淺談醫院配電能效監管系統設計與調試

李明君

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:本文以醫院能源監管系統為研究對象,采用智能化技術組建數據庫、構建智能化的能耗信息管理系統,實現對醫院的能源利用狀況進行實時、準確的動態監管。具體而言,該系統建設的主要功能是對醫院的能源消耗進行采集、上報、匯總與分析,并生成動態的數據和報表曲線,以及利用分析后的數據幫助醫院科學的利用能源,實現節能目標。

關鍵詞:醫院；能源監管系統；數據庫；智能樓宇

1醫院能源監管系統的需求分析與建設目標

醫院建筑是高能源消耗場所,從改善病人就診環境、提高醫院內部管理技術手段考慮,醫院建筑對空調、供熱設備的自控、計算機網絡等諸方面都提出了更高的要求。隨著醫院提供完善的、高質量的服務,賦予其更多的則是對能源的更多需求,有資料表明,醫院的能耗是一般公共建筑的1.6-2倍,因此近年來醫院的能源管理與節能改造等日益受到重視,也是醫院降低能耗,減低運營成本的必由之路。以綜合性三甲醫院為例分析,其日常能耗以電力需求*大,主要用于照明、電梯、空調和通風設備等;其次醫院還以燃氣(油)等作為主要能源,用于供應蒸汽、熱水、消毒、洗滌、廚房等;醫院各類醫用設備要求隨時能為病人提供檢查、運送和治療服務。綜上所述,醫院能耗有既間歇又連續的特點,各類設備使用要求多樣,同時能源負荷變動量大,運行時間長并要求控制靈活,能源供應不能間斷,需要完善的整體自控系統、能源檢測和管理系統,以期實現有效控制、檢測和節約能源,降低運行成本。

能源監管系統建設目標如下:

(1)按照中心及附屬設施安裝工程,實現對全院各類能耗、重點能耗設備、機電系統、科室、護理單元的數據收集、分析、挖掘、優化和持續管理。優化主要能源使用和機電設備系統的運營方式,降低醫院的能源需量等級。(4)進一步完善醫院能源管理部門的管理流程和制度,培訓醫院專職能源管理人員,實現對系統的日常使用和維護;借助友好人機交互方式,讓運維人員能快速完成對能耗數據的查詢、錄入、對比、統計等常用操作。

2系統組成與架構

醫院建筑能源監管系統針對醫院特點,應用信息化技術搭建的面向管理層的節能管理平臺、通過對各分類、分項能耗數據的合理采集,準確地掌握不同醫療功能的建筑和重點區域的能耗,有效指導醫院能源管理,同時為高能耗醫院建筑的節能改造和能源審計提供科學依據。

如圖1所示,醫院建筑能源監管系統由計量裝置、數據網關、數據傳輸網絡、數據中轉站、數據服務器、管理軟件等組成。醫院將根據自身能源管理職能分工設置醫院能源監管第三方樓宇自控、設備管理系統轉發的能耗相關數據。

采用清華大學建筑節能研究中心和同方泰德聯合開發的能源監管軟件平臺EMS建筑節能管理平臺軟件。EMS建筑節能管理平臺后臺軟件包括:

(1)通訊系統軟件:用于獲取數據采集器采集的計量儀表原始數據或下一級數據中心運行維護人員對EMS建筑節能管理平臺運行情況進行監管。

3系統關鍵硬件設計

3.1三相電子式智能電能表

三相電子式智能電能表主要計量低壓網絡的三相有功電表,并且使用RS485通訊功能,方便了用戶進行用電監測、集抄和管理。三相電子式智能電能表具有精度高、體積小、安裝方便等特性。可靈活的安裝到配電箱中,可以測量電壓、電流。功率等電量以及無功電量的計量、實現了對不同區域和不同負荷的分項電能計量,統計和分析。儀表需安裝在干燥、通風良好并遠離熱源和強電(磁)場的地方。設備間的間距要便于其拆卸、接線、配置和維護。電流輸入線用大于2.5mm2多股阻燃銅線,電壓輸入線、電源線用1.5mm2多股線,RS485通信1.0mm2屏蔽雙絞線。儀表電壓輸入回路和工作電源回路需要接入合適的保險絲,并提供一個CT短接盒,儀表電流輸入不連接時,須保證CT不開路。智能儀表主端子“V+”和“V-”為供電電源接入端,三相三線接線時,接點Vn和V2須外部短接在一起,電流過大須接入互感器,從而得到感應電流,經過電表設置的互感比,還原線路電流,避免燒壞電表。

3.2智能電力監控儀

智能監控儀采用32位浮點雙核硬件平臺、實時操作系統、16位模數轉換器以及高精度電能計量等技術,產品滿足GB/T17215.322以及GB/T19862-2005標準以及IEC61000-4-30標準要求。能夠滿足高、中、低壓高精度電能計量要求、電能質量檢測分析、電力開關檢測與控制等多方面的應用要求,主要適用于變電柜的總計量中。L,N分別代表給裝置供電的交流電源的火線和零線,如果是直流電源供電,直流電源正極接L/DC+端子,電源負極接N/DC-端子。測量回路中,Ua,Ub,Uc,Un分別代表三相電源A相、B相、C相及中線電壓接入點。Ia,Ib,Ic分別代表三相電源電流接入點,箭頭方向指向端子代表該相電流流向監控儀,相反則表示電流流出監控儀。智能監控儀有兩路串口通訊和一路以太網通訊,本項目采用的是RS485通訊。

3.3超聲波冷熱量表

冷熱量表用于測量及顯示水流經熱交換系統所釋放(或吸收)熱能力的計量儀表,冷熱量表主要由計算器、配對溫度傳感器、流量傳感器等部件組成。超聲波冷熱量表主要是應用超聲波技術測量管道內流量信息的冷熱量表,具有綜合使用成本低、計量可靠性好、管道不堵塞、不磨損,計量精確,維修方便等特點。

3.4能耗采集器

能耗采集器也叫數據采集器,該設備是能耗采集系統的一部分,負責從計量儀表中獲取和存儲能耗數據和運行參數數據,并以基于IP協議承載的有線或無線方式將數據傳輸到數據中心的設備。本論文使用的是一款高性能的能耗采集設備。該采集器有兩種型號,分別可采集64個和32個計量表具,根據現場施工環境,使用不同的采集器,從而節省資源。保證設備的良好通風,避免放置在有腐蝕性或爆炸性氣體或煙霧的區域,建議將設備的通風口向上放置,以保證良好的散熱。在安裝、維修和操作設備時一定要注意防止靜電。

該采集器的設計易于安裝,通過35mm導軌安裝到機柜或配電箱中,只要將該采集器卡到導軌上就行了。采集器采用直流供電,使用開關電源,將220v交流電轉換為24v直流電,注意電源極性,錯誤接線將導致數據無法上傳。通訊配線連接到設備的RS485-A端和RS485-B端,如果在一個端子中插入多根導線,確保將線擰在一起后再插入端子。采用屏蔽電纜作為通訊線將有助于減少通訊總線所受的電磁干擾,增強通訊穩定性。

4系統的調試及其數據分析

4.1能耗計量儀表的調試

能耗計量儀表的調試,本文主要以三相電子式智能電表的調試工作為例,其他能耗計量儀表的調試工作相同,便不做贅述。三相智能式電表的調試,主要的設置工作為:

(1)設置波特率,設置為能耗采集器相同的波特率9600。(2)設置Modbus地址,Modbus地址,為了是明確終端設備在能耗采集器中位置。經過萬用表,一般通過的電壓在5V左右,如果沒有則電路可能虛接,在端子處檢測,恢復到正常,再接入到總線中,總線中電壓應該在4V左右。這里我們使用的是ModbusPoll軟件發送數據到三相電子式智能電表查看它反饋的數據,從而確認了能耗計量儀表能否正常運轉。該軟件相當于采集器的一個仿真,主要測試能耗計量儀表是否正常,如若正常就反饋一些報文到電腦上,顯示一些數據。(3)設置奇偶校驗位,設置為偶校驗,通過總線將儀表連接到外科樓,負一樓的強電井中的能耗采集器中。

4.2能耗采集器的調試

本文中使用的是能耗采集器所對應的網關配置軟件,通過網線接口接到交換機中,能耗采集器接入到交換機,從而設置其網關和添加儀表。

4.2.1設置網關

(1)新建網關配置,“新建”選擇網關,DL645,便生成了初始配置;(2)打開配置文件,選擇保存位置和更改配置文件名;(3)保存網關配置;(4)編輯配置,修改配置信息;(5)添加模塊,編輯儀表配置,沒有配置文件的,可在站下載相對應的網關配置文件,找到儀表對應的型號,顯示儀表的ID。

4.2.2設置采集器

(1)新建采集器配置,選擇“采集器”,顯示初始設置,選擇保存。(2)打開配置,更改配置文件的名字,便于查找,然后編輯配置,更改全局配置。(3)設置總線參數,選擇645總線協議標準,設置波特率,更新周期,總線數據位,總線校驗位,總線停止位。(4)總線下面添加表具,本文只是使用Modbus協議的儀表,*后生成配置文件。

4.2.3下載配置

將配置好的網關,通過串口,輸入到采集器中。選擇電腦中的com口,在軟件中“主頁”界面開始下載配置,在設置采集器中的設置,選擇網關使用的協議,本文使用的是Modbus協議,這樣就可以設置好能耗采集器。

4.3終端數據的采集及其分析

4.3.1能源數據分析報表服務

能源數據分析報表根據醫院日常運營管理需求,每個月根據系統能耗數據為醫院提供能源分析報表。該服務是借助實時監測的大部分運行能耗數據,使醫院能耗管理人員能實時掌握能源系統運行情況,對運行做出合理的調整策略。幫助建筑用戶實現能源系統由粗放型管理轉變為精細型、科學化管理。幫助建筑用戶實現對能源系統的低效率、準故障運行的診斷、提高能源系統的運行可靠;持續性地為建筑用戶提供建筑能源系統*優運行策略。

4.3.2全面能源數據分析報告服務

全面能源數據分析報告服務每兩個月對能源數據進行初步分析,找出解決問題的行動方案,同時出具用能漏洞分析及設備升級改造報告。對能源數據進行深入分析挖掘,找出設備運行的*優方案,同時出具有詳細數據支撐的用能分析及系統升級改造報告。該服務根據能耗的實時使用情況對該建筑的月能耗進行分項分區域對比分析,工作時段與非工作時段的對比,并按照用能評分標準進行評分,*后由智能專家系統給出建筑用能診斷。專家組再根據這

些信息給出建筑節能建議。

能源數據分析報告對接入醫院能耗監測平臺的所有建筑,月度和年度自動對建筑物能耗運行情況進行智能診斷,并生成全面的能耗數據分析報告,診斷內容如下:(1)建筑能耗評價;(2)建筑單位平米能耗與其他同類型建筑的對比;(3)建筑工作時間段與非工作時間段對比圖;(4)建筑各重點用能區域月能耗與去年、上月同期對比;(5)建筑分項月能耗與去年、上月同期對比;(6)智能能耗診斷意見;(7)可加入專家診斷。

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/**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。現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

6.2變電所運維云平臺硬件配置

6.3電房綜合監控系統硬件配置方案

6.4能耗管理系統硬件配置方案

6.5智能照明控制系統硬件配置方案

6.6智慧消防平臺硬件配置方案

6.7電氣火災監控系統硬件配置方案

6.8消防設備電源監控系統硬件配置方案

6.9防火門監控系統硬件配置方案

6.10消防應急照明和疏散指示系統硬件配置方案

6.11有源諧波治理系統硬件配置方案

6.12充電樁運營收費平臺硬件配置方案

6.13醫療隔離電源解決方案硬件配置方案

7結語

本系統搭建完成后,利用本系統平臺進行數據分析,通過開展能源審計,對醫院的能源消耗管理水平、能效指標、財務過程、綜合利用、環境效果進行核查、測試、診斷、咨詢、對標和評價,有利于院方排查節能障礙和費能原因,挖掘節能潛力,提出整改措施,制定節能方案。協助院方制定節能規劃,在開展能源審計的基礎上,進一步明確節能目標,突出工作重點,完善節能工作保障措施,為下一步醫院建立能源管理體系做一定的指導工作并提出改進建議,推動醫院全面節能降耗。

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[5]姚杰.醫院能源監管系統設計與調試

[6]安科瑞企業微電網選型手冊2021.10版

作者簡介：

李明君，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。主要從事醫院能源管理系統的研發與應用