位和識別，無法對暫態擾動分量進行準確檢測，為準確掌握配電系統中的穩態和暫態分量及數值，本文展開“DSP+ARM"雙CUP架構電能質量管理系統研究，通過連續監測諧波、電壓波動和閃變等特征指標并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

醫院供配電系統中由于存在非線性及沖擊性負荷，會從電網系統中暖收大量無功功率，同時還會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系統中無功功率波動引起，當系統中沖擊性和非線性負荷增加時將會嚴重影響供電質量，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(IEC)相關標準，醫院供配電系統主要以10 KV、35KV為主，其電壓波動指標為:10KV為2.5%；35KV為2.0%。

1.2 諧波分量

醫院供配電系統中非線性設備的廣泛使用，勢必會產生一些非穩定瞬態變化分量，疊加后會引起連續周期變化的基波電壓和電流分量發生畸變，即為諧波。諧波是供配電系統中不可避免的隨機擾動，給系統中監測、保護、計量和通訊等設備帶來較大影響，醫院電能管理系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制和消除諧波對供配電系統的影響,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系統

按照“分散監測、集控管理"原則設計醫院電能管理系統，由監控終端層、變配電臺區監控中心層和醫院電能監控中心層共三層結構組成。將醫院每個檢測室、手術室、實驗室、化驗室和*點部位按區域劃分為不同監控點和監測點區域內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10KV變配電臺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系統，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 等無功補償裝置，快速響應、吸收和抑制電網系統中由于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。醫院能源管理系統電能在線監測集控管理系統總體設計方案，如圖1所示。

從圖1可知，電能質量在線監測系統中的*小功能單元為監控終端層設置的監控點和監測點，它們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，并經Internet上傳給電能質量在線監管中心。電能質量在線監測系統采集實時用電信息后，經DSP數據處理器對數據進行實時分析并形成對應調度決策。

3 雙CPU電能監測終端及無功補償控制

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系統的*小功能單元，也是電能數據采集、智能分析和遠程傳輸的核心。為提高監控終端數據處理速度和精度，按照冗余原則綜合ARM在終端設備控制和DSP在數據處理方面的優勢，構造“ARM+DSP"雙CPU嵌入式系統結構，如圖2所示。

從圖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CT和PT互感器二次采集獲取電流/電壓數據，并進行預處理。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，并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并行端口與ARM主控模塊及外部主機并行通信。ARM主控模塊具有較強控制性能，負責接收DSP處理后的電能質量特性數據、在線波動圖形生成、歷史數據分析等功能。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控制所有外部設備，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無功補償控制

監測終端采集到各電能質量在線監管中心的電能數據后，經通信擴展模塊將相應信號傳輸給無功補償控制柜中的無功補償控制器。由控制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,并利用電壓會差進行復核。如果超出設定限制則控制器經內部分析計算投切容量并確定是三相同步投切或是三相分相投切等控制策略，經RS485通訊準確控制 SVC/SVG集成無功補償電容器組的平緩投切,保持供電電壓穩定。

4 雙CPU電能在線監測系統應用分析

為了驗證電能在線監測系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柜體組裝，如圖3所示。

通過編程組建電能在線監測集控管理系統可視化人機界面，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，測試界面如圖4所示。

自動校準結果表明：研制的數字式多通道雙CPU電能在線監測系統,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等規范標準規定的誤差限值，測量數據準確可靠且精度高。

經校準滿足規范標準要求后，該電能在線監測系統裝置在醫院10KV變電站電能管理系統中應用。其中，電子式CT/PT電流電壓互感器安裝在10KV進線開關柜中，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通信規約上傳到醫院能源管理電能在線監測集控中心平臺。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。系統投運后，各設備運行性能穩定，供電電能質量評估優良率達到98%，整個10 kV變電站供電側電能監測數據一致性、實時性、完整性均好。表1~3所示為醫院采用雙CPU電能在線監測系統，對10 kV側和0.4 kV電能質量在線監測數據結果，監測時間為連續24h,諧波統計數據為95%概率值。

從表1~3可知，本文所建立的電能質量在線監測系統，能夠準確可靠對電能特征指標數據進行24h實時連續監測，同時可以利用內部DSP數據處理單元智能運行分析生成對應的 SVC/SVG調控決策，動態進行適當無功容量補償。在系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2.15，低于規范要求的2.5限制指標；短時閃變*大值為0.83，長時閃變*大值為0.66；均滿足規范限值要求；典型諧波分量含有率95%，統計值也在規范允許范圍內。

5 AcrelEMS-MED醫院能源管理平臺

5.1平臺概述

AcrelEMS-MED醫院能源管理平臺充分結合《醫療建筑電氣設計規范》《綠色醫院建筑評價標準》、《醫院建筑能耗監管系統建設技術導則》等行業規范、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、智慧用電相關指標以及其他用能指標，并與國家能源政策與用能模式改革結合。能夠輔助醫院后勤管理人員進行能源供應系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，為醫院能源信息化建設和節能管理提供了良好的技術平臺。

5.2平臺組成

安科瑞醫院能源管理系統建立基于云平臺的“監、控、維"一體化的能源管理系統，從數據采集、設備控制、數據分析、異常預警、運維派單、系統架構和綜合數據服務等方面的設計，幫助醫院后勤管理部門了解醫院能源運行情況，關注消防和電氣安全，及時預警異常情況，提高運維效率。它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所運維云平臺，配電房綜合監控系統，能耗管理系統，智能照明控制系統，智慧消防平臺，電氣火災監控系統，消防設備電源監控系統，防火門監控系統，消防應急照明和疏散指示系統，充電樁管理系統，電能質量治理解決方案，醫療隔離電源解決方案，

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統

（1）醫院電力監控解決方案

電力監控系統實現對變壓器、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，并與保護設備和遠方控制中心及其他設備通信，實時掌握供電系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。

電力監控系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表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于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、無功補償裝置、有源濾波裝置、UPS、隔離電源系統狀態進行監測。

（2）醫院變電所運維云平臺解決方案

AcrelCloud-1000電力運維云平臺采用多功能電力傳感器、無線通信、邊緣計算網關及大數據分析技術，通過智能網關采集現場數據并存儲在本地，再定時向云平臺推送數據。平臺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內通過短信和APP發出告警信號。平臺通過手機APP下發運維任務到相關人員手機上，并通過GPS跟蹤運維執行過程進行閉環，提高運維效率，即時發現運行缺陷并做消缺處理。

（3）醫院配電房綜合監控系統解決方案

Acrel-2000E配電室綜合監控系統，可實現開關柜運行監控、高壓開關柜帶電顯示、母線及電纜測溫監測、環境溫濕度監測、有害氣體監測、安防監控，可對燈光、風機、除濕機、空調控制等設備進行聯動控制。實現動力環境各數據的檢測與設備控制，優化動力環境，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）醫院能耗管理系統解決方案

對建筑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筑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系統的基本框架，對各個用能環節進行實時監測；

②　排碳數據化：通過系統可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③　區域能效比：實現建筑單位內區域能耗對比，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面積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭排名：各個科室能耗對比，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，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為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，并根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統信息化、自動化水平。

（5）醫院智能照明控制系統解決方案

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制系統，在提升醫生和患者的體驗情況下大程度使用自然光照明，通過感應控制做到人來燈亮，人走燈滅或保持地強度照明，盡量解決照明用電。

ASL1000智能照明控制系統可以實現場景控制、時間控制、區域控制、光照度感應控制以及紅外感應控制等多種控制方式，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。

系統在配電箱內的模塊主要有總線電源、開關驅動器、IP網關、耦合器、干接點輸入模塊等。這些模塊使用35mm標準導軌安裝。

安裝在控制現場的模塊主要有光照度傳感器、紅外傳感器和智能面板。有人經過可以設定紅外感應控制亮燈，人離開后在設定的時間內熄燈，智能面板等手動控制設備，可實現自動控制、現場控制和值班室遠程控制相結合。

（6）醫院智慧消防平臺解決方案

智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云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，并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，通過云平臺進行數據分析、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"、“系統化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并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，相關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人員。

（7）醫院電氣火災監控系統解決方案

電氣火災監控系統作為火災自動報警系統的預警子系統，由電氣火災監控主機、電氣火災監控單元、剩余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系統，數據可集成至企業消控室監控系統。

醫院電氣火災監控系統以建筑為單位設置，采集數據后上傳至值班室監控主機，實現對建筑電氣安全預警?，F場設置的傳感器監測配電系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系統解決方案

醫院消防安全非常重要，消防設備比較多，消防設備電源監控系統主要功能就是用于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系統采用消防二總線，以建筑為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臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視。

（9）醫院防火門監控系統解決方案

醫院防火門數量比較多，由于部分區域經常有人走動，常開常閉防火門數量都不少，防火門監控系統的作用就是監測防火門開閉狀態，在發生火災后自動關閉常開防火門，防止煙霧擴散。防火門監控系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，用于監測和控制防火門狀態，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，指示故障報警部位并保存故障報警信息。發生火災時，關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系統解決方案

醫院人員流動性強，密度大，消防比較復雜，一旦發生火災，疏散指示系統非常重要。消防應急照明和指示系統可以和火災報警系統聯動，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，并可以一鍵選擇疏散應急預案，提升人員逃生概率。

（11）醫院有源諧波治理系統解決方案

都是諧波源，比如X光機、CT機等都會產生大量諧波，諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于醫院的精密化驗設備可能會產生干擾。

為了消除配電系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次諧波干擾。

AnSinI系列有源電力濾波裝置，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償。

（12）醫院充電樁系統解決方案

醫院停車場有電動汽車和電動自行車，均需要提供充電樁。充電樁管理系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，解決物業、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。遠程充電樁系統可實時遠程完成啟動充電、強制停止、單價設置等控制指令，用戶可通過APP、微信、支付寶小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制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、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；能夠遠程控制，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方案

《民用建筑電氣設計規范》14.7.6.3條明確規定：在電源突然中斷后，重大醫療危險的場所，應采用電力系統不接地（IT系統）的供電方式。同時《醫院潔凈手術部建筑技術規范》GB50333-2002中規定：2類醫療場所在維持患者生命，外科手術和其他位于患者周圍的電氣裝置均應采用醫用IT系統。如：搶救室（門診手術室）、手術室、心臟監控治療室、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癥監護室對電源安全性和可靠性的要求，并符合國家相關標準。

6 相關平臺部署硬件選型清單

6.1電力監控系統硬件配置

7 結語

可靠供電是醫院檢測、監測和治療等醫療儀器設備性能正常穩定發揮的重要保證措施。通過電能質量在線實時監測和調控，可及時發現供配電系統中存在的安全隱患，實時調節SVC/SVG裝置進行無功補償，能有效降低和預防供電對醫療設備性能的影響。本文以完善醫院電能質量管理角度出發,選定三相不平衡度、電壓閃變和諧波分量作為電能質量評估重要特征指標，構筑“ARM+DSP"雙CPU嵌入式電能質量在線監測系統。該系統在醫院能源管理系統中的合理應用，不僅能夠滿足電能質量在線監測需求，同時可以根據供配電系統實時運行工況靈活選擇補償模式和補償容量，具有數據采集準確度高、傳輸速率快、調控穩定可靠、適應性和擴展性強等優點，應用前景良好。

參考文獻

[1] 凌靜，李雙齊，葉細鋒．電能質量對醫療設備的影響［J］．醫療衛生裝備，2014，35（7）：119-120，126.

[2] 史建平．基于智能電網的電能質量監測系統研究［J］．電氣應用，2018,37（14）：17-19.

[3] 黃赟．三相電能質量信號發生器的設計與研究［D］．南京：南京理工大學，2010.

[4] 夏建生，趙進全，楊濤．一種高精度的電能質量監測系統［J］．電子測量技術，2016,39（1）：134-141.

[5] 劉建.醫院能源管理電能質量在線監測系統研究與應用

[6] 安科瑞企業微電網選型手冊2021.10版