摘要： 介紹了采用我國完全自有知識產權的智能電力儀表在哥斯達黎加體育場地照明控制中應用的幾項技術創新，既滿足了FIFA 2007照明標準，又節約大量電能。結合哥斯達黎加體育場項目的建成情況和檢測數據驗證了原設計方案的合理性。
關鍵詞： 場地照明； 智能控制； 電力儀表； 恒照度； 節能
0 引言
哥斯達黎加體育場是中南建筑院對外援助的單體最大的民用建筑，按FIFA 2007標準設計的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，在兩年之內建成，成為中美洲地區現代化程度最高的綜合性體育場，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達國家和地區的實力展現。當地政府和人民對該項目的建成非常滿意。
圖1效果圖
項目設計組遵循商務部領導的指示，該項目的建設，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，展現中國先進的工業產品。其中在場地照明設計中有一項突破，即在實現FIFA 2007照明標準的前提下，將中國的電力儀表智能監控技術應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的整體壽命，節約了大量電能，取得了較好的社會和經濟效益。
1 足球場照明相關標準介紹
FIFA 2007標準是要求最高的最新足球場照明標準，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、醫療、傳媒、照明和供電、通信和輔助區域等各方面作了詳細的規定，相對于FIFA 2002標準，其照度標準有較大提高。
1.1CIE標準
1983年，國際照明委員會（International Commission on Illumination，CIE）頒布的《足球場照明標準（Lighting for Football）》，即CIE 57號技術文件，是足球場場地照明的指導性文件，該文件對照度的要求相對較低，如表1所示。
表1規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：該標準推薦設計初始照度與平均使用照度的折減系數取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、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容最全的標準。標準公布后，就在2002年韓日世界杯賽場上得到應用。
表2比賽分級（FIFA 2002）
有電視轉播的比賽
無電視轉播的比賽
等級
比賽類型
等級
比賽類型
Ⅴ級
國際級比賽
Ⅲ級
國內比賽
Ⅳ級
國內比賽
Ⅱ級
聯賽、俱樂部比賽
Ⅰ級
訓練賽、娛樂
1.3體育建筑設計規范
2003年10月1日，開始執行的新版JGJ31《體育建筑設計規范》,要求球場的照明設計按GBJ－133《民用建筑照明設計標準》執行，該規范在 2004年12月1日已廢止，改為GB 50034—2004《建筑照明設計標準》,其對足球場的照明設計要求規定如表4所示。
表3足球場人工照明參數推薦值（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
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
最好
≥9 0
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：該標準推薦燈具維護系數0.8。
表4足球場人工照明參數標準值（GB 50034—2004）
有彩電轉播
最大攝影距離（ m ）
25
75
150
垂直照度（ lux ）
750
1000
1500
無彩電轉播
最大觀看距離（ m ）
120
150
200
水平照度（ lux ）
300
500
700
注：該標準規定室外足球場的維護系數應取0.55、大氣吸收系數取30%，但已有多篇論文表示大氣吸收系數并不高，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致賽場光外溢，造成周圍環境的燈光污染，FIFA 2007又作了相應規定，如表6所示。
表5足球場人工照明參數推薦值（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
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：該標準推薦燈具維護系數 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
由于場地內設計照度（維持照度）較高，維護系數為0.7，場地內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的維護系數，但該項技術僅被少數光源生產廠商所掌握，由于技術壟斷，其價格也較高。
按金鹵燈的最小光衰時間2 000 h計算。1個安裝480盞、2 kW金鹵燈的體育場，按常規設計，考慮0.7的衰減系數，在光衰周期內所浪費的能源為432 000 kWh。
即使按國內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照明設計
2.1電力儀表智能監控系統
由于恒光通量光源及其配套燈具是專利技術，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的設計照度，又限制初始照度，是該項目場地照明設計的技術難點。項目組對此展開了深入的討論，提出可借鑒空調專業恒溫控制的原理，采用我國完全自主知識產權的電力儀表智能監控系統技術構架，實現賽場照明的恒照度控制。
電力儀表智能監控系統，是我國在能源緊張，且相繼出臺了很多有關節能減排的法律法規的大環境下，發展起來的新監控平臺。在國外發達國家和地區，由于基礎電網建設在幾十年前已完成，沒有實際的工業需求，因而研究較少，工業化程度不高，與國內該領域各項新技術和新產品的欣欣向榮、方興未艾，形成鮮明對比。
電力儀表智能監控系統按結構形式可分為：集中監控系統模式、區域供電集中監控系統模式和光纖自愈環網集中監控系統模式，一般用于配電網絡的監控和管理。該項目之前還沒有資料宣稱將其用于賽場照明控制。由于該項目已設計了電力智能監控系統，若將其擴充，完全可實現賽場照明的恒照度控制。該方式與傳統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，在網上或物理主站上可直接對各電力儀表所監控的對象進行數據采集、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電力監控儀表的關鍵技術
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、頻率信號，帶四象限的電能計量功能，配有RS485通信接口，可與后臺智能監控軟件實現開關量狀態采集與遙控功能。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。ARTU-J16遙控單元是遠程繼電器輸出模塊，與上位機通過RS-485總線進行數據交換，用于執行系統遙控操作，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，反應速度≤10 ms，接點的輸出方式可設定為脈沖（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）。作為自動控制環節中的執行元件，可用于遠程控制自動化設備或直接驅動自動化設備的電操作機構，實現遠程或自動控制。ARTUJ16采用柜內35 mm導軌式安裝，模塊上設計有通道狀態指示燈和通信狀態指示燈，可反映繼電器的工作狀態和通信狀態。
2.3控制方案
該項目共設置480盞功率為2 kW的金鹵燈作為賽場照明，電力儀表智能監控系統為每盞燈分配一個地址編碼，可獨立開啟和關閉毎盞燈具。控制系統方案如圖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量的燈具，實現等照度控制，以節約電能，比較結果如圖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，設置開燈模式進行控制，同時電力監控系統對毎盞燈的開燈時間進行記錄，按最優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，照明設計軟件進行了大量的模擬計算，優化出最佳的燈具組合，同時設置要求在毎盞燈上配置對光裝置，可按方便地調整毎盞燈的靶心，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，工程達到原設計的各項功能和指標，獲得了各方的一致好評。驗收的相關各項數據分別如表7、表8所示。光源參數為單燈功率2 kW，光通量220 000 lm。
表7按0.7維護系數的開燈模式照度實測值
開燈數量
攝像類型
垂直照度
水平照度
光源色溫
光源
顯色指數
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
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
開燈數量
攝像類型
垂直照度
水平照度
光源色溫
光源
顯色指數
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
單燈功率 2kW ，光通量 220000lm
3結語
該項目的驗證結果表明，電力監控儀表完全可勝任體育場館等場所的高端照明控制需求，實現等照度控制、多模式控制等復雜的功能。與傳統控制方式相比，具有布線簡單、可靠性高、控制方式靈活，集成度高、經濟性高等優勢，值得大力推廣應用。
文章來源于：《現代建筑電氣》 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建筑照明設計標準［S］.
［6］JGJ 31—2003體育建筑設計規范［S］.
［7］俞麗華,朱桐城.電氣照明［M］.上海：同濟大學出版社，1990.
