智能配电系统在医院用电安全与智慧运维的应用
【摘 要】闪络、谐波、三相不平衡及设备运行状态失效是威胁医院用电安全的重要因素，传统后勤对于医院配电系统的管理存在较多问题。智能配电管理系统可通过智能化断路器实现电能管理、故障管理最终实现配电系统的智慧运维，能及时预警医院电力系统存在的隐患，大幅提升医院用电安全。
【关键词】医院用电安全 闪络 谐波 三相不平衡 智能配电 智慧运维
随着社会经济的高速发展，我国医院建设也进入高速发展期，大型综合性医院的建设成为社会关注的焦点，如何最大限度提升医院的用电安全性是我们面临的挑战，大型医疗设备的普及也对电能质量提出了更高的要求。目前，医院的电力系统存在较多隐患，主要有以下几点：
1. 闪络损坏精密医疗设备
当电网、变电设施的故障或负荷突然出现大的变化，输配电系统中发生的电力系统故障、雷击、大型电机启动、电容器的投切时，电网电压有效值暂时降低至额定电压的10%～90%，并持续 10ms～1min及造成闪络，给医院造成巨大的经济损失：如造成医院MRI、DSA、CT等设备的检测和控制部分电路板出现故障甚至烧毁，导致设备不能正常运行。
2. 谐波影响医疗设备可靠运行
大型医疗设备广泛采用电力电子元件，为非线性负荷，进而造成医院配电系统谐波含量不断增加;医院内部的变频装置、LED照明灯具的规模使用也会产生大量奇次谐波，如不及时监测治理会对医院手术室的高频电刀、ICU抢救设备如起搏器透析设备、ICU监视设备如心电图机的正常使用造成影响，最终威胁患者安全。同时，谐波冲击电流还会造成MRI、CT、DSA、DR、SPECT和回旋加速器等设备电路板烧毁，造成巨大经济损失，危害患者人身安全。
3. 三相不平衡影响医疗设备正常使用寿命
配电系统发生接地故障、用电负荷发生变化、维护操作不当时均会造成三相不平衡，进而造成医疗设备的异常发热和振动，无法安全运行。
4. 供电设备运行状态无法判断，用电安全隐患大
医疗院区投运时间较长，配电系统断路器有的已使用20年以上，其状态无法判断;双电源转换开关运行状态也无法判断，一旦出现故障造成大面积停电。若对供电设备盲目进行检测，对完好设备进行过度维修，造成人力、物力的浪费，并可能引入新的故障隐患。
传统医院采用电力监控系统一般通过微机综合保护装置监控高压系统，智能仪表监控低压系统，监控范围大多局限在变配电室，仅为状态量的检测，无法覆盖断路器及整个低压配电系统，无法真正解决医院电力系统存在的隐患。
图1 传统电力监控系统架构图
基于上述问题，我院以某楼栋低压配电房整体改造为契机，结合一站式后勤管理系统相关的应用需求，以基础智能化硬件为核心，搭建了新型的智能化配电系统，取得良好的应用效果。智能配电系统架构如下：
图2 智能配电系统架构图
通过物联网型低压断路器形成设备感知层，在低压配电系统关键点位配置智能型断路器，通过有线485、无线WIFI、4G、5G网络方式形成网络连接层，搭载本地控制系统即可实现智能配电系统的本地化管理，搭载云端服务器即可实现远程化管理;智能配电系统采用物联网及云平台技术，实时监控各配电设备的运行状态，能耗数据及系统信息，对采集到的数据和信息进行相应的分析展示，实现项目现场配电平台系统内的配电设备、网络系统、监管系统的互联互通和数据共享交换。智能配电系统是一个开放式框架平台，可以集成，连接和管理各种协议，各种智能配电设备和系统。基于平台化的集成管理，从而有效帮助医院的不同层级管理、运维及操作人员，通过智能配电云平台，对智能配电系统进行互联互通操作。且可兼容高压系统电力监控与变压器温度等状态量，最终实现医院的用电安全和智慧运维。
图3 智能配电柜及元器件
选用的物联网智能型框架断路器(ACB)、物联网智能型塑壳断路器(MCCB)具备健康状况自诊断功能，可快速确定故障类型，记录故障;具有电流、电压、功率因数、电能、谐波测量功能，能分析谐波构成，且能实现负载监控、三相不平衡检测、监测触头损耗、寿命、温度、开合等功能，可对配电线路状态进行自诊断、识别、保护;选用的物联网智能微型断路器(MCB)可实现末端智能化检测与保护;物联网智能型双电源转换开关(ATSE)可实现电压、频率、相角等监测，可在线监测本体温度，实现供电连续超温报警技术;内置自动测试功能，便于保养维护。智能化低压开关成套设备可搭载温度、湿度、水浸、粉尘等各项传感器，集成为一套完整的电力运行感知系统。
某楼栋低压配电房实践案例及主要功能：
图4-1 低压一次系统实际配置案例
图4-2 低压一次系统实际配置案例
场站管理
集合地图查询、项目地搜索，一键调取子项目信息;支持多项目地集控界面，大屏幕显示，便于总部管控，特别适合多院区同质化管理;用电趋势、实时能耗、能效对比大数据分析;设备状态、故障报警、视频监控可视化管理;配电室、开关柜分层级台账管理，一目了然。
图5-1 智能配电监控平台
电能管理
实时监控配电系统线路状态，实现功率因数实时上报，辅助提醒能效率，达到电网要求;谐波专业采集分析，实时预警，提醒用户实现电能质量综合治理，最终解决医院配电系统谐波影响等电能质量问题。
图5-2 智能配电监控平台
智能配电
断路器电压、电流、合分闸、触头磨损等运行状态实时掌控，产品健康度实时查询，打造透明电网，提升运维及时性;产品出厂基本信息轻松绑定，避免冗长记录长期遗失;断路器保护电流时间远程整定，双电源阈值延时快速调整;同层级元器件配置统一部署，元件更换历史配置一键还原;断路器远程分合闸操作，双电源主备测试转换，无需就地检修，电源电压实时保护，出现闪络等故障情况及时切换致备用电源，保障供电可靠性;操作员、监护员双密码口令验证，符合电网安规，避免误操作。
图5-3 智能配电监控平台
故障管理
结合实际使用情况，自定预警阈值，提前故障预防;多类型故障全方位监测，快速定位记录故障具体信息;系统弹窗、短信、邮件等快速提示，避免事故扩大;全面监控设备保护运行参数，搭建健康分析模型大数据分析;形成寿命评估，给出维护或更换建议，避免老化和突发故障;最大限度提升配电系统安全性，降低停电时长。
图5-4 智能配电监控平台
智慧运维
系统可据实生成配电回路拓扑图，可及时发现故障在系统中所处的位置，提高故障排查效率;在线实时全面检测，降低人工定期巡检压力;设备故障主动预警，自成闭环工单，提醒人员及时处理;故障分高中低差异等级显示，便于人员聚焦重点;工单日历标记显示，避免维护漏单，长时遗忘;严重故障无法处理时，可一键报修厂家在线协助诊断。实现医院配电状态可感知、故障可预警、差异化智慧运维。
用电安全与智慧运维是医院后勤管理聚焦的重点，智能配电系统通过智能化元器件及配套系统后台可解决医院配电系统闪络、谐波及三相不平衡等问题，并能实时掌握配电回路拓扑、监测供电设备运行状态，可弥补传统配电管理中配电回路功能不清晰、配电设备故障隐患难排查等问题，可大幅提升医院用电安全可靠性，且可兼顾(融入)医院后勤管理平台，打造安全高效的配电设备智慧运维系统。
来源：“第六届远大杯全国医院后勤优秀论文奖”参评论文，南方医科大学南方医院 李鹏
