摘要： 介紹了采用我國(guó)完全自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能電力儀表在哥斯達(dá)黎加體育場(chǎng)地照明控制中應(yīng)用的幾項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，既滿足了FIFA 2007照明標(biāo)準(zhǔn)，又節(jié)約大量電能。結(jié)合哥斯達(dá)黎加體育場(chǎng)項(xiàng)目的建成情況和檢測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)方案的合理性。
關(guān)鍵詞： 場(chǎng)地照明； 智能控制； 電力儀表； 恒照度； 節(jié)能
0 引言
哥斯達(dá)黎加體育場(chǎng)是中南建筑院對(duì)外援助的單體最大的民用建筑，按FIFA 2007標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的V級(jí)體育場(chǎng)。哥斯達(dá)黎加新國(guó)家體育場(chǎng)項(xiàng)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)代化程度最高的綜合性體育場(chǎng)，成為圣何塞市的新地標(biāo)。它不但是中哥友誼的象征，更是中國(guó)的實(shí)力在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的實(shí)力展現(xiàn)。當(dāng)?shù)卣腿嗣駥?duì)該項(xiàng)目的建成非常滿意。
圖1效果圖
項(xiàng)目設(shè)計(jì)組遵循商務(wù)部領(lǐng)導(dǎo)的指示，該項(xiàng)目的建設(shè)，不但要鞏固中哥兩國(guó)人民的的友誼，而且要在中美洲乃至整個(gè)美洲宣傳中國(guó)，展現(xiàn)中國(guó)先進(jìn)的工業(yè)產(chǎn)品。其中在場(chǎng)地照明設(shè)計(jì)中有一項(xiàng)突破，即在實(shí)現(xiàn)FIFA 2007照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下，將中國(guó)的電力儀表智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于賽場(chǎng)照明的照度控制，不但滿足了照度要求、控制起來(lái)靈活方便，而且延長(zhǎng)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
1 足球場(chǎng)照明相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹
FIFA 2007標(biāo)準(zhǔn)是要求最高的最新足球場(chǎng)照明標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)球場(chǎng)的前期決策、安全、朝向與停車、賽場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)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(xì)的規(guī)定，相對(duì)于FIFA 2002標(biāo)準(zhǔn)，其照度標(biāo)準(zhǔn)有較大提高。
1.1CIE標(biāo)準(zhǔn)
1983年，國(guó)際照明委員會(huì)（International Commission on Illumination，CIE）頒布的《足球場(chǎng)照明標(biāo)準(zhǔn)（Lighting for Football）》，即CIE 57號(hào)技術(shù)文件，是足球場(chǎng)場(chǎng)地照明的指導(dǎo)性文件，該文件對(duì)照度的要求相對(duì)較低，如表1所示。
表1規(guī)格不同的足球場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)推薦設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)
FIFA在2002年公布的足球場(chǎng)人工照明標(biāo)準(zhǔn)（Guide to the Artificial Lighting of Football Pitches）已對(duì)場(chǎng)地照明標(biāo)準(zhǔn)作了較大的提高。具體如表2、表3所示。其按照比賽分級(jí)的不同，提出了照明布置、照明參數(shù)、照明測(cè)量等不同要求，是當(dāng)時(shí)世界上足球場(chǎng)人工照明方面內(nèi)容最全的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)公布后，就在2002年韓日世界杯賽場(chǎng)上得到應(yīng)用。
表2比賽分級(jí)（FIFA 2002）
有電視轉(zhuǎn)播的比賽
無(wú)電視轉(zhuǎn)播的比賽
等級(jí)
比賽類型
等級(jí)
比賽類型
Ⅴ級(jí)
國(guó)際級(jí)比賽
Ⅲ級(jí)
國(guó)內(nèi)比賽
Ⅳ級(jí)
國(guó)內(nèi)比賽
Ⅱ級(jí)
聯(lián)賽、俱樂部比賽
Ⅰ級(jí)
訓(xùn)練賽、娛樂
1.3體育建筑設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》,要求球場(chǎng)的照明設(shè)計(jì)按GBJ－133《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,其對(duì)足球場(chǎng)的照明設(shè)計(jì)要求規(guī)定如表4所示。
表3足球場(chǎng)人工照明參數(shù)推薦值（FIFA 2002）
比賽
分級(jí)
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(jí)
慢動(dòng)作
1800
0.5
0.7
1500 ～ 3000
0.6
0.8
>5000K
≥ 80
最好
≥9 0
固定動(dòng)作
1400
0.5
0.7
移動(dòng)攝像
1000
0.3
0.5
Ⅳ級(jí)
固定攝像
1000
0.4
0.6
1000 ～ 2000
0.6
0.8
>4000K
≥ 80
Ⅲ級(jí)
500
0.7
>4000K
≥ 80
Ⅱ級(jí)
200
0.6
>4000K
≥ 65
Ⅰ級(jí)
75
0.5
>4000K
≥ 20
注：該標(biāo)準(zhǔn)推薦燈具維護(hù)系數(shù)0.8。
表4足球場(chǎng)人工照明參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值（GB 50034—2004）
有彩電轉(zhuǎn)播
最大攝影距離（ m ）
25
75
150
垂直照度（ lux ）
750
1000
1500
無(wú)彩電轉(zhuǎn)播
最大觀看距離（ m ）
120
150
200
水平照度（ lux ）
300
500
700
注：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定室外足球場(chǎng)的維護(hù)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(jì)。
1.4FIFA 2007標(biāo)準(zhǔn)
FIFA在2007年公布了Football Stadiums Technical Recommendations and Requirements 2007，對(duì)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(shí)，為避免過(guò)高的照度標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致賽場(chǎng)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(chǎng)人工照明參數(shù)推薦值（FIFA 2007）
比賽
分級(jí)
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(jí)
固定攝像
2400
0.5
0.7
3500
0.6
0.8
>5000K
≥ 65
現(xiàn)場(chǎng)（移動(dòng)）攝像
1800
0.4
0.65
Ⅳ級(jí)
固定攝像
2000
0.5
0.65
2500
0.6
0.8
>4000K
≥ 65
現(xiàn)場(chǎng)（移動(dòng)）攝像
1400
0.35
0.6
Ⅲ級(jí)
750
0.7
>4000K
≥ 650
Ⅱ級(jí)
500
0.6
>4000K
≥ 65
Ⅰ級(jí)
200
0.5
>4000K
≥ 65
注：該標(biāo)準(zhǔn)推薦燈具維護(hù)系數(shù) 0.7 。
表6足球場(chǎng)人工照明外溢限值（FIFA 2007）
外溢照明角度
離體育場(chǎng)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(chǎng)地內(nèi)設(shè)計(jì)照度（維持照度）較高，維護(hù)系數(shù)為0.7，場(chǎng)地內(nèi)的初始照度將達(dá)到約3 500 lx（Ⅴ級(jí)、垂直照度）和5 000 lx（Ⅴ級(jí)、垂直照度），這個(gè)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(huì)使能耗大大增加，甚至導(dǎo)致溢光污染。因此FIFA 2007推薦采用恒光通量光源，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(hù)系數(shù)，但該項(xiàng)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(jià)格也較高。
按金鹵燈的最小光衰時(shí)間2 000 h計(jì)算。1個(gè)安裝480盞、2 kW金鹵燈的體育場(chǎng)，按常規(guī)設(shè)計(jì)，考慮0.7的衰減系數(shù)，在光衰周期內(nèi)所浪費(fèi)的能源為432 000 kWh。
即使按國(guó)內(nèi)1元/kWh的電費(fèi)計(jì)算，多消耗的電費(fèi)達(dá)到了43.2萬(wàn)元，是不容忽視的。
2照明設(shè)計(jì)
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專利技術(shù)，沒有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，價(jià)格較高，因此在不采用恒光通量光源的前提下，既達(dá)到FIFA 2007的設(shè)計(jì)照度，又限制初始照度，是該項(xiàng)目場(chǎng)地照明設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)。項(xiàng)目組對(duì)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(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電力儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)賽場(chǎng)照明的恒照度控制。
電力儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)，是我國(guó)在能源緊張，且相繼出臺(tái)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(lái)的新監(jiān)控平臺(tái)。在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)際的工業(yè)需求，因而研究較少，工業(yè)化程度不高，與國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域各項(xiàng)新技術(shù)和新產(chǎn)品的欣欣向榮、方興未艾，形成鮮明對(duì)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(xiàng)目之前還沒有資料宣稱將其用于賽場(chǎng)照明控制。由于該項(xiàng)目已設(shè)計(jì)了電力智能監(jiān)控系統(tǒng)，若將其擴(kuò)充，完全可實(shí)現(xiàn)賽場(chǎng)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(jiǎn)單，在網(wǎng)上或物理主站上可直接對(duì)各電力儀表所監(jiān)控的對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等，傳輸速率較快，冗余程度高，有較好的實(shí)用性和可靠性。
2.2電力監(jiān)控儀表的關(guān)鍵技術(shù)
該國(guó)家體育場(chǎng)項(xiàng)目采用的智能儀表型號(hào)為ACR320ELK及ARTU-J16。ACR320ELK可測(cè)量三相電流、電壓、功率、功率因數(shù)、頻率信號(hào)，帶四象限的電能計(jì)量功能，配有RS485通信接口，可與后臺(tái)智能監(jiān)控軟件實(shí)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(hào)，互感器變比可任意設(shè)置，滿足了不同負(fù)荷線路的測(cè)量、計(jì)量需求。ACR320ELK采用嵌入式安裝，大屏幕藍(lán)色背景液晶顯示屏，方便用戶直觀地讀取各項(xiàng)電力參數(shù)。ARTU-J16遙控單元是遠(yuǎn)程繼電器輸出模塊，與上位機(jī)通過(guò)RS-485總線進(jìn)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(diǎn)的輸出方式可設(shè)定為脈沖（點(diǎn)動(dòng)）方式或保持方式，同時(shí)可存儲(chǔ)16路（共計(jì)1 600組）繼電器動(dòng)作時(shí)間順序記錄（SOE信息）。作為自動(dòng)控制環(huán)節(jié)中的執(zhí)行元件，可用于遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化設(shè)備或直接驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備的電操作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或自動(dòng)控制。ARTUJ16采用柜內(nèi)35 mm導(dǎo)軌式安裝，模塊上設(shè)計(jì)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(xiàng)目共設(shè)置480盞功率為2 kW的金鹵燈作為賽場(chǎng)照明，電力儀表智能監(jiān)控系統(tǒng)為每盞燈分配一個(gè)地址編碼，可獨(dú)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(guò)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(shí)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(jìn)行計(jì)算共3 000 h，從初始光通量每5%（即每500 h），分五級(jí)模式照明，設(shè)置開燈模式進(jìn)行控制，同時(shí)電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)毎盞燈的開燈時(shí)間進(jìn)行記錄，按最優(yōu)方式控制毎盞燈的總開燈時(shí)間，做到480盞燈具壽命同期，避免傳統(tǒng)的賽場(chǎng)照明控制方式使個(gè)別燈組的燈具開燈時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，提前老化，延長(zhǎng)了賽場(chǎng)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(chǎng)照明均勻度，照明設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了大量的模擬計(jì)算，優(yōu)化出最佳的燈具組合，同時(shí)設(shè)置要求在毎盞燈上配置對(duì)光裝置，可按方便地調(diào)整毎盞燈的靶心，以保證賽場(chǎng)的照度均勻。燈具安裝如圖5、圖6所示。
2.4完成效果
該項(xiàng)目已在2010年12月完成初驗(yàn)收，工程達(dá)到原設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能和指標(biāo)，獲得了各方的一致好評(píng)。驗(yàn)收的相關(guān)各項(xiàng)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(hù)系數(shù)的開燈模式照度實(shí)測(cè)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(jī)位
3400
0.52
0.72
5100
0.62
0.82
5600K
93
輔助
攝像機(jī)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(shí)測(cè)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(jī)位
2480
0.51
0.71
3600
0.61
0.81
5600K
93
輔助
攝像機(jī)位
1860
0.42
0.66
光源參數(shù)
單燈功率 2kW ，光通量 220000lm
3結(jié)語(yǔ)
該項(xiàng)目的驗(yàn)證結(jié)果表明，電力監(jiān)控儀表完全可勝任體育場(chǎng)館等場(chǎng)所的高端照明控制需求，實(shí)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(jiǎn)單、可靠性高、控制方式靈活，集成度高、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)勢(shì)，值得大力推廣應(yīng)用。
文章來(lái)源于：《現(xiàn)代建筑電氣》 2011 年第 12 期。
參考文獻(xiàn)：
［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(chǎng)館照明指南［M］. 北京：中國(guó)電力出版社，2004.
［5］GB 50034—2004建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.
［6］JGJ 31—2003體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.
［7］俞麗華,朱桐城.電氣照明［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.
