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淺談基于云架構的醫院配電能效監管平臺

更新時間：2023-08-25點擊次數：1357次

淺談基于云架構的醫院配電能效監管平臺

任運業

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：綜合性醫院作為大型公共機構，耗能問題日益突出，構建能源監管平臺對醫院能耗量化管理以及效果評估已經成為迫切需要。基于醫院已建成并投入使用的能耗監管系統，通過云架構的能源監管平臺建設與應用研究，扎實有效地推進醫院能源管理工作。

關鍵詞：節約型醫院；能源管理；能源管理系統；云平臺

0.引言

隨著我國經濟發展水平和生活質量的提高，建筑能耗約占社會終端總能耗的1/3左右。在我國現有的約600億^m2的既有建筑中，只有5%采取了能源效率提高措施。因此，我國建筑能耗監管需求巨大。與普通公共建筑在用能方面相比，醫院由于人員密度大、用能系統復雜、運行時間長等特點，因此其能耗比一般公共建筑明顯偏高。此外，隨著近些年醫療科技的發展（大型醫療設備的引進）和就診環境的改善（大型中央空調系統的運行），醫院能耗不斷上漲。某三級綜合醫院是一所醫科大學直屬教學醫院，建筑面積15.99萬^m2，開放床位1342張。醫院根據采集建筑能耗統計數據需要，結合醫院設備設施管理、局部能耗與系統能耗管控和分析傳統醫院能耗監管系統中的問題，與系統提供商合作研發搭建基于云架構的能耗監管系統。能耗監管平臺的建立為醫院實時獲知各科室、病區、部門的實時水、電、氣、暖各能耗數據，并實現進行各種分析對比，按部門（管理單元）、建筑單元橫向或縱向查詢等，為醫院能源管理和用能決策的提供了技術工具或手段，通過能耗統計和分析技術手段，找出能源浪費的關鍵環節，并采取有效的節能措施和管理辦法加以改進從而達到管理節能的目的，提升了醫院的能源管理和決策水平。

1.監管平臺建設目標

能耗監測平臺建設的目標應是實現“六維一體流程化管理"，即“能耗統計、能源審計、能源評測、能源診斷、能耗定額、能耗公示"。其中，“能耗統計"和“能源審計"主要體現了能耗監測的功能，即可通過各類終端智能計量表具的建設，完成能耗數據的數字化采集、統計和分析，實現能耗數據化、可視化。“能耗定額"和“能耗公示"主要體現了能耗管理的功能，即可通過對各類能耗數據的分析，制定合理能耗指標，實現定額化管理、預測性管理等能源管理的新手段。能耗監測平臺建設的核心目標，則是在建筑全生命周期內，科學的、合理的、人性化的降低能源消耗，并做到可持續性發展。

2.監管平臺建設方式選擇

傳統的醫院能耗監管平臺建設主要是在醫院內建立一套包含計量裝置、數據采集器、數據網關、數據傳輸網絡、數據服務器、存儲、管理軟件等在內的封閉系統。基于云架構醫院能耗監管平臺主要是利用公共服務建設能耗管理平臺，通過與專業機構合作，在對方現有平臺基礎上建立開發自己的能耗監管平臺。其合作模式為對方投資、我方租賃使用的形式，每年支付一定費用以維持運行。這種方式不僅省去了一次性（硬件、軟件、機房）投資費用，而且也省下了大量的運行、維護、系統升級和管理費用（表1）。

3.監管平臺系統架構

醫院能源監管云平臺是建立起一個基于云構架的綜合數據服務中心，通過物聯網、互聯網、云計算和大數據處理技術以及建筑信息系統（IBMS），建立城市級智能建筑的對象模型，通過數據采集、實時傳輸、集中存貯和共享以及深度的數據挖掘，將建筑智能化設備信息、建筑能耗信息和建筑運行的能效信息進行有效的整合，為使用者提供舒適、節能的建筑使用體驗和信息服務。系統建成后的系統構架如圖1所示。

在具體結構上能耗監測云平臺系統由現場設備層、數據采集傳輸層和用戶管理層組成，三部分的有機結合是為醫院提供專業能效分析的基礎。現場設備層包括遠傳智能水表、三相智能電表、多功能電力監測儀表等；數據采集傳輸層：數據采集器、網絡設備等；用戶管理層：能源監管系統軟件、WEB/數據庫服務器等IT設備。如圖2所示。

系統采用B/S網絡架構。醫院相關職能部門或操作人員通過授權可以在辦公網絡或互聯網訪問本系統實現數據查詢和管理，系統業務流程清晰。其核心技術先進，操作便捷，人機交互過程簡單清晰，能夠滿足各種不同層次管理權限的人員使用需求。能提供完善的分級授權訪問方式，以保障系統管理的安全性。

4.監管平臺主要系統組成

4.1系統功能

醫院能耗監測平臺系統是在水電實施建設的基礎上，實現能源消耗的分類、分項、分戶計量與監管，掃除用能區域監測“死角"；快速、準確采集、顯示和統計各用能監測點的能耗數據，滿足實時查看各監測點能耗數據的要求，降低人力成本和工作量，提升用能數據收集、整理的準確和高效；建立組織數字節能臺帳和一鍵式報表統計處理；提供對節能改造項目實施完成后成效對比情況展現；實現本地化IT服務，貼身化的定制開發，滿足組織節能管理的可持續發展；實現對室內環境數據的監測與管理，科學、有效地分析建筑內能源消耗的狀態，從而更合理的采取節能措施，有效節能。

4.2電能計量與監測系統

根據現場負荷的性質和供電回路分布情況，可分為照明用電、動力用電、空調用電、特殊區域用電以及重要醫療設備用電。照明用電：計量表具安裝在樓層相應配電箱供電回路中。普通照明配電箱、應急照明配電箱分別安裝，避免跨科室計量的情況。空調用電：空調系統相關的冷熱源設備及系統輸送設備、空調末端設備、凈化設備等幾個用電分類的子項，在相應的配電箱供電回路中均安裝計量表具進行單獨計量，保證能夠完整的體現空調這部分電量的使用情況。動力用電：用電量較大的集中負荷一般由低壓配電室直接供電，此類負荷單獨設置計量表具，此部分表具可安裝低壓配電室；采用鏈式供電的負荷，根據負荷的使用性質，可在出線端集中安裝計量表具，也可在每個末端配電箱單獨安裝計量表具。特殊區域用電：對數據機房、鍋爐房、水泵房、ICU區、手術室等能耗密度高、耗電大的用電區域劃分為特殊區域，均實行單獨計量，相關的配電箱以及大型用電設備均單獨安裝計量表具。大型醫療設備用電：大型醫療設備用電占醫院整體用電量比重較大，對重要的醫療設備均采用專用表具進行單獨計量，以了解其具體的運行情況。

4.3用水計量與監測系統

根據醫院建筑能耗監管系統建設需求的理解和《醫院建筑能耗監管系統建設技術導則》（試行）要求，醫院用水監測與計量系統主要可分為冷水和熱水計量兩部分，根據不功能區域及不同單體樓分別設置冷熱水遠傳水表進行計量。計量表的安裝應不影響供水系統正常運行和供水流量，應單獨設置支架（座），避免對管道產生附加壓力。在水質較差或含雜質較多的地區，水表前應設置便于維護的過濾裝置，避免水表因卡死造成不能正常使用的現象。

冷水部分。總用水：根據供水管網分布情況，整個院區共有兩路市政供水。這部分建議采取和水務公司數據進行共享。重點區域用水：對重點醫院區域用水量進行監測。其他單體建筑用水：主要對實驗中心、食堂、鍋爐房、空調冷卻塔補水用水量進行監測，為醫院各部門、科室獨立核算提供數據依據。熱水部分。總用水：熱源：由院區鍋爐房供給蒸汽作為生活熱水換熱的熱源。經換熱站交換后提供生活熱水。熱水系統分低區、中區和高區，生活熱水監測與計量共需安裝遠傳水表（熱）為6塊（一級計量表），分別安裝在各區換熱器供回水管處。

5.思考

5.1貫徹持續改進的節能理念

對節能工作而言，雖然困難重重，但也并非沒有實施管理的路徑。首先要解決理念問題，沒有一個好的理念肯定不行。然后才是實施的項目和方案。否則，一個項目實施的開始可能就是浪費的開始。重要的前提是確定建筑節能技改實施程序。在做節能的時候可以按照：論證-設計-實施-運行，然后再循環，實際這再循環也是借助PDCA的持續改進的理念。

5.2構建數據平臺建立數據模型

構建數據平臺是一個很艱難的過程，能源監管平臺不是一個掙錢的平臺，它不僅不節能還耗能，因為要增加設備。但是它可以有效的進行監控，對異常的用電可以進行處理，在運行一段時間后能夠有效的收集醫院能源消耗的基礎數據，構建基礎模型，但是建設的過程是痛苦的。掌握技術的人員在制定平臺的時候往往給大家畫一個美好的藍圖，但現實是我們應如何來實施，這兩者如何來進行有效的銜接是很重要的。所以，我們在建能源監管平臺的時候，技術不是問題，重要的是目的。

5.3統一通信協議和接口

統一的通信協議和接口是選擇前端現場設備的基本條件，目前智能表具電氣接口方式基本采用RS485，其傳輸距離可達1300m。通信協議包括兩種，其一為我國行業標準DL/T645-1997《多功能電能表通信規約》；其二是國際通用的工業現場總線協議MODBUS。在前端設備采購時要求符合相應的協議和接口。同時，構建合適的網絡通信。本院建設能耗監管平臺通信基于現有的外網，采用就近接入的原則，同時在距離較遠的采集點上通過安裝無線發射與接收裝置為有線傳輸做補充。同時我們建議有條件的單位或新建項目，要為能源監管平臺、監控、一卡通等相關系統建設專網。有利于與醫院業務網的物理分離，有利于專項設備的統一管理。

5.4分析運用解決問題

能效管理應用平臺是基于已經建成的能耗平臺升級開發，當然還要進一步增加外圍的信息采集點，如中央空調系統冷凍水的溫度、流量、壓差等參數信號。通過監測這些實時數據計算系統運行效率，并給出相應診斷意見；同時系統評估主要能耗設備或系統（新風、照明與插座和特殊用電等）的管理水平，即在夜間或節假日這些系統應關閉或低負荷運行期間這些能耗設備或系統是否有能耗浪費的現象。將這兩個方面進行綜合評估，確定各個子系統的能效等級。對低效系統進行報警，提高對設備、系統的維修、技改、更新的決策依據。通過半年時間的運行，對設備運行數據越限、能耗異常等情況進行報警分析，共計排查出6處水泄露事件和3處用電異常的處理，取得的很好的經濟效益和節能降耗的目的。

5.5發展能效管理平臺應用

在節能降耗的大目標下，能效管理就是后勤保障工作的一個重要內容。系統同時可幫助醫院優化現有的能源管理流程，形成客觀的以數據為依據的能源消耗評價體系，減少能源管理的成本，提高能源管理的效率。人事制度改革中績效考核是其中重要的一環，因此，醫院可以充分利用真實的能耗情況和節能降耗的管理成效，幫助醫院管理者制訂科學的的能源管理考核辦法和依據，從而實施對后勤服務部門的科學考核，充分調動職工的工作積極性。

6.AcrelEMS-MED醫院能源管理平臺

6.1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。

6.2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，

6.3平臺拓撲圖

6.4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下發運維任務到工作人員手機上，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。