大型赛事场馆中的电气自动化控制系统设计*

曹 婧，窦 迅

(1.南京工业大学 体育部，江苏 南京 211800; 2.南京工业大学 自动化学院，江苏 南京 211800)

随着科技的进步，大型体育赛事中逐渐引进了越来越多的自动化系统[1-3].其中，2000年悉尼奥运会场馆以及赛事周边的城市基础工程建设中，引进了先进的楼宇自动化系统[4-5]，以及安防自动化系统[6-7]，极大保证了赛事的平稳运行.2002年韩日世界杯，决赛场馆横滨国际竞技场首次引进了可移动摄像装置，部署在百米跑道侧看台.该装置采用了先进的空气悬浮推进系统，可使摄像头在7 s之内平稳推进100 s，能全程跟踪拍摄百米赛跑以及足球比赛中的快速推进工程.2008年北京奥运会足球比赛分赛场秦皇岛文体中心综合体育场，采用了ABS、DCS等11个子系统.其楼宇自动化系统更是充分考虑了体育场自身建筑特点，进行了非常合理的配置，保证了赛事的高效管理控制.电气自动化系统在大型体育赛事中的应用十分关键.在大型体育场馆中，照明系统是体育场馆承办体育赛事以及重要活动的有力保证.体育场馆的设计正在朝着大型化、功能化的方向发展，其用电量也不断增加.这就需要借助电力监控系统来提高电网安全运行的安全性.

1 照明系统和自动化控制流程

1.1 照明系统

大型体育场馆的照明系统属于体育场弱电子系统(图1)，是体育场馆承办体育赛事以及重要活动的有力保证.由于大型体育场馆照明灯具配电箱空间分布比较分散、回路多、地面积较大以及灯具数量多，通常需要做到就地控制.大型体育场馆在举办体育赛事之余，还将承办集会、演唱会、嘉年华等活动.各种不同类型的活动对所需的灯光类型也不尽相同，因此需要根据不同活动类型及场地情况准备多种灯光控制方案.鉴于照明效果对赛事举办以及展会等活动的重要意义，为了配合具体的赛事或活动，需要设定调光和场景预设等功能.照明控制系统通常由输入、输出及系统单元三部分组成.输入部分包括智能传感器、控制面板、遥控器、液晶显示触摸屏等，负责将外界的控制信号转换为系统信号.而输出部分负责接收总线上的控制信号，从而实现照明控制.系统部分由监控计算机、PC接口和系统电源等部件组成.照明系统配电箱内部配电系统图如图2所示.

1.2 光照度控制

光照度的定义为单位受照面积上接收到的光通量，平均照度为：

1.3 基于现场总线的电气自动化控制流程

就地和总线是现场设备的电气控制方法[8-9].在就地控制系统中，现场设备的开启停运需要依附在动力站中的马达保护器、变频器和软启动器等一些控制器械，从而实现就地操作箱传输起停信号的接收.如果在远程控制的环境下，生产设备的起停运转是从DP总线里所接收的上位机信息反馈情况对PLC做出相应的指令.PLC对DP总线相应信息的读取来获取控制器中各项运作设备呈现出的故障信息，都可以通过以上的控制方式实现.图4为现场总线电气自动化控制流程图.

总线和就地设备在进行切换工作时一定要确保其平稳性和原有状态的维持，如马达保护器和软启动器类型的生产设备不能够因为其他设备转换的原因而对其做任何的启动和停运操作.在需要切换时相应的变频设备也要维持在既定的频率中以保证无扰切换工作的顺利进行.在总线控制的作用下，外部电路在进行电路的切换工作时应该做好周全的考虑，确保总线和就地控制器可以有效地进行无扰切换工作.

2 智能电力监控系统

2.1 系统设计

体育场馆的设计正在朝着大型化、功能化的方向发展，因而其用电量也不断增加.这就需要更加简易的用电管理方式来提高电网运行的安全性[10].为满足不同场合的需求，智能化的电路控制需要实现多样的控制组合.其中，变配电室自动化控制是降低运行维护成本、向用户提供高质量电能服务的一项举措.

基于ACR320ELK网络电力仪表、Acrel-3000电力监控软件和智能管理系统，以及ARTU-J16控制单元的监控，该系统实现了微机在配电室中无人管理的功能，投资少而且简明实用.

2.2 系统分析

目前常规的电力监控系统为三层结构，经由数根RS485总线上传数据，现场设备层由安装在低压配电柜上的多功能仪表组成.通信管理层的功能是连接现场设备层和站控管理层，是由配电室通信机柜内的工业以太网交换机、通信服务器和光电转换器等设备组成.

2.2 系统功能

(1) 数据采集与处理.电力监控系统能够向用户及时传递采集到的电参量数据，用户能够及时得到各种数据信息，并能根据这些实时数据了解体育场馆的电力状况，达到配电监控的智能化和自动化要求.

(2) 故障报警.当体育场馆内的配电系统发生运行故障时，该电力监控系统能够及时发出报警信息进行声光报警，并能记录故障信息，随时进行事故追忆.

(3) 人机交互.电力监控系统显示配电系统设备状态及实时运行参数，提供简单、易用、良好的用户使用界面.

(4) 用户权限管理.针对不同级别的用户，设置不同的权限组.即可根据要求设置用户的权限，以及添加或删除软件的用户数量，从而实现配电系统的安全，可靠运行，防止因人为误操作给赛事或活动带来的损失.

前期做好计划来面对将要发生的安全威胁，事后应该控制好保护措施避免出现不利问题，后期进行周期性的反馈和指导.

3 实验测试

为了进一步了解智能电力监控系统的功能以及性能，设计实验对某大型体育场馆的智能电力监控系统的各项功能进行测试.实验共分为3步，分别检测故障报警功能、数据存储功能和事件记录功能，模拟各种突发情形，观测并记录实验结果.

表1 故障报警功能测试结果Tab.1 The test results of fault alarm function

3.1 故障报警功能测试

测试时将电表接入标准表模拟电池欠压、电源失压、电源失流、电压越限、超负荷和逆向序故障等各种异常情况.实验结果如表1所示，证明了故障报警功能良好，能够对各种突发情形进行及时报警.

3.2 数据存储功能测试

数据存储包括基本参数数据保存和当前数据保存，即电能表的基本参数在掉电后不丢失；电能表中的当前电量、需量等所有数据掉电后不丢失.此外，数据存储功能还包括数据转存，转存数据内容包含有功无功电量、需量发生时间、各分相电量以及历史电量等信息.测试方法：正确设置结算日，结算日到时，自动转存数据，并记录当前有功正反向A/B/C电量、有功错峰正反向电量、无功正反向总及尖、峰、平、谷电量、无功感性和无功容性电量等数据.然后进行断电处理，最后再接通电源，重新记录以上数据.测试结果：转存准确，项目内容数据正确.

3.3 事件记录功能测试

测试方法：首先进行模拟失压，连续出现30 s后，开始记录本次失压累计时间、失压线路以及失压累计次数，并连续记录5次失压出现时间和恢复时间.三相全失压时，电表记录本次出现时间、失压累计时间、失压次数.电压恢复时可以显示以上记录.

测试结果如表2所示，从表2可以看出，事件记录功能可以实时记录故障信息，也可以随时进行事故追忆.

表2 事件记录功能测试结果Tab.2 The test results of event recording function