无线电能监控模块及智能化配电系统在医院现有建筑改造中的应用

魏方兴

(江西省建筑设计研究总院，南昌330046)

0 引言

根据国务院办公厅2015年发布的《全国医疗卫生服务体系规划纲要》，2004～2013年全国医疗卫生机构总诊疗人次由每年39.91亿人次增加到73.14亿人次，年均增长6.96%，住院人数年均增长12.42%。我国城镇化率不断提高，2013年达到53.73%，分地区医疗卫生资源供需矛盾更加突出，医疗卫生资源布局调整面临更大挑战。故在2015～2020年，我国在不同的属地层级实行资源梯度配置。地市级及以下，基本医疗服务和公共卫生资源按照常住人口规模和服务半径合理布局；省部级及以上，分区域统筹考虑、重点布局。

对于医疗建筑而言，无论新建工程还是现有改造工程，都应符合绿色建筑要求。所谓“绿色医院”，就是指在医院的全寿命周期内(规划、设计、建造、运行、维护和拆解等)对周围环境的有害影响较小，对资源的需求相对较少，但是在节省资源(比如节地、节水、节能、节材等)的情况下并不减少医院内部使用人员(包括病人、医务人员以及访客)的良好体验。

GB/T 51153-2015《绿色医院建筑评价标准》5.5.2规定，建筑能耗进行分区和分项计量。本条评分总分值为16分，并应按表1规则评分。

建筑能耗分区分项评分规则表 表1

GB/T51141-2015《既有建筑绿色改造评价标准》8.2.1规定，供配电系统按系统分类或管理单元设置电能计量表，评价分值为5分。

根据以上两规范条文规定，改造的医院建筑，应对供配电系统分类或分管理单元设置电能计量表。

1 工程现状及改造需求及困难

本工程为江西省某三甲医院项目的老院改造项目。医院原有门诊楼一栋，8层，约3万m2；住院楼一栋，26层，约6万m2；其余附属用房办公楼、后勤楼、科研楼等，均为3～4层建筑，总面积约0.5万m2。

医院原有变压器4台，容量均为1 600kVA/台，设置在地下车库。现有空调变压器高峰时负载率约为75%，照明动力变压器高峰时负载率约为70%。

老院以节约资源，改善环境，提升功能等为目标，对现有建筑进行更新改造。医院的供配电系统按需改造，既要满足医院改造时的供配电调整，如用电负荷的增加和调配；也要满足建筑绿色改造的评价标准，需增加电能计量表。

按照改造需求，有以下几处困难。

(1)医院改造主要为了改善医疗条件，服务更多的患者，使得医疗设备增加，用电负荷增大。但医院的就诊人员较多，无法停诊进行改造，改造工程只能分期进行，无法停电更换变压器。

(2)工程现有变电所布置已经较为紧凑，虽然原有空调变压器的配电柜还有少量增加空间，但原有照明动力变压器的配电柜可增加空间不足，如图1所示。

图1 医院现有变电所平面布局

(3)医院原有配电柜内抽屉均为指针表，并无智能仪表，无法实现计量及远传的功能。

2 确定改造方案

2.1 配电柜抽屉计量方案

根据本院变电所改造的需求，配电柜内需增设计量表。现在市场及行业大部分使用的是“互感器＋通讯协议”的智能电表模式，如在改造中使用此方案，需要互感器作为中间环节测量电能参数，虽现有配电柜已有互感器，但大多老化、变比需调整，且改造时互感器的安装要求比较复杂，安装的方式及品质均会影响测量结果。

针对以上问题，改造中选用了针对塑壳断路器的无线电能测量模块，该模块有如下优点:(1)电能采集测量装置与断路器一体化设置，在安装时能快速完成安装，节约人工成本及改造时间。(2)保障测量精度，选用1%的电能测量精度，符合IEC61557-12的标准。(3)充分节约安装空间，开发更多柜内空间，节约出来的空间可用于整体容量的增加。(4)采用无线通讯，使安装工作更加简单。(5)可以组建从低压配电柜至终端配电端的无线电能测量方案，覆盖更广、更多、更复杂的应用场景。

综上所述，使用针对塑壳断路器的无线电能测量模块，为一体化安装，节约改造时间；能够满足院方内部计量及核算成本的计量精度；能够配合运维软件平台收集断路器信息。断路器通信与多功能表通讯方式的对比如图2所示。

图2 断路器通信与多功能表通讯方式对比图

2.2 变压器增容解决方案

医院位于城区中心，就医人数较多，无法停诊；但改造中医疗设备增加，用电负荷增大。根据实际计算的改造后负荷，空调变压器增量不大，峰值负载率由原来75%增加为85%，在变压器的正常负载率，照明动力变压器峰值负载率由原来70%增加为105%，超过正常负载率。

如果更换原有变压器，再优化的施工方案也需停电一周左右，医院无法停诊，故改造中，采用数字化电力监控系统及电能管理系统，实时监控、数据分析、控制优化负载曲线。

(1)实时监控:通过一体化电能采集测量装置，实时采集用电功率，在云平台监控，并可就地及远程访问，如用电功率出现异常可以通过云平台和手机APP报警。

(2)数据分析:定期生成用电情况数据报告，报告中含有用电需量分析、峰值统计、不平衡分析、谐波检测等；数据报表可以提供设备能耗横向及纵向对比，挖掘能效提高的可行性方案。“电能需求统计＋变压器容量优化”可节约用电成本，“电能管理系统＋削峰填谷”可避免超出用电限额，“功率因数检测＋电网质量分析”可合理调整电容补偿。

(3)控制优化:在以上监控及分析的基础上，可以进行主动的电能管理，降低最高负荷功率15%，提高系统运行稳定性；并通过系统能耗数据管理和分析，准确发现能耗异常，优化能源使用结构，提高能源效率。

2.3 低压柜空间不足解决方案

医院原有低压柜为MNS柜，多为8E(200mm)及16E(400mm)抽屉柜，抽屉柜内安装的仪表为指针式电流电压表，每个柜7个抽屉左右，留有1～2个备用，每台照明动力变压器有7个出线柜。

为了满足改造时间的要求，改造方案保留原有MNS柜体，抽屉柜改为固定插拔柜，采用电能采集测量装置与断路器一体化后，柜体内取消互感器；每个出线间隔取消仪表，改为每个柜装一台智能多回路电能仪表，160A断路器及以下的断路器采用8E/2规格，250A断路器采用8E规格，400A及以上断路器采用16E或24E。节约出线间隔空间，在不增加配电柜数量的前提下，满足改造后供电回路数量要求。

3 改造中的其他问题

3.1 电力监控/能源管理系统组网

根据之前确定的解决方案，设置现场层、通讯接口层、监控管理层三层结构。

现场层为一体化电能采集测量装置，完成测量、保护、控制、操作监控等功能，可通过无线网(ZigBee)与通讯接口层上送装置测量、保护动作等信息，并能接收上层操作命令，在断路器上加装分励脱扣及自动合闸附件，实现远程控制。

通讯接口层是系统网络构成的纽带，可完成监控管理层与现场层之间的实时信息交换，包括通讯管理机、交换机、网关等。与现场层通讯为无线link网关，每个网关可以监测和控制12台一体化电能采集测量装置，网关通过以太网向上一层传输数据。

监控管理层由后台监控设备构成，显示人机界面，完成对数据的收集处理显示监视等功能，可为一台计算机主机或双服务器冗余结构。

3.2 系统的扩展性

电力监控/能源管理系统组网完成后，还能根据业主方的实际需求，做横向及纵向的扩展。

(1)横向扩展:即为系统除了监控低压配电柜外，还能监控高压配电柜、重要空调配电柜以及其他就地的小配电箱，对其用电量、能耗情况作出实时的监测，也可以在断路器上安装附件后实现远程控制。

(2)纵向扩展:除监控用电量及能耗外，可以加入电能质量分析系统、远程运维管理系统以及边缘控制。电能质量分析系统即是对系统运行中的谐波等电能质量数据进行采集和分析，远程运维管理系统是对设备作出资产管理、报警管理及维护计划管理，边缘控制是不论在现场还是远程，均能帮助业主及时精确专业的部署和运营。

4 结束语

智能化配电在今后的项目将会应用的越来越广，场景及内容越来越丰富，且新技术也越来越多，以实现配电更加高效、安全、舒适、方便的目的。希望通过本改造中的解决方案，能对今后的智能化配电有所借鉴和帮助。