大型医院不断电设备节能负载智能控制研究

林康, 郭嘉奇, 于娟娟, 李凯

(首都医科大学附属北京世纪坛医院,北京 100038)

0 引言

大型医院不断电设备是指市电中断时,某些医学用设备需要配备UPS电源,如CT、MRI、CR、生化分析仪、监护设备等。因为电感性负载会有反电动势产生,对离线式UPS造成伤害,若瞬间启动电流大、UPS容量不足时,易造成瞬间超载,一旦适逢市电中断时,UPS输出亦中断,且平时UPS长期处于超载使用状态,将缩短电子组件及UPS的寿命,所以此类大型医院不断电设备必须具有稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰、防止电压突然中断等功能。

大型医院不断电设备是延续患者生命的重要保障,在24小时不间断的运行环境中,不断电设备参数对称关系差[1-2],其运行过程中的负荷性质不断变化,电能质量受到损害,使医院不断电设备的负载不够均衡,存在断电的风险,造成生命财产损失,后果尤为严重。

目前致力于研究不断电设备节能负载控制的专家众多,如徐璋等[3]研究的发电系统配置优化方法,虽然该方法对优化不断电设备能耗方面具备一定的应用效果,但受粒子群寻优时粒子步长影响,其收敛性较差,故最终结果不够理想。文献[4]研究的接入拥塞控制优化算法,对时隙周期选择要求较高,在应用时需依据当前设备情况进行时隙周期计算,步骤较为繁琐。文献[5]采用优化PI控制器的LOO变换器的结构,通过选择合适的占空比,正输出初级LOO变换器(POELC)设计用于升压操作,采用状态空间平均法建立了功率变换器的动态模型。文献[6]研究了惯性质量与转换筒之间的摩擦对系统效率的影响,推导了PWM信号频率、变频缸截面积和惯性质量对FPC系统特性的影响,利用MATLAB/Simulink对分析结果进行了验证,并对FPC设计参数的选择提出了建议,但是其负载控制效果较差。

针对上述情况,本文研究大型医院不断电设备节能负载智能控制方法,为大型医院不断电设备安全运行提供良好的技术支持。

1 大型医院不断电设备节能负载智能控制方法

1.1 不断电设备变流器拓扑损耗模型构建

结合大型医院不断电设备之间为并联交错的运行状态,不断电设备之间通过双向变流器连接且变流器的通道特征为一致状态[7]。不断电设备运行时损耗包括电感、开关导通与驱动损耗和磁性元件损耗,此类损耗均可通过其变流器描述。不断电设备变流器损耗分布拓扑如图1所示。

图1 不断电设备变流器损耗分布拓扑图

设置不断电设备变流器的驱动损耗为A,其表达公式如下:

Adriing=Fg×Qg×fsw

(1)

式中,Fg、Qg、fsw分别表示门极电压、总电流容量和开关频率。

Aon为功率开关管的导通损耗,计算公式为

(2)

式中,Irms、Rds-on分别表示波纹电流有效值和等效导通阻抗。

不断电设备变流器开关在开启和闭合时,流经不断电设备的电压和电流时间范围出现重叠情况[8],形成开关损耗。S1表示变流器开关管,Fin、FDN分别表示开关管输入侧电压和寄生二极管正向偏置电压降,不断电设备在线序导通模式下,开关损耗计算公式如下:

ASW-S1(CCM)=(Fin+FDN)toverIof

(3)

式中,ASW-S1(CCM)表示开关损耗,tover、Io、f分别表示电压电流重合范围、输出电流有效数值和励磁频率。

D2表示续流二极管,其功率损耗计算公式为

ASW-D2(CCM)=FDNtoverIof

(4)

在非连续导通模式,不断电设备在开关周期内,当不断电设备功率开关为关闭状态时[9],电感电流数值为0。此时开关管和续流二极管的损耗计算公式如下:

(5)

(6)

式中,d、L分别表示占空比和相电感,tDT、T分别表示驱动时间和开关周期。

通过该模型计算驱动损耗、开关管以及续流二极管损耗数据,为后续负载智能控制提供基础。

1.2 节能负载智能控制方法

由于医院不断电设备在某个时间段时会出现同时运行情况,使其负载出现重合,医院不断电设备具备模糊性[10],为了在各种负载条件下都能获得优质的电源和最高的效益,利用变流器拓扑损耗模型获取到驱动、开关等损耗数据后,计算不断电设备在控制周期内是否运行,并进行标识处理。E=(e1,e2,…,en)T表示不断电设备的运行标识解集,A表示该解集的系数矩阵。设置每隔1个小时对医院不断电设备进行一次负载控制,不断电设备的运行集表达公式如下:

E=(e0,1,e0,2,…,e0,n,e1,1,e1,2,…,e23,n-1,e23,n)

(7)

式中,n表示医院不断电设备数量。

设置负载控制目标函数,其表达公式如下:

minZ=(β0-βm)2+(β1-βm)2+…+(β23-βm)2

(8)

(9)

式中,βi表示第个负载控制时段时变压器负荷率;βm、SN、ci分别表示不断电设备变压器经济负荷率、额定容量和功率。

对公式(8)进行变换处理,则有:

(10)

式中,j表示第j个不断电设备。

为了使其具有更强的短路保护能力和更强的过载能力,不断电设备负载控制目标函数约束条件为

(11)

α表示模糊规划时有界闭模糊数,对医院不断电设备运行周期进行模糊截集处理,则有:

(12)

(13)

(14)

式中,Uα表示当前不断电设备电压。

使用最大隶属度算法计算不断电设备最佳运行规则,具体为

E=(e0,1,e0,2,…,e0,n,e1,1,e1,2,…,e23,n)

(15)

当设备局部负荷出现聚集情况时,在UPS供电系统中内置隔离变压器,避免了外部设备的干扰输入,则设备的局部负荷高于其正常负荷,需进行变压器调节。依据不断电设备最佳运行规则,通过设备运行时段数,控制周期以及负荷运行容量等,修正医设备负载控制目标函数,其表达公式如下:

(16)

式中,ilow表示第i台不断电设备最低负载。

通过求解该公式可得到医院不断电设备最佳负载结果,大大提高了负载的安全性和稳定性。

2 实验结果与分析

以某大型医院为实验对象,使用本文方法进行节能负载智能控制测试。

2.1 不断电设备损耗计算精度测试

以ROC曲线作为衡量本文方法计算不断电设备损耗指标结果如图2所示。分析图2可知,本文方法的真正率数值和假正率数值最高为0.93和0.95,AUC面积则接近90%。表明本文方法计算不断电设备损耗数值精准。

图2 泛化性能测试结果

2.2 负载控制测试

温度和湿度达到15～25 ℃,30%～70%,即设置高湿告警点为70%,低湿告警点为30,设置高温告警点为25 ℃,低温告警点为15 ℃;电压波动为+10%～-10%。设置高压告警点为22～25 kgf/cm2,低压告警点1.7～2.1 kgf/cm2,三相电压不平衡度不超过4%,设备接地电阻不大于4 Ω。任一控制单元一旦达到告警点,则表明超负载运行,自动开启UPS供电系统,以电流波纹变化情况作为衡量负载控制效果指标,使用本文方法前后该医院不断电设备输出的电流波纹变化情况如图3所示。分析图3可知,该医院不断电设备未进行节能负载控制前其电流波纹波动区间大,波动幅度呈现无规律变化状态,负载均衡性不足。经过本文方法控制后,输出电流变化区间得到降低,电流波纹稳定、平滑。不存在负载聚集情况,不断电设备负载能力好。

(a) 控制前

在不同时间段时,分析该医院不断电设备负荷值变化情况,结果如图4所示。分析图4可知,未对其进行节能负载控制前,不断电设备的最高负荷值达到2800 kW左右,最低负荷值约为480 kW左右。应用本文方法后,在同一时间段内,控制后的不断电设备负荷曲线数值得到一定程度降低,说明使用本文方法可有效降低医院不断电设备负荷,节能效果好。

图4 不断电设备负荷值变化结果

本文方法控制不断电设备控制其负载效率,结果如图5所示。分析图5可知,本文方法控制的不断电设备节能负载效率随着其负载电流的增加而增加后呈现小幅度下降状态。说明不断电设备运行时的负载电流数值对本文方法影响小,其节能负载控制效果较好。

图5 负载控制效率测试结果

测试本文方法应用一段时间后其节能性能结果如表1所示。分析表1可知,随着本文方法应用月份的增加,该医院不断电设备损耗电量数值和节省金额逐渐下降,表明经过本文方法进行节能负载控制后,设备损耗电量空间降低,降低了医院运营的成本。

表1 节能测试结果

3 总结

本文设计了大型医院不断电设备节能负载智能控制方法,并通过具体应用实例验证了本文方法的有效性。