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电力监控仪表在哥斯达黎加体育场场地照明控制中的应用
电力监控仪表在哥斯达黎加体育场场地照明控制中的应用
熊江1，吴晖1，周中2
（1.中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉430071；
2.江苏安科瑞电器制造有限公司，江阴214405）
摘要： 介绍了采用我国完全自有知识产权的智能电力仪表在哥斯达黎加体育场地照明控制中应用的几项技术创新，既满足了FIFA 2007照明标准，又节约大量电能。结合哥斯达黎加体育场项目的建成情况和检测数据验证了原设计方案的合理性。
关键词： 场地照明； 智能控制； 电力仪表； 恒照度； 节能
0 引言
哥斯达黎加体育场是中南建筑院对外援助的单体的民用建筑，按FIFA 2007标准设计的V级体育场。哥斯达黎加新国家体育场项目占地面积近100 000 m2，容纳35 000人，在两年之内建成，成为中美洲地区现代化程度的综合性体育场，成为圣何塞市的新地标。它不但是中哥友谊的象征，更是中国的实力在发达国家和地区的实力展现。当地政府和人民对该项目的建成非常满意。
图1效果图
项目设计组遵循商务部领导的指示，该项目的建设，不但要巩固中哥两国人民的的友谊，而且要在中美洲乃至整个美洲宣传中国，展现中国的工业产品。其中在场地照明设计中有一项突破，即在实现FIFA 2007照明标准的前提下，将中国的电力仪表智能监控技术应用于赛场照明的照度控制，不但满足了照度要求、控制起来灵活方便，而且延长了照度照明系统的整体寿命，节约了大量电能，取得了较好的社会和经济效益。
1 足球场照明相关标准介绍
FIFA 2007标准是要求的*新足球场照明标准，对球场的前期决策、安全、朝向与停车、赛场、运动员、比赛官员、观众、医疗、传媒、照明和供电、通信和辅助区域等各方面作了详细的规定，相对于FIFA 2002标准，其照度标准有较大提高。
1.1CIE标准
1983年，照明委员会（International Commission on Illumination，CIE）颁布的《足球场照明标准（Lighting for Football）》，即CIE 57号技术文件，是足球场场地照明的指导性文件，该文件对照度的要求相对较低，如表1所示。
表1规格不同的足球场平均使用水平照度（CIE 57）
| 观众容量 | 观看距离（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：该标准推荐设计初始照度与平均使用照度的折减系数取1.2～1.5。
1.2FIFA 2002标准
FIFA在2002年公布的足球场人工照明标准（Guide to the Artificial Lighting of Football Pitches）已对场地照明标准作了较大的提高。具体如表2、表3所示。其按照比赛分级的不同，提出了照明布置、照明参数、照明测量等不同要求，是当时世界上足球场人工照明方面内容*全的标准。标准公布后，就在2002年韩日世界杯赛场上得到应用。
表2比赛分级（FIFA 2002）
| 有电视转播的比赛 | 无电视转播的比赛 | ||
| 等级 | 比赛类型 | 等级 | 比赛类型 |
| Ⅴ级 | 级比赛 | Ⅲ级 | 国内比赛 |
| Ⅳ级 | 国内比赛 | Ⅱ级 | 联赛、俱乐部比赛 |
| Ⅰ级 | 训练赛、娱乐 | ||
1.3体育建筑设计规范
2003年10月1日，开始执行的新版JGJ31《体育建筑设计规范》,要求球场的照明设计按GBJ－133《民用建筑照明设计标准》执行，该规范在 2004年12月1日已废止，改为GB 50034—2004《建筑照明设计标准》,其对足球场的照明设计要求规定如表4所示。
表3足球场人工照明参数推荐值（FIFA 2002）
| 比赛 分级 | 摄像类型 | 垂直照度 | 水平照度 | 光源色温 | 光源 显色指数 | ||||
| 照度 平均值 | 照度均匀值 | 照度 平均值 | 照度均匀值 | ||||||
| （lux） | U1 | U2 | （lux） | U1 | U2 | TK | Ra | ||
| Ⅴ级 | 慢动作 | 1800 | 0.5 | 0.7 | 1500～3000 | 0.6 | 0.8 | >5000K | ≥80 ≥90 |
| 固定动作 | 1400 | 0.5 | 0.7 | ||||||
| 移动摄像 | 1000 | 0.3 | 0.5 | ||||||
| Ⅳ级 | 固定摄像 | 1000 | 0.4 | 0.6 | 1000～2000 | 0.6 | 0.8 | >4000K | ≥80 |
| Ⅲ级 | 500 | 0.7 | >4000K | ≥80 | |||||
| Ⅱ级 | 200 | 0.6 | >4000K | ≥65 | |||||
| Ⅰ级 | 75 | 0.5 | >4000K | ≥20 | |||||
注：该标准推荐灯具维护系数0.8。
表4足球场人工照明参数标准值（GB 50034—2004）
| 有彩电转播 | 摄影距离（m） | 25 | 75 | 150 |
| 垂直照度（lux） | 750 | 1000 | 1500 | |
| 无彩电转播 | 观看距离（m） | 120 | 150 | 200 |
| 水平照度（lux） | 300 | 500 | 700 |
注：该标准规定室外足球场的维护系数应取0.55、大气吸收系数取30%，但已有多篇论文表示大气吸收系数并不高，可忽略不计。
1.4FIFA 2007标准
FIFA在2007年公布了Football Stadiums Technical Recommendations ａnd Requirements 2007，对比2002版，照度提高了30%以上，但显色指数却降低了30%以上，如表5所示。
同时，为避免过高的照度标准导致赛场光外溢，造成周围环境的灯光污染，FIFA 2007又作了相应规定，如表6所示。
表5足球场人工照明参数推荐值（FIFA 2007）
| 比赛 分级 | 摄像类型 | 垂直照度 | 水平照度 | 光源色温 | 光源 显色指数 | ||||
| 照度 平均值 | 照度均匀值 | 照度 平均值 | 照度均匀值 | ||||||
| （lux） | U1 | U2 | （lux） | U1 | U2 | TK | Ra | ||
| Ⅴ级 | 固定摄像 | 2400 | 0.5 | 0.7 | 3500 | 0.6 | 0.8 | >5000K | ≥65 |
| 现场（移动）摄像 | 1800 | 0.4 | 0.65 | ||||||
| Ⅳ级 | 固定摄像 | 2000 | 0.5 | 0.65 | 2500 | 0.6 | 0.8 | >4000K | ≥65 |
| 现场（移动）摄像 | 1400 | 0.35 | 0.6 | ||||||
| Ⅲ级 | 750 | 0.7 | >4000K | ≥650 | |||||
| Ⅱ级 | 500 | 0.6 | >4000K | ≥65 | |||||
| Ⅰ级 | 200 | 0.5 | >4000K | ≥65 | |||||
注：该标准推荐灯具维护系数0.7。
表6足球场人工照明外溢限值（FIFA 2007）
| 外溢照明角度 | 离体育场围墙的距离（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 |
由于场地内设计照度（维持照度）较高，维护系数为0.7，场地内的初始照度将达到约3 500 lx（Ⅴ级、垂直照度）和5 000 lx（Ⅴ级、垂直照度），这个照度值不但不能提高球员的比赛舒适度和观众观看的舒适度，还会使能耗大大增加，甚至导致溢光污染。因此FIFA 2007推荐采用恒光通量光源，该光源的初始光通量和维持光通量基本接近，可不考虑0.7的维护系数，但该项技术仅被少数光源生产厂商所掌握，由于技术垄断，其价格也较高。
按金卤灯的*小光衰时间2 000 h计算。1个安装480盏、2 kW金卤灯的体育场，按常规设计，考虑0.7的衰减系数，在光衰周期内所浪费的能源为432 000 kWh。
即使按国内1元/kWh的电费计算，多消耗的电费达到了43.2万元，是不容忽视的。
2照明设计
2.1电力仪表智能监控系统
由于恒光通量光源及其配套灯具是技术，没有市场竞争，价格较高，因此在不采用恒光通量光源的前提下，既达到FIFA 2007的设计照度，又限制初始照度，是该项目场地照明设计的技术难点。项目组对此展开了深入的讨论，提出可借鉴空调专业恒温控制的原理，采用我国完全自主知识产权的电力仪表智能监控系统技术构架，实现赛场照明的恒照度控制。
电力仪表智能监控系统，是我国在能源紧张，且相继出台了很多有关节能减排的法律法规的大环境下，发展起来的新监控平台。在国外发达国家和地区，由于基础电网建设在几十年前已完成，没有实际的工业需求，因而研究较少，工业化程度不高，与国内该领域各项新技术和新产品的欣欣向荣、方兴未艾，形成鲜明对比。
电力仪表智能监控系统按结构形式可分为：集中监控系统模式、区域供电集中监控系统模式和光纤自愈环网集中监控系统模式，一般用于配电网络的监控和管理。该项目之前还没有资料宣称将其用于赛场照明控制。由于该项目已设计了电力智能监控系统，若将其扩充，完全可实现赛场照明的恒照度控制。该方式与传统的照明控制方式相比，不但硬件成本低，安装方便，且编程简单，在网上或物理主站上可直接对各电力仪表所监控的对象进行数据采集、远程控制等，传输速率较快，冗余程度高，有较好的实用性和可靠性。
2.2电力监控仪表的关键技术
该国家体育场项目采用的智能仪表型号为ACR320ELK及ARTU-J16。ACR320ELK可测量三相电流、电压、功率、功率因数、频率信号，带四象限的电能计量功能，配有RS485通信接口，可与后台智能监控软件实现开关量状态采集与遥控功能。该仪表能直接从电流、电压互感器接入信号，互感器变比可任意设置，满足了不同负荷线路的测量、计量需求。ACR320ELK采用嵌入式安装，大屏幕蓝色背景液晶显示屏，方便用户直观地读取各项电力参数。ARTU-J16遥控单元是远程继电器输出模块，与上位机通过RS-485总线进行数据交换，用于执行系统遥控操作，共有16路继电器输出，输出容量为AC 5 A/250 V或DC 5 A/30 V，反应速度≤10 ms，接点的输出方式可设定为脉冲（点动）方式或保持方式，同时可存储16路（共计1 600组）继电器动作时间顺序记录（SOE信息）。作为自动控制环节中的执行元件，可用于远程控制自动化设备或直接驱动自动化设备的电操作机构，实现远程或自动控制。ARTUJ16采用柜内35 mm导轨式安装，模块上设计有通道状态指示灯和通信状态指示灯，可反映继电器的工作状态和通信状态。
2.3控制方案
该项目共设置480盏功率为2 kW的金卤灯作为赛场照明，电力仪表智能监控系统为每盏灯分配一个地址编码，可独立开启和关闭毎盏灯具。控制系统方案如图2所示。
图2控制系统方案
通过按照不同的配光曲线组合，按光衰周期开启不同数量的灯具，实现等照度控制，以节约电能，比较结果如图3所示。按初始光通量100%到维持光通量70%进行计算共3 000 h，从初始光通量每5%（即每500 h），分五级模式照明，设置开灯模式进行控制，同时电力监控系统对毎盏灯的开灯时间进行记录，按*优方式控制毎盏灯的总开灯时间，做到480盏灯具寿命同期，避免传统的赛场照明控制方式使个别灯组的灯具开灯时间过长，提前老化，延长了赛场照明的整体换灯周期,布灯方案如图4所示。为保证恒照度模式下的赛场照明均匀度，照明设计软件进行了大量的模拟计算，优化出*佳的灯具组合，同时设置要求在毎盏灯上配置对光装置，可按方便地调整毎盏灯的靶心，以保证赛场的照度均匀。灯具安装如图5、图6所示。
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图3等照度控制与传统灯控方式比较
图5灯具安装方案
图6灯具在马道上安装实景
2.4完成效果
该项目已在2010年12月完成初验收，工程达到原设计的各项功能和指标，获得了各方的一致好评。验收的相关各项数据分别如表7、表8所示。光源参数为单灯功率2 kW，光通量220 000 lm。
表7按0.7维护系数的开灯模式照度实测值
| 开灯数量 | 摄像类型 | 垂直照度 | 水平照度 | 光源色温 | 光源 显色指数 | ||||
| 照度 平均值 | 照度均匀值 | 照度 平均值 | 照度均匀值 | ||||||
| （lux） | U1 | U2 | （lux） | U1 | U2 | TK | Ra | ||
| 480 | 主 摄像机位 | 3400 | 0.52 | 0.72 | 5100 | 0.62 | 0.82 | 5600K | 93 |
| 辅助 摄像机位 | 2600 | 0.43 | 0.66 | ||||||
| 光源参数 | 单灯功率2kW，光通量220000lm | ||||||||
表8按恒照度控制模式的开灯模式照度实测值
| 开灯数量 | 摄像类型 | 垂直照度 | 水平照度 | 光源色温 | 光源 显色指数 | ||||
| 照度 平均值 | 照度均匀值 | 照度 平均值 | 照度均匀值 | ||||||
| （lux） | U1 | U2 | （lux） | U1 | U2 | TK | Ra | ||
| 360 | 主 摄像机位 | 2480 | 0.51 | 0.71 | 3600 | 0.61 | 0.81 | 5600K | 93 |
| 辅助 摄像机位 | 1860 | 0.42 | 0.66 | ||||||
| 光源参数 | 单灯功率2kW，光通量220000lm | ||||||||
3结语
该项目的验证结果表明，电力监控仪表完全可胜任体育场馆等场所的高端照明控制需求，实现等照度控制、多模式控制等复杂的功能。与传统控制方式相比，具有布线简单、可靠性高、控制方式灵活，集成度高、经济性高等优势，值得大力推广应用。
文章来源于：《现代建筑电气》2011年第12期。
参考文献：
［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］李炳华,王玉卿,现代体育场馆照明指南［M］. 北京：中国电力出版社，2004.
［5］GB 50034—2004建筑照明设计标准［S］.
［6］JGJ 31—2003体育建筑设计规范［S］.
［7］俞丽华,朱桐城.电气照明［M］.上海：同济大学出版社，1990.
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江苏安科瑞电器制造有限公司—安科瑞（股票代码：300286）
图4布灯方案
