1. 项目背景与目标

• 学校与区域：开普敦大学医学院（UCT FHS）承担本地/区域医科教学、科研与临床合作，科研平台包括分子生物/细胞学、病理/组织学、成像中心（CT/MRI/PET-CT 辅助设备供电、图像工作站）、-80℃ 冻存库、动物实验中心、SPF 实验室、以及学院/医院联合数据中心。

• 电网挑战：南非电网存在电压跌落、频繁切换、短时停电与谐波背景；部分楼宇的应急发电机老化、起机延迟；关键科研样品与临床数据对瞬断极敏感。

• 方案目标：

1. 关键区 零中断（0 ms 切换、稳压稳频）；

2. 与柴油发电机联动，锂电池提供 10–30 min 后备以覆盖黑启动/切换；

3. 架构满足分区冗余（A/B 双路或 N+1），支持后期扩容；

4. 全域可观测（UPS+电池+BMS+配电+环境），形成可追溯运维闭环；

5. 降低全生命周期 TCO 与碳排放，契合学校可持续战略。

2. 关键负载画像与分级

注：大型医疗设备（MRI/CT 本体动力）通常不接入 UPS，但控制/成像工作站、冷却循环/真空泵控制等应纳入 UPS 保护；影像室瞬断造成的重启与校准代价极高，应做控制侧保护。

3. 架构总览

市电双路/市电 + 发电机 → 低压 A/B 母线 →

• 93PR 300kVA UPS 集群（在线双变换）：
  
  

• 方案 A：单路 N+1 并机（如 2×300kVA → 1+1）
  
  

• 方案 B：2N（A/B 两套 300kVA 独立系统），重要机柜经 ATS/STS 接入 A/B
  → 列头柜（PDU，A/B） → 机柜级 A/B PDU/ATS → 终端负载（实验/IT/成像控制）

旁路体系：静态旁路 + 机械维护旁路（MBB），支持不停电检修；
电池：LFP 柜式电池（512/576V 等平台），BMS → UPS/监控平台联动；
监控：SNMP/HTTPS/Modbus‑TCP，接入校园 DCIM/BMS；
策略：掉电/发电机黑启动/电池低电量阈值触发分级下电与有序关机。

4. 选型与技术要点（93PR 300kVA）

• 拓扑：VFI 在线双变换，0 ms 切换；稳压稳频，抑制电压跌落/浪涌/谐波干扰；

• 效率：在线高效率（典型 ≥95–96%），良网可启高效模式（典型 ≥98–99%）；

• 输入特性：高功率因数、低谐波（THDi 低），减小对上游配电/发电机冲击；

• 输出能力：PF≈1，良好的短时过载能力，应对瞬时负载阶跃（例如冷冻水泵/抽吸泵控制回路切换瞬态）；

• 并机：去中心化并联控制，支持 N+1/N+X；

• 结构：前维护、可抽拉滤网，适配机房狭小空间布置；

• 接口：以太网（SNMP/HTTPS）、Modbus‑TCP/RTU、干接点；

• 场景匹配：与发电机配合稳定，适应短时频率漂移与电压畸变。

以上为通用工程要点，具体数值以设备铭牌/型式数据为准。

5. 锂电池（LFP）系统策略

• 选择理由：

1. 能量密度高、占地小，适合旧楼/紧凑机房；

2. 宽温、循环寿命长，适应非洲高温工况；

3. 充放电效率高，发电机黑启动频繁场景下充电恢复更快；

• 典型配置：512/576V 柜式，簇级 BMS + 柜级 EMS，SOC/SOH/温度/均衡/绝缘监测；

• 安全：电池室独立通风与温控，气体/烟雾探测，气体灭火/细水雾；

• 策略：按分区需求设定 10/15/20/30 min 不同后备；对Level A 冻存库与数据库提供更长后备或接入应急发电优先级。

6. 典型分区容量与后备计算

6.1 学院数据中心（IT Core，2N 架构）

• 机柜 80 柜 × 2.5 kW/柜 = 200 kW IT；A/B 分摊：每路 100 kW；

• UPS 选型：93PR 300kVA × 2 套 2N（A、B 各一套独立），在线效率区间高；

• 电池：后备 15–20 min（发电机 10 min 内并网），LFP 576V 50 Ah（按倍率曲线校核）。

6.2 生命科学平台（Level A，N+1）

• 样本库（-80℃×30 台）、BSC、关键冷冻水/抽吸泵控制、核心数据库镜像；

• 有功约 120 kW，PF 0.95 → 视在 126 kVA；运行/同时系数 0.9×0.9 → 102 kVA；增长/环境裕量 30% → 133 kVA；

• UPS：93PR 300kVA 1+1 并机（N+1，单台可代载）；

• 电池：后备 20–30 min，LFP 512/576V 60–80 Ah（按放电曲线校核）。

6.3 影像中心控制/后处理（Level B）

• 控制工作站、影像后处理、网络/时钟、关键控制回路（冷却/抽吸/门禁联动）；不含 MRI/CT 主动力；

• 负载约 60 kW → UPS 由 93PR 300kVA 集群分配支路；

• 电池：10–15 min，保障不中断保存/有序停止。

工程近似公式：$C_{Ah} = rac{P_{load} imes t}{eta_{UPS} imes V_{dc} imes DOD} imes K_{temp} imes K_{aging}$。按厂家倍率/温度曲线与端压下限进行复核和整组选型。

7. 配电、旁路与接地/EMC

• 列头与分路：A/B 列头柜（PDU）计量与温度监测，机柜级 ATS/双电源 PDU；

• 旁路：静态旁路 + MBB，旁路源与主路相序/电压联锁，支持不停电检修；

• 接地：TN‑S 等电位，UPS/电池柜/桥架/机柜统一接地；弱电屏蔽单端接地，避免地环回路；

• EMC：UPS 前后级滤波；影像室控制/测量/光源分路，隔离噪声耦合；

• SPD/浪涌：B/C/D 三级，室外天馈与边缘机房加强等电位跨接。

8. 监控与 DCIM/BMS 集成

• 协议：SNMPv3/HTTPS、Modbus‑TCP/RTU、Syslog；

• 平台：统一接入校园 DCIM 与 BMS，展示：输入/输出/效率/THD、负载率、电池 SOC/SOH/温度、事件/寿命曲线；

• AIOps：风扇/电容寿命模型、温度热点、负载趋势与异常检测；

• 告警闭环：短信/邮件/IM → 工单/派单 → 到场/SLA 统计 → 复盘；

• 安全：管理网与教学/研究网分区，账户最小权限，固件签名与配置基线；离线缓存确保断网不丢数据。

9. 与发电机/可再生能源的协同

• 发电机黑启动：UPS 维持关键负载，电池覆盖 10–20 min；发电机并网后平滑切换；

• 燃机/光伏微网（可选）：UPS 可与校园微网功率管理对接，进行削峰/错峰，提升能效；

• 回馈自检：利用能量回馈装置进行 UPS 在线自测，减少负载箱能耗与热量排放。

10. 实施与调试

• 机房土建：承重 ≥ 8–10 kN/m²，前后维护通道 ≥ 1.2 m；电池室独立通风与气体探测；

• 施工要点：输入/输出/旁路分色与力矩留痕，桥架金属连续性与等电位跨接；

• 联动脚本：掉电/发电机并网/低电量阈值/冷却/门禁/火警（EPO）联动；

• FAT/SAT：

1. 功能/并机/旁路切换；

2. 故障注入（市电跌落、UPS 退一、发电机带入、STS 切换）；

3. 电池放电/容量核验；

4. 选择性保护/短路容量；

5. EMC 现场复核（影像与生物安全区优先）。

11. 运维与SLA

• 巡检：月度清洁/温度/风机/滤网；季度电池内阻抽测与均衡；年度红外测温与黑启动演练；

• 预测性维护：风扇/电容寿命模型、温度热点、事件趋势，给出更换窗口；

• 备件：功率模块/旁路模块/主控板/风扇/传感器/直流断路器，现场常备 + 本地服务库；

• 培训：旁路操作“双人复核”，应急演练视频留存与考核；

• 能源报告：UPS 效率/IT 负载/PUE 贡献定期输出，支撑可持续与审计。

12. 风险评估与 FMEA

13. 招标/合规要点（可直接引用）

1. UPS 拓扑 VFI 在线双变换；在线效率 ≥95–96%，良网高效模式 ≥98–99%；输入 PF 高、THDi 低；

2. 架构：数据中心区 2N，生命科学区 93PR 300kVA 1+1 并机（N+1），影像控制区按负载分配；

3. 电池：LFP 柜式，BMS/绝缘监测/温补/温控/消防联动，后备按分区配置；

4. 接口：SNMP/HTTPS、Modbus‑TCP/RTU、干接点，接入 DCIM/BMS；

5. 防护：三防涂覆、抽拉滤网，影像/生物安全区布线隔离与屏蔽；

6. 试验：FAT/SAT、黑启动脚本、选择性保护、EMC 现场复核；

7. 交付：SLD/端子/点表、IP 规划、维保 SLA、备件与培训计划、能效/碳报告模板。

14. 样例 BOM

• 93PR 300kVA UPS 主机 ×2（用于 1+1 并机或 2N 架构）

• LFP 锂电池柜（512/576V，Ah 依据后备计算）×若干

• 维护旁路柜（MBB）、输入并机柜、列头柜 PDU（A/B）、机柜级 ATS PDU

• 工业网关（485→以太网）、监控服务器与授权、温湿度/门磁/水浸探头

• SPD（B/C/D 三级）、铜排与桥架、接地铜排与等电位材料

• 备件包：功率模块/旁路模块/主控板/风扇/传感器/直流断路器

15. 经济性与 TCO

• 能耗：高效模式 + LFP 高回充效率，UPS 自耗与制冷负荷下降；

• 维护：模块化热插拔，MTTR < 20 min，缩短检修窗口；

• 寿命：LFP 循环寿命长，5–8 年期更换成本可控；

• 风险成本：影像重启/样本损毁/数据丢失的代价被显著降低；

• 可持续：配合校园微网/光伏可进一步优化峰谷电价与减排。

16. 结语

在开普敦大学医学院的关键电源改造中，采用 伊顿 93PR 300kVA + 锂电池（LFP） 构建“A/B 双路或 N+1”的分层冗余架构，结合发电机黑启动策略与全域可观测的 DCIM/BMS 平台，既保障了生命科学样本安全、影像连续性与数据完整性，又实现了高效率、低 TCO 与可持续。该方案可在后续扩建中平滑扩容，支撑学院未来 5–10 年科研与教学的发展