医疗系统中模块化UPS应用方案

郑强

中达电通股份有限公司 关键基础架构(MCIS)产品开发处，四川 成都 610000

0 前言

近几年医疗系统的集中化管理已成为一种发展趋势，特别是数字医疗系统的应用，使得医疗机构拥有完善健全的信息数据库，大大方便医生诊断和病人自查、实现远程会诊所需要的病人综合数据调用及共享，实现快速有效服务，提高医院竞争力。现今医疗机构中，大部分设备已普遍配备不间断电源（UPS），为其提供安全、可靠的电源保护。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，对供配电系统提出了更高的要求。我国2002年12月1日开始实施的GB50333-2002《医疗洁净手术部建筑技术规范》中8.3配电要求：“心脏外科手术室必须设置有隔离变压器的功能性接地系统”。所以，配备具有高可靠的UPS供电系统，是保护该场所内的大型及高、精、尖医疗设备安全、可靠正常运行以及提高医疗服务质量的关键之一。

现以某三甲综合医院，重要医疗设备总容量预计100 kVA为例，对UPS供电系统的配置以及供电方案进行比较与分析。

1 方案配置

1.1 UPS配置方案

用于医疗系统的台达模块化UPS电源配置方案,见表1。

表1 模块化UPS电源配置方案

1.2 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，且系统的冗余数仅为1。

台达HIFT UPS采用模块化设计的结构富有弹性，可实现模块N+X自动弹性组合冗余，供电系统拥有高可靠性。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，当负载设备增加时，直接热插入模块，扩容灵活、方便，以1个20 kVA模块为单位，最大可扩充至480 kVA的冗余供电系统。

根据用户用电设备需求，台达提供了一种HIFT UPS供电系统冗余配置方案，采用HIFT 120 kVA UPS 1台，由6个20 kVA模块组成总功率120 kVA，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，确保供电系统安全可靠。供电系统，见图1。

图1 HIFT 120 kVA UPS模块冗余供电系统图

2 方案优势

2.1 安全可靠

2.1.1 HIFT 120 K模块5+1并联冗余可靠性分析

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

HIFT 120K UPS模块5+1冗余方案中，当实际负载为设计容量的60%时（实际负载：100 kVA×60%=60 kVA），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。也就是只有4个功率模块同时故障的时候，UPS才会转旁路工作，在无保护的状态下运行。

如果单个模块的可靠性为R(t)=0.99，代入公式（1）（其中N=3、X=3）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：

2.1.2 可靠性比较

不同负载的可靠性比较，见表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。

表2 不同负载的可靠性比较

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。

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保证系统安全、可靠地运行。

2.2 动态扩容

HIFT UPS因采用模块化结构，可以在20～480 kVA范围内，以20 kVA为单位来随时随需在线扩容，HIFT UPS的这种灵活性，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。

2.3 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%），系统运行效率低（在30%负载情况下整机效率仅为80%）。传统UPS电源单机在不同负载百分比情况下的效率示意图，见图2。

图2 传统UPS负载与效率关系示意图

而HIFT 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，能耗支出都会节省一大截。HIFT 120K UPS工作效率与负载关系的曲线图，见图3，供电方案能耗比较，见表3。

图3 HIFT UPS AC-AC效率图

表3 供电方案能耗比较

负荷容量按100 kVA计算的UPS系统，HIFT UPS系统使得整机效率提高了8%，1年可以节省电86690°。按照工业用电1.5元/度计算，可以节省电费13万元运营费。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），HIFT UPS具有高效节能的显著特性。

3 结论

从上面所述可知，UPS电源系统采用模块化设计方案，提高了系统的可用性、适应性，并降低了总拥有成本（TCO）。模块化系统可以根据医疗系统对供电系统的不同需求，做到灵活建配，降低扩容成本及风险；应对电子设备故障的随机特性，模块化设计采用标准的在线热拔插更换操作，能够做到快速修复及减少人为的错误，提高系统的可用性；与传统的双机并联冗余供电系统相比较，不仅具有更经济的设备投资成本，且大大降低了能源成本。

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