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技術(shù)文章
電力監(jiān)控儀表在哥斯達黎加體育場場地照明控制中的應(yīng)用
點擊次數(shù)：309 發(fā)布時間：2012-2-13
摘要： 介紹了采用我國*自有知識產(chǎn)權(quán)的智能電力儀表在哥斯達黎加體育場地照明控制中應(yīng)用的幾項技術(shù)創(chuàng)新，既滿足了FIFA 2007照明標準，又節(jié)約大量電能。結(jié)合哥斯達黎加體育場項目的建成情況和檢測數(shù)據(jù)驗證了原設(shè)計方案的合理性。
關(guān)鍵詞： 場地照明； 智能控制； 電力儀表； 恒照度； 節(jié)能
0 引言
哥斯達黎加體育場是中南建筑院對外援助的單體zui大的民用建筑，按FIFA 2007標準設(shè)計的V級體育場。哥斯達黎加新國家體育場項目占地面積近100 000 m2，容納35 000人，在兩年之內(nèi)建成，成為中美洲地區(qū)現(xiàn)代化程度zui高的綜合性體育場，成為圣何塞市的新地標。它不但是中哥友誼的象征，更是中國的實力在發(fā)達國家和地區(qū)的實力展現(xiàn)。當?shù)卣腿嗣駥υ擁椖康慕ǔ煞浅M意。
圖1效果圖
項目設(shè)計組遵循**的指示，該項目的建設(shè)，不但要鞏固中哥兩國人民的的友誼，而且要在中美洲乃至整個美洲宣傳中國，展現(xiàn)中國*的工業(yè)產(chǎn)品。其中在場地照明設(shè)計中有一項突破，即在實現(xiàn)FIFA 2007照明標準的前提下，將中國的電力儀表智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于賽場照明的照度控制，不但滿足了照度要求、控制起來靈活方便，而且延長了照度照明系統(tǒng)的整體壽命，節(jié)約了大量電能，取得了較好的社會和經(jīng)濟效益。
1 足球場照明相關(guān)標準介紹
FIFA 2007標準是要求zui高的足球場照明標準，對球場的前期決策、安全、朝向與停車、賽場、運動員、比賽官員、觀眾、醫(yī)療、傳媒、照明和供電、通信和輔助區(qū)域等各方面作了詳細的規(guī)定，相對于FIFA 2002標準，其照度標準有較大提高。
1.1CIE標準
1983年，照明委員會(International Commission on Illumination，CIE)頒布的《足球場照明標準(Lighting for Football)》，即CIE 57號技術(shù)文件，是足球場場地照明的指導(dǎo)性文件，該文件對照度的要求相對較低，如表1所示。
表1規(guī)格不同的足球場平均使用水平照度(CIE 57)
| 觀眾容量 | 觀看距離(m) | 平均使用水平照度(lux) |
| 10000座以下 | 120 | 150～250 |
| 10000～2000座 | 160 | 250～400 |
| 20000座以上 | 200 | 400～800 |
注：該標準*設(shè)計初始照度與平均使用照度的折減系數(shù)取1.2～1.5。
1.2FIFA 2002標準
FIFA在2002年公布的足球場人工照明標準(Guide to the Artificial Lighting of Football Pitches)已對場地照明標準作了較大的提高。具體如表2、表3所示。其按照比賽分級的不同，提出了照明布置、照明參數(shù)、照明測量等不同要求，是當時世界上足球場人工照明方面內(nèi)容zui全的標準。標準公布后，就在2002年韓日*賽場上得到應(yīng)用。
表2比賽分級(FIFA 2002)
| 有電視轉(zhuǎn)播的比賽 | 無電視轉(zhuǎn)播的比賽 | ||
| 等級 | 比賽類型 | 等級 | 比賽類型 |
| Ⅴ級 | 比賽 | Ⅲ級 | 國內(nèi)比賽 |
| Ⅳ級 | 國內(nèi)比賽 | Ⅱ級 | 聯(lián)賽、俱樂部比賽 |
| | | Ⅰ級 | 訓(xùn)練賽、娛樂 |
1.3體育建筑設(shè)計規(guī)范
2003年10月1日，開始執(zhí)行的新版JGJ31《體育建筑設(shè)計規(guī)范》,要求球場的照明設(shè)計按GBJ－133《民用建筑照明設(shè)計標準》執(zhí)行，該規(guī)范在 2004年12月1日已廢止，改為GB 50034—2004《建筑照明設(shè)計標準》,其對足球場的照明設(shè)計要求規(guī)定如表4所示。
表3足球場人工照明參數(shù)*值(FIFA 2002)
| 比賽 分級 | 攝像類型 | 垂直照度 | 水平照度 | 光源色溫 | 光源 顯色指數(shù) | ||||
| 照度 平均值 | 照度均勻值 | 照度 平均值 | 照度均勻值 | ||||||
| (lux) | U1 | U2 | (lux) | U1 | U2 | TK | Ra | ||
| Ⅴ級 | 慢動作 | 1800 | 0.5 | 0.7 | 1500～3000 | 0.6 | 0.8 | >5000K | ≥80 ≥90 |
| 固定動作 | 1400 | 0.5 | 0.7 | ||||||
| 移動攝像 | 1000 | 0.3 | 0.5 | ||||||
| Ⅳ級 | 固定攝像 | 1000 | 0.4 | 0.6 | 1000～2000 | 0.6 | 0.8 | >4000K | ≥80 |
| Ⅲ級 | | 500 | | 0.7 | >4000K | ≥80 | |||
| Ⅱ級 | 200 | 0.6 | >4000K | ≥65 | |||||
| Ⅰ級 | 75 | 0.5 | >4000K | ≥20 | |||||
注：該標準*燈具維護系數(shù)0.8。
表4足球場人工照明參數(shù)標準值(GB 50034—2004)
| 有彩電轉(zhuǎn)播 | zui大攝影距離(m) | 25 | 75 | 150 |
| 垂直照度(lux) | 750 | 1000 | 1500 | |
| 無彩電轉(zhuǎn)播 | zui大觀看距離(m) | 120 | 150 | 200 |
| 水平照度(lux) | 300 | 500 | 700 |
注：該標準規(guī)定室外足球場的維護系數(shù)應(yīng)取0.55、大氣吸收系數(shù)取30%，但已有多篇論文表示大氣吸收系數(shù)并不高，可忽略不計。
1.4FIFA 2007標準
FIFA在2007年公布了Football Stadiums Technical Recommendations and Requirements 2007，對比2002版，照度提高了30%以上，但顯色指數(shù)卻降低了30%以上，如表5所示。
同時，為避免過高的照度標準導(dǎo)致賽場光外溢，造成周圍環(huán)境的燈光污染，F(xiàn)IFA 2007又作了相應(yīng)規(guī)定，如表6所示。
表5足球場人工照明參數(shù)*值(FIFA 2007)
| 比賽 分級 | 攝像類型 | 垂直照度 | 水平照度 | 光源色溫 | 光源 顯色指數(shù) | ||||
| 照度 平均值 | 照度均勻值 | 照度 平均值 | 照度均勻值 | ||||||
| (lux) | U1 | U2 | (lux) | U1 | U2 | TK | Ra | ||
| Ⅴ級 | 固定攝像 | 2400 | 0.5 | 0.7 | 3500 | 0.6 | 0.8 | >5000K | ≥65 |
| 現(xiàn)場(移動)攝像 | 1800 | 0.4 | 0.65 | ||||||
| Ⅳ級 | 固定攝像 | 2000 | 0.5 | 0.65 | 2500 | 0.6 | 0.8 | >4000K | ≥65 |
| 現(xiàn)場(移動)攝像 | 1400 | 0.35 | 0.6 | ||||||
| Ⅲ級 | | 750 | | 0.7 | >4000K | ≥650 | |||
| Ⅱ級 | 500 | 0.6 | >4000K | ≥65 | |||||
| Ⅰ級 | 200 | 0.5 | >4000K | ≥65 | |||||
注：該標準*燈具維護系數(shù)0.7。
表6足球場人工照明外溢限值(FIFA 2007)
| 外溢照明角度 | 離體育場圍墻的距離(m) | 照度值(lux) |
| 外溢水平照度 | 50 | 25 |
| ≥200 | 10 | |
| 外溢垂直照度 | 50 | 40 |
| ≥200 | 20 |
由于場地內(nèi)設(shè)計照度(維持照度)較高，維護系數(shù)為0.7，場地內(nèi)的初始照度將達到約3 500 lx(Ⅴ級、垂直照度)和5 000 lx(Ⅴ級、垂直照度)，這個照度值不但不能提高球員的比賽舒適度和觀眾觀看的舒適度，還會使能耗大大增加，甚至導(dǎo)致溢光污染。因此FIFA 2007*采用恒光通量光源，該光源的初始光通量和維持光通量基本接近，可不考慮0.7的維護系數(shù)，但該項技術(shù)僅被少數(shù)光源生產(chǎn)廠商所掌握，由于技術(shù)壟斷，其價格也較高。
按金鹵燈的zui小光衰時間2 000 h計算。1個安裝480盞、2 kW金鹵燈的體育場，按常規(guī)設(shè)計，考慮0.7的衰減系數(shù)，在光衰周期內(nèi)所浪費的能源為432 000 kWh。
即使按國內(nèi)1元/kWh的電費計算，多消耗的電費達到了43.2萬元，是不容忽視的。
2照明設(shè)計
2.1電力儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)
由于恒光通量光源及其配套燈具是技術(shù)，沒有市場競爭，價格較高，因此在不采用恒光通量光源的前提下，既達到FIFA 2007的設(shè)計照度，又限制初始照度，是該項目場地照明設(shè)計的技術(shù)難點。項目組對此展開了深入的討論，提出可借鑒空調(diào)專業(yè)恒溫控制的原理，采用我國*自主知識產(chǎn)權(quán)的電力儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架，實現(xiàn)賽場照明的恒照度控制。
電力儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)，是我國在能源緊張，且相繼出臺了很多有關(guān)節(jié)能減排的法律法規(guī)的大環(huán)境下，發(fā)展起來的新監(jiān)控平臺。在國外發(fā)達國家和地區(qū)，由于基礎(chǔ)電網(wǎng)建設(shè)在幾十年前已完成，沒有實際的工業(yè)需求，因而研究較少，工業(yè)化程度不高，與國內(nèi)該領(lǐng)域各項新技術(shù)和新產(chǎn)品的欣欣向榮、方興未艾，形成鮮明對比。
電力儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)形式可分為：集中監(jiān)控系統(tǒng)模式、區(qū)域供電集中監(jiān)控系統(tǒng)模式和光纖自愈環(huán)網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)模式，一般用于配電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和管理。該項目之前還沒有資料宣稱將其用于賽場照明控制。由于該項目已設(shè)計了電力智能監(jiān)控系統(tǒng)，若將其擴充，*可實現(xiàn)賽場照明的恒照度控制。該方式與傳統(tǒng)的照明控制方式相比，不但硬件成本低，安裝方便，且編程簡單，在網(wǎng)上或物理主站上可直接對各電力儀表所監(jiān)控的對象進行數(shù)據(jù)采集、遠程控制等，傳輸速率較快，冗余程度高，有較好的實用性和可靠性。
2.2電力監(jiān)控儀表的關(guān)鍵技術(shù)
該國家體育場項目采用的智能儀表型號為ACR320ELK及ARTU-J16。ACR320ELK可測量三相電流、電壓、功率、功率因數(shù)、頻率信號，帶四象限的電能計量功能，配有RS485通信接口，可與后臺智能監(jiān)控軟件實現(xiàn)開關(guān)量狀態(tài)采集與遙控功能。該儀表能直接從電流、電壓互感器接入信號，互感器變比可任意設(shè)置，滿足了不同負荷線路的測量、計量需求。ACR320ELK采用嵌入式安裝，大屏幕藍色背景液晶顯示屏，方便用戶直觀地讀取各項電力參數(shù)。ARTU-J16遙控單元是遠程繼電器輸出模塊，與上位機通過RS-485總線進行數(shù)據(jù)交換，用于執(zhí)行系統(tǒng)遙控操作，共有16路繼電器輸出，輸出容量為AC 5 A/250 V或DC 5 A/30 V，反應(yīng)速度≤10 ms，接點的輸出方式可設(shè)定為脈沖(點動)方式或保持方式，同時可存儲16路(共計1 600組)繼電器動作時間順序記錄(SOE信息)。作為自動控制環(huán)節(jié)中的執(zhí)行元件，可用于遠程控制自動化設(shè)備或直接驅(qū)動自動化設(shè)備的電操作機構(gòu)，實現(xiàn)遠程或自動控制。ARTUJ16采用柜內(nèi)35 mm導(dǎo)軌式安裝，模塊上設(shè)計有通道狀態(tài)指示燈和通信狀態(tài)指示燈，可反映繼電器的工作狀態(tài)和通信狀態(tài)。
2.3控制方案
該項目共設(shè)置480盞功率為2 kW的金鹵燈作為賽場照明，電力儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)為每盞燈分配一個地址編碼，可獨立開啟和關(guān)閉毎盞燈具。控制系統(tǒng)方案如圖2所示。
通過按照不同的配光曲線組合，按光衰周期開啟不同數(shù)量的燈具，實現(xiàn)等照度控制，以節(jié)約電能，比較結(jié)果如圖3所示。按初始光通量100%到維持光通量70%進行計算共3 000 h，從初始光通量每5%(即每500 h)，分五級模式照明，設(shè)置開燈模式進行控制，同時電力監(jiān)控系統(tǒng)對毎盞燈的開燈時間進行記錄，按*方式控制毎盞燈的總開燈時間，做到480盞燈具壽命同期，避免傳統(tǒng)的賽場照明控制方式使個別燈組的燈具開燈時間過長，提前老化，延長了賽場照明的整體換燈周期,布燈方案如圖4所示。為保證恒照度模式下的賽場照明均勻度，照明設(shè)計軟件進行了大量的模擬計算，優(yōu)化出*的燈具組合，同時設(shè)置要求在毎盞燈上配置對光裝置，可按方便地調(diào)整毎盞燈的靶心，以保證賽場的照度均勻。燈具安裝如圖5、圖6所示。
2.4完成效果
該項目已在2010年12月完成初驗收，工程達到原設(shè)計的各項功能和指標，獲得了各方的*。驗收的相關(guān)各項數(shù)據(jù)分別如表7、表8所示。光源參數(shù)為單燈功率2 kW，光通量220 000 lm。
表7按0.7維護系數(shù)的開燈模式照度實測值
| 開燈數(shù)量 | 攝像類型 | 垂直照度 | 水平照度 | 光源色溫 | 光源 顯色指數(shù) | ||||
| 照度 平均值 | 照度均勻值 | 照度 平均值 | 照度均勻值 | ||||||
| (lux) | U1 | U2 | (lux) | U1 | U2 | TK | Ra | ||
| 480 | 主 攝像機位 | 3400 | 0.52 | 0.72 | 5100 | 0.62 | 0.82 | 5600K | 93 |
| 輔助 攝像機位 | 2600 | 0.43 | 0.66 | ||||||
| 光源參數(shù) | 單燈功率2kW，光通量220000lm | ||||||||
表8按恒照度控制模式的開燈模式照度實測值
| 開燈數(shù)量 | 攝像類型 | 垂直照度 | 水平照度 | 光源色溫 | 光源 顯色指數(shù) | ||||
| 照度 平均值 | 照度均勻值 | 照度 平均值 | 照度均勻值 | ||||||
| (lux) | U1 | U2 | (lux) | U1 | U2 | TK | Ra | ||
| 360 | 主 攝像機位 | 2480 | 0.51 | 0.71 | 3600 | 0.61 | 0.81 | 5600K | 93 |
| 輔助 攝像機位 | 1860 | 0.42 | 0.66 | ||||||
| 光源參數(shù) | 單燈功率2kW，光通量220000lm | ||||||||
3結(jié)語
該項目的驗證結(jié)果表明，電力監(jiān)控儀表*可勝任體育場館等場所的照明控制需求，實現(xiàn)等照度控制、多模式控制等復(fù)雜的功能。與傳統(tǒng)控制方式相比，具有布線簡單、可靠性高、控制方式靈活，集成度高、經(jīng)濟性高等優(yōu)勢，值得大力推廣應(yīng)用。
文章來源于：《現(xiàn)代建筑電氣》2011年第12期。
參考文獻：
［1］FIFA 2002Guide to the Artificial Lighting of Football Pitches ［S］.
［2］FIFA 2007Football Stadiums Technical Recommendations and Requirements［S］.
［3］Lighting for Football CIE Publication［S］.
［4］李炳華,王玉卿,現(xiàn)代體育場館照明指南［M］. 北京：中國電力出版社，2004.
［5］GB 50034—2004建筑照明設(shè)計標準［S］.
［6］JGJ 31—2003體育建筑設(shè)計規(guī)范［S］.
［7］俞麗華,朱桐城.電氣照明［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，1990.
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