技术文章

胡冠楠

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定

摘 要：针对供配电系统中大量非线性负荷使用对电能质量实时、可靠、*确的在线监测控制需求，医院能源管理系统中对电能质量监测无论是监测对象、运算分析算法以及系统功能结构等均需提高。以供配电系统中三相不平衡度、电压闪变和谐波分量作为电能质量评估指标，构筑“ARM＋DSP"双CPU嵌入式电能质量在线监测系统。工程实践应用效果分析表明，双核电能质量在线监测系统，以IEC61850及国家标准要求的指标参数计算方法为基准，融合DSP和ARM芯片模块优势，能够*确监测和运算分析供电电能质量，并动态调节SVC/SVG无功补偿方案，降低和避免电能扰动，保障医疗设备性能正常稳定发挥。

关键词：供配电网；电能质量；在线监测；电压闪变；谐波

0引言

现代医学技术的快速进步，在很大程度上得益于电了技术的飞速发展及在医疗领域内的*面渗透。影响医疗设备运行质量的因素很多，目前大多注重医疗设备自身性能方面的研究，而对于其工作环境因素的研究尤其是供电安全可靠性方面的研究相对较少。对于高精度检测、监测和辅助治疗的大中型医疗设备而言，其危害*大的因素即为电源电压不稳定,偏高、偏低以及突然中断等,均可能造成医疗设备内部电路板损坏、计算机控制系统素乱、检测数据不准确等导致设备性能不能正常稳定发挥。超过60%医疗设备出现故障的原因与供电质量有 关，同时也是医疗设备老化的主要因素。为了为医疗设备检测、监测和治疗质量提供强有力的电能保障,掌握医院供配电系统实际运行工况状态，对供电电能质量进行在线实时监测和动态调整，提高人性化服务水平，保障医疗设备运行质量和降低电能损耗，具有非常重要的理论研究和实际应用意义。

医疗设备数量规模的增加和类型的多样化，对供电电能质量的实时监测和在线优化提出更高的要求。目前，国内对电能质量在线监测系统设计已有很多研究，史建平设计一种基于单一DSP芯片为核心的电能监测系统，该系统虽能够准确进行电能质量计量，但在供电质量在线监测，动态分析和智能决策等功能优化方面存在不足，很难适应医疗设备供电电能在线实时可靠、动态调节等复杂功能调节需求。黄赟设计基于DSP和FPGA设计了三相电能质量信号模拟发生器，虽能有效解决多信号采集问题，但对于医院等特殊场所的电能信号同步采集准确性还不高。夏建生等设计了一套DSP+PC架构的电能质量监测管理系统，该系统虽然可以准确地检测稳态电能质量,但其对暂态扰动只能进行定位和识别，无法对暂态扰动分量进行准确检测，为准确掌握配电系统中的稳态和暂态分量及数值，本文展开“DSP+ARM"双CUP架构电能质量管理系统研究，通过连续监测谐波、电压波动和闪变等特征指标并结合智能算法进行智能分析,确保医疗设备供电运行具有较高安全可靠性，降低医疗设备带来的医疗隐患等不良事件发生率,有效提高医院供电科学管理和人性化服务水平。

1 电能在线监测特征指标

1.1 电压波动和闪变分量

医院供配电系统中由于存在非线性及冲击性负荷，会从电网系统中暖收大量无功功率，同时还会引起电压波动和闪变。电压波动和闪变是威胁医院供电安全可靠性的主要原因，同时也是动态电能质量在线监测的重要指标。

电压波动和电压闪变由系统中无功功率波动引起，当系统中冲击性和非线性负荷增加时将会严重影响供电质量，影响医疗设备运行性能导致检测不准、监测不到位和疾病治疗效果不佳等问题。根据国家电工委员会(IEC)相关标准，医院供配电系统主要以10 KV、35KV为主，其电压波动指标为:10KV为2.5%；35KV为2.0%。

1.2 谐波分量

医院供配电系统中非线性设备的广泛使用，势必会产生一些非稳定瞬态变化分量，叠加后会引起连续周期变化的基波电压和电流分量发生畸变，即为谐波。谐波是供配电系统中不可避免的随机扰动，给系统中监测、保护、计量和通讯等设备带来较大影响，医院电能管理系统中主要以总畸变率指标(THD)来评估电能质量。

通过计算机数字检测法，利用DSP微处理器对采集数字信号进行筛选和分类,可以准确获得供电电压的基波分量和各次诺波分量，以便技术人员采取合理措施抑制和消除谐波对供配电系统的影响,确保医疗设备性能正常稳定的发挥。

2 医院电能在线监测管理系统

按照“分散监测、集控管理"原则设计医院电能管理系统，由监控终端层、变配电台区监控中心层和医院电能监控中心层共三层结构组成。将医院每个检测室、手术室、实验室、化验室和*点部位按区域划分为不同监控点和监测点区域内1~n监控点和监测点共同组成监控终端层的监控终端*小功能单位，通过Internet网络与10KV变配电台区的电能质量在线监管中心进行数据信息的交互共享,*终经ethernet以太网连接到医院能源管理系统，实现对供电电能质量的在线监测、智能分析、动态调节和远程调度等功能，经合理切换SVC/SVG 等无功补偿装置，快速响应、吸收和抑制电网系统中由于非线性负荷引起的电压波动和谐波，调节电压电流分量和校正功率因数，提高供电安全可靠性。医院能源管理系统电能在线监测集控管理系统总体设计方案，如图1所示。

从图1可知，电能质量在线监测系统中的*小功能单元为监控终端层设置的监控点和监测点，它们主要负责收集用电终端的供电电压、电流、电压波动、电压闪变、三项电压不平衡和谐波等电能质量及质量扰动数据，并经Internet上传给电能质量在线监管中心。电能质量在线监测系统采集实时用电信息后，经DSP数据处理器对数据进行实时分析并形成对应调度决策。

3 双CPU电能监测终端及无功补偿控制

3.1 双CPU 电能监测终端

电能监控终端是医院电能在线监测集控系统的*小功能单元，也是电能数据采集、智能分析和远程传输的核心。为提高监控终端数据处理速度和精度，按照冗余原则综合ARM在终端设备控制和DSP在数据处理方面的优势，构造“ARM+DSP"双CPU嵌入式系统结构，如图2所示。

从图2可知，医院电能质量在线监测设备主要由数据采集模块、DSP数据处理模块和ARM 主控模块3个功能模块组成。其中:数据采集模块，主要通过前端信号调理电路和ADS8365采样芯片，从CT和PT互感器二次采集获取电流/电压数据，并进行预处理。DSP数据处理模块是电能质量在线监测设备的核心，通过内部IEC61850电能质量标准算法程序分析提取获得谐波、三相电压不平衡度、电压波动、电压闪变等电能质量扰动分量，并通过插值和二次采集算法确保数据处理具有较高可靠性和精度。同时，DSP模块经EHPI并行端口与ARM主控模块及外部主机并行通信。ARM主控模块具有较强控制性能，负责接收DSP处理后的电能质量特性数据、在线波动图形生成、历史数据分析等功能。采用ARM+DSP双CPU嵌入式芯片结构，利用双核让DSP负责数据处理而ARM控制所有外部设备，可加快DPS数据处理效率和精度，同时可避免DSP去访问外部设备，确保芯片数据资料管理具有一致性、实时性和可靠性。

3.2 SVC/SVG无功补偿控制

监测终端采集到各电能质量在线监管中心的电能数据后，经通信扩展模块将相应信号传输给无功补偿控制柜中的无功补偿控制器。由控制器自动判断实时电压、电流、功率因数等特征数据是否满足要求,并利用电压会差进行复核。如果超出设定限制则控制器经内部分析计算投切容量并确定是三相同步投切或是三相分相投切等控制策略，经RS485通讯准确控制 SVC/SVG集成无功补偿电容器组的平缓投切,保持供电电压稳定。

4 双CPU电能在线监测系统应用分析

为了验证电能在线监测系统装置在医院电能管理应用中的测量准确度和电能调节可靠性，按照图 1、2结构组建电能质量监测终端。结合电气主接线进行柜体组装，如图3所示。

通过编程组建电能在线监测集控管理系统可视化人机界面，经IEC61850一致性检测、IEC61850通信规约接入测试和GB/T19862-2005准确度测试，测试界面如图4所示。

自动校准结果表明：研制的数字式多通道双CPU电能在线监测系统,其基波电流/电压、谐波、三相不平衡度、电压波动、电压闪变等特征指标，均满足IEC61850等规范标准规定的误差限值，测量数据准确可靠且精度高。

经校准满足规范标准要求后，该电能在线监测系统装置在医院10KV变电站电能管理系统中应用。其中，电子式CT/PT电流电压互感器安装在10KV进线开关柜中，0.4KV监测终端通过双CPU数据采集装置将采样信号送到电能在线监测装置，再以IEC61850通信规约上传到医院能源管理电能在线监测集控中心平台。根据医院10KV变电站实际情况，监控/监测 终端、数据采集模块、DSP/ARM芯片模块等采取集中组屏方式安装。系统投运后，各设备运行性能稳定，供电电能质量评估优良率达到98%，整个10 kV变电站供电侧电能监测数据一致性、实时性、完整性均好。表1~3所示为医院采用双CPU电能在线监测系统，对10 kV侧和0.4 kV电能质量在线监测数据结果，监测时间为连续24h,谐波统计数据为95%概率值。

从表1~3可知，本文所建立的电能质量在线监测系统，能够准确可靠对电能特征指标数据进行24h实时连续监测，同时可以利用内部DSP数据处理单元智能运行分析生成对应的 SVC/SVG调控决策，动态进行适当无功容量补偿。在系统自动监测调控作用下，医院供电电能质量得到有效改善，电压不平衡度*大为2.15，低于规范要求的2.5限制指标；短时闪变*大值为0.83，长时闪变*大值为0.66；均满足规范限值要求；典型谐波分量含有率95%，统计值也在规范允许范围内。

5 AcrelEMS-MED医院能源管理平台

5.1平台概述

AcrelEMS-MED医院能源管理平台充分结合《医疗建筑电气设计规范》《绿色医院建筑评价标准》、《医院建筑能耗监管系统建设技术导则》等行业规范、根据医院用户需求以及能源管理部门要求，采集分析能源、能耗、能效数据，监测以电能质量、智慧用电相关指标以及其他用能指标，并与国家能源政策与用能模式改革结合。能够辅助医院后勤管理人员进行能源供应系统及设备的运行管理工作，帮助医院管理层实时掌握医院的能耗情况，为医院能源信息化建设和节能管理提供了良好的技术平台。

5.2平台组成

安科瑞医院能源管理系统建立基于云平台的“监、控、维"一体化的能源管理系统，从数据采集、设备控制、数据分析、异常预警、运维派单、系统架构和综合数据服务等方面的设计，帮助医院后勤管理部门了解医院能源运行情况，关注消防和电气安全，及时预警异常情况，提高运维效率。它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所运维云平台，配电房综合监控系统，能耗管理系统，智能照明控制系统，智慧消防平台，电气火灾监控系统，消防设备电源监控系统，防火门监控系统，消防应急照明和疏散指示系统，充电桩管理系统，电能质量治理解决方案，医疗隔离电源解决方案，

5.3平台拓扑图

5.4平台子系统

（1）医院电力监控解决方案

电力监控系统实现对变压器、柴油发电机、断路器以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能，并与保护设备和远方控制中心及其他设备通信，实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患，快速排除故障，提高医院供电可靠性。

电力监控系统主要针对开闭所和10/0.4kV变电所，对高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况。同时对医院重要设备如柴油发电机、无功补偿装置、有源滤波装置、UPS、隔离电源系统状态进行监测。

（2）医院变电所运维云平台解决方案

AcrelCloud-1000电力运维云平台采用多功能电力传感器、无线通信、边缘计算网关及大数据分析技术，通过智能网关采集现场数据并存储在本地，再定时向云平台推送数据。平台采集的数据包括变电所回路电气参数和变压器温度、环境温湿度、浸水、视频、门禁等信息，有异常发生10S内通过短信和APP发出告警信号。平台通过手机APP下发运维任务到相关人员手机上，并通过GPS跟踪运维执行过程进行闭环，提高运维效率，即时发现运行缺陷并做消缺处理。

（3）医院配电房综合监控系统解决方案

Acrel-2000E配电室综合监控系统，可实现开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、母线及电缆测温监测、环境温湿度监测、有害气体监测、安防监控，可对灯光、风机、除湿机、空调控制等设备进行联动控制。实现动力环境各数据的检测与设备控制，优化动力环境，避免运行环境的失控导致配电设备运行故障，保证维护人员安全，延长设备使用寿命，实现配电动力环境的分布式远程管理。

（4）医院能耗管理系统解决方案

对建筑各类耗能设备能耗数据进行实时测量，对采集数据进行统计和分析。能够合理的确定各科室建筑能耗经济指标及绩效考核指标，发现能源使用规律和能源浪费情况，提高人员主动节能的意识。

①　搭建医院智慧能源管理系统的基本框架，对各个用能环节进行实时监测；

②　排碳数据化：通过系统可实现建筑单位内人均能耗分析（包括水、电、能量），实现低碳办公数据化；

③　区域能效比：实现建筑单位内区域能耗对比，方便能耗考核；

④　同期能效比：实现同年、同期、同一区域能耗对比，方便节能数据分析；

⑤　能耗评估管理：按照能源消耗定额标准约束值、标准值、引导值进行分析单位面积能耗和人均能耗指标；

⑥　能耗竞争排名：各个科室能耗对比，实现能耗排名，增强全院工作人员的节能意识；

⑦　对能耗的使用数据进行综合的分析、统计、打印和查询等功能，并根据能耗监测管理系统的需要可选择不同样式报表的打印。为能耗运营管理部门提供可靠的依据；

⑧　能耗数据采集，随时查询，并根据采集数据进行统计分析，监测异常能源用量，对能源智能仪表故障进行报警，提高系统信息化、自动化水平。

（5）医院智能照明控制系统解决方案

医院人流比较密集，科室较多，照明用电在医院电能消耗中约占到15%左右。所以合理使用照明控制系统，在提升医生和患者的体验情况下大程度使用自然光照明，通过感应控制做到人来灯亮，人走灯灭或保持地强度照明，尽量解决照明用电。

ASL1000智能照明控制系统可以实现场景控制、时间控制、区域控制、光照度感应控制以及红外感应控制等多种控制方式，能有效避免公共区域的照明浪费，还可以帮助医院管理照明。

系统在配电箱内的模块主要有总线电源、开关驱动器、IP网关、耦合器、干接点输入模块等。这些模块使用35mm标准导轨安装。

安装在控制现场的模块主要有光照度传感器、红外传感器和智能面板。有人经过可以设定红外感应控制亮灯，人离开后在设定的时间内熄灯，智能面板等手动控制设备，可实现自动控制、现场控制和值班室远程控制相结合。

（6）医院智慧消防平台解决方案

智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化"、“智能化"、“系统化"需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。

（7）医院电气火灾监控系统解决方案

电气火灾监控系统作为火灾自动报警系统的预警子系统，由电气火灾监控主机、电气火灾监控单元、剩余电流式电气火灾探测器以及测温式电气火灾探测器组成，通过现场总线构成一套完整的预防电气火灾的监控系统，数据可集成至企业消控室监控系统。

医院电气火灾监控系统以建筑为单位设置，采集数据后上传至值班室监控主机，实现对建筑电气安全预警。现场设置的传感器监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，异常时实时发出报警信号，重点关注门诊楼、住院楼、医技楼等区域漏电或者电缆发热等问题。

（8）医院消防设备电源监控系统解决方案

医院消防安全非常重要，消防设备比较多，消防设备电源监控系统主要功能就是用于监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

消防设备电源监控监控系统采用消防二总线，以建筑为单位设置区域分机采集消防设备电源状态，区域分机通过二总线接收多台传感器的电压、电流信息和开关状态信息，以此实现对消防设备电源工作状态的实时监视。

（9）医院防火门监控系统解决方案

医院防火门数量比较多，由于部分区域经常有人走动，常开常闭防火门数量都不少，防火门监控系统的作用就是监测防火门开闭状态，在发生火灾后自动关闭常开防火门，防止烟雾扩散。防火门监控系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，用于监测和控制防火门状态，当防火门发生异常位置信号时，防火门监控器能发出故障报警信号，指示故障报警部位并保存故障报警信息。发生火灾时，关闭事故区域所有常开防火门，防止烟雾向安全区域扩散。

（10）医院消防应急照明和疏散指示系统解决方案

医院人员流动性强，密度大，消防比较复杂，一旦发生火灾，疏散指示系统非常重要。消防应急照明和指示系统可以和火灾报警系统联动，提供应急照明和疏散路径指示，指引人群快速找到疏散出口，并可以一键选择疏散应急预案，提升人员逃生概率。

（11）医院有源谐波治理系统解决方案

都是谐波源，比如X光机、CT机等都会产生大量谐波，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于医院的精密化验设备可能会产生干扰。

为了消除配电系统谐波对医院设备的影响，方案配置AnSinI有源滤波器，滤除电网2~31次谐波干扰。

AnSinI系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。

（12）医院充电桩系统解决方案

医院停车场有电动汽车和电动自行车，均需要提供充电桩。充电桩管理系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，解决物业、用电管理部门的充电桩使用、监控问题。电动自行车充电可采用投币、扫码充电方式，电动汽车支持IC卡和扫码充电方式。远程充电桩系统可实时远程完成启动充电、强制停止、单价设置等控制指令，用户可通过APP、微信、支付宝小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；能够远程控制，提供财务报表和数据分析等功能。

（13）医院医疗隔离电源解决方案

《民用建筑电气设计规范》14.7.6.3条明确规定：在电源突然中断后，重大医疗危险的场所，应采用电力系统不接地（IT系统）的供电方式。同时《医院洁净手术部建筑技术规范》GB50333-2002中规定：2类医疗场所在维持患者生命，外科手术和其他位于患者周围的电气装置均应采用医用IT系统。如：抢救室（门诊手术室）、手术室、心脏监控治疗室、导管介入室、血管照影检查室等。

安科瑞电气股份有限公司的医疗隔离电源解决方案是针对医疗Ⅱ类场所的供电需求而开发设计的，能够很好的满足各类手术室和重症监护室对电源安全性和可靠性的要求，并符合国家相关标准。

6 相关平台部署硬件选型清单

6.1电力监控系统硬件配置

6.2变电所运维云平台硬件配置

6.3电房综合监控系统硬件配置方案

6.4能耗管理系统硬件配置方案

6.5智能照明控制系统硬件配置方案

6.6智慧消防平台硬件配置方案

6.7电气火灾监控系统硬件配置方案

6.8消防设备电源监控系统硬件配置方案

6.9防火门监控系统硬件配置方案

6.10消防应急照明和疏散指示系统硬件配置方案

6.11有源谐波治理系统硬件配置方案

6.12充电桩运营收费平台硬件配置方案

6.13医疗隔离电源解决方案硬件配置方案

7 结语

可靠供电是医院检测、监测和治疗等医疗仪器设备性能正常稳定发挥的重要保证措施。通过电能质量在线实时监测和调控，可及时发现供配电系统中存在的安全隐患，实时调节SVC/SVG装置进行无功补偿，能有效降低和预防供电对医疗设备性能的影响。本文以完善医院电能质量管理角度出发,选定三相不平衡度、电压闪变和谐波分量作为电能质量评估重要特征指标，构筑“ARM+DSP"双CPU嵌入式电能质量在线监测系统。该系统在医院能源管理系统中的合理应用，不仅能够满足电能质量在线监测需求，同时可以根据供配电系统实时运行工况灵活选择补偿模式和补偿容量，具有数据采集准确度高、传输速率快、调控稳定可靠、适应性和扩展性强等优点，应用前景良好。

参考文献

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[4] 夏建生，赵进全，杨涛．一种高精度的电能质量监测系统［J］．电子测量技术，2016,39（1）：134-141.

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[6] 安科瑞企业微电网选型手册2021.10版