大型賽事場(chǎng)館中的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

曹 婧，竇 迅

(1.南京工業(yè)大學(xué) 體育部，江蘇 南京 211800; 2.南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211800)

隨著科技的進(jìn)步，大型體育賽事中逐漸引進(jìn)了越來越多的自動(dòng)化系統(tǒng)[1-3].其中，2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館以及賽事周邊的城市基礎(chǔ)工程建設(shè)中，引進(jìn)了先進(jìn)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)[4-5]，以及安防自動(dòng)化系統(tǒng)[6-7]，極大保證了賽事的平穩(wěn)運(yùn)行.2002年韓日世界杯，決賽場(chǎng)館橫濱國(guó)際競(jìng)技場(chǎng)首次引進(jìn)了可移動(dòng)攝像裝置，部署在百米跑道側(cè)看臺(tái).該裝置采用了先進(jìn)的空氣懸浮推進(jìn)系統(tǒng)，可使攝像頭在7 s之內(nèi)平穩(wěn)推進(jìn)100 s，能全程跟蹤拍攝百米賽跑以及足球比賽中的快速推進(jìn)工程.2008年北京奧運(yùn)會(huì)足球比賽分賽場(chǎng)秦皇島文體中心綜合體育場(chǎng)，采用了ABS、DCS等11個(gè)子系統(tǒng).其樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)更是充分考慮了體育場(chǎng)自身建筑特點(diǎn)，進(jìn)行了非常合理的配置，保證了賽事的高效管理控制.電氣自動(dòng)化系統(tǒng)在大型體育賽事中的應(yīng)用十分關(guān)鍵.在大型體育場(chǎng)館中，照明系統(tǒng)是體育場(chǎng)館承辦體育賽事以及重要活動(dòng)的有力保證.體育場(chǎng)館的設(shè)計(jì)正在朝著大型化、功能化的方向發(fā)展，其用電量也不斷增加.這就需要借助電力監(jiān)控系統(tǒng)來提高電網(wǎng)安全運(yùn)行的安全性.

1 照明系統(tǒng)和自動(dòng)化控制流程

1.1 照明系統(tǒng)

大型體育場(chǎng)館的照明系統(tǒng)屬于體育場(chǎng)弱電子系統(tǒng)(圖1)，是體育場(chǎng)館承辦體育賽事以及重要活動(dòng)的有力保證.由于大型體育場(chǎng)館照明燈具配電箱空間分布比較分散、回路多、地面積較大以及燈具數(shù)量多，通常需要做到就地控制.大型體育場(chǎng)館在舉辦體育賽事之余，還將承辦集會(huì)、演唱會(huì)、嘉年華等活動(dòng).各種不同類型的活動(dòng)對(duì)所需的燈光類型也不盡相同，因此需要根據(jù)不同活動(dòng)類型及場(chǎng)地情況準(zhǔn)備多種燈光控制方案.鑒于照明效果對(duì)賽事舉辦以及展會(huì)等活動(dòng)的重要意義，為了配合具體的賽事或活動(dòng)，需要設(shè)定調(diào)光和場(chǎng)景預(yù)設(shè)等功能.照明控制系統(tǒng)通常由輸入、輸出及系統(tǒng)單元三部分組成.輸入部分包括智能傳感器、控制面板、遙控器、液晶顯示觸摸屏等，負(fù)責(zé)將外界的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)信號(hào).而輸出部分負(fù)責(zé)接收總線上的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)照明控制.系統(tǒng)部分由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PC接口和系統(tǒng)電源等部件組成.照明系統(tǒng)配電箱內(nèi)部配電系統(tǒng)圖如圖2所示.

1.2 光照度控制

光照度的定義為單位受照面積上接收到的光通量，平均照度為：

1.3 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電氣自動(dòng)化控制流程

就地和總線是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電氣控制方法[8-9].在就地控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開啟停運(yùn)需要依附在動(dòng)力站中的馬達(dá)保護(hù)器、變頻器和軟啟動(dòng)器等一些控制器械，從而實(shí)現(xiàn)就地操作箱傳輸起停信號(hào)的接收.如果在遠(yuǎn)程控制的環(huán)境下，生產(chǎn)設(shè)備的起停運(yùn)轉(zhuǎn)是從DP總線里所接收的上位機(jī)信息反饋情況對(duì)PLC做出相應(yīng)的指令.PLC對(duì)DP總線相應(yīng)信息的讀取來獲取控制器中各項(xiàng)運(yùn)作設(shè)備呈現(xiàn)出的故障信息，都可以通過以上的控制方式實(shí)現(xiàn).圖4為現(xiàn)場(chǎng)總線電氣自動(dòng)化控制流程圖.

總線和就地設(shè)備在進(jìn)行切換工作時(shí)一定要確保其平穩(wěn)性和原有狀態(tài)的維持，如馬達(dá)保護(hù)器和軟啟動(dòng)器類型的生產(chǎn)設(shè)備不能夠因?yàn)槠渌O(shè)備轉(zhuǎn)換的原因而對(duì)其做任何的啟動(dòng)和停運(yùn)操作.在需要切換時(shí)相應(yīng)的變頻設(shè)備也要維持在既定的頻率中以保證無擾切換工作的順利進(jìn)行.在總線控制的作用下，外部電路在進(jìn)行電路的切換工作時(shí)應(yīng)該做好周全的考慮，確?？偩€和就地控制器可以有效地進(jìn)行無擾切換工作.

2 智能電力監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

體育場(chǎng)館的設(shè)計(jì)正在朝著大型化、功能化的方向發(fā)展，因而其用電量也不斷增加.這就需要更加簡(jiǎn)易的用電管理方式來提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性[10].為滿足不同場(chǎng)合的需求，智能化的電路控制需要實(shí)現(xiàn)多樣的控制組合.其中，變配電室自動(dòng)化控制是降低運(yùn)行維護(hù)成本、向用戶提供高質(zhì)量電能服務(wù)的一項(xiàng)舉措.

基于ACR320ELK網(wǎng)絡(luò)電力儀表、Acrel-3000電力監(jiān)控軟件和智能管理系統(tǒng)，以及ARTU-J16控制單元的監(jiān)控，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微機(jī)在配電室中無人管理的功能，投資少而且簡(jiǎn)明實(shí)用.

2.2 系統(tǒng)分析

目前常規(guī)的電力監(jiān)控系統(tǒng)為三層結(jié)構(gòu)，經(jīng)由數(shù)根RS485總線上傳數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由安裝在低壓配電柜上的多功能儀表組成.通信管理層的功能是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和站控管理層，是由配電室通信機(jī)柜內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、通信服務(wù)器和光電轉(zhuǎn)換器等設(shè)備組成.

2.2 系統(tǒng)功能

(1) 數(shù)據(jù)采集與處理.電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠向用戶及時(shí)傳遞采集到的電參量數(shù)據(jù)，用戶能夠及時(shí)得到各種數(shù)據(jù)信息，并能根據(jù)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)了解體育場(chǎng)館的電力狀況，達(dá)到配電監(jiān)控的智能化和自動(dòng)化要求.

(2) 故障報(bào)警.當(dāng)體育場(chǎng)館內(nèi)的配電系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)，該電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息進(jìn)行聲光報(bào)警，并能記錄故障信息，隨時(shí)進(jìn)行事故追憶.

(3) 人機(jī)交互.電力監(jiān)控系統(tǒng)顯示配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，提供簡(jiǎn)單、易用、良好的用戶使用界面.

(4) 用戶權(quán)限管理.針對(duì)不同級(jí)別的用戶，設(shè)置不同的權(quán)限組.即可根據(jù)要求設(shè)置用戶的權(quán)限，以及添加或刪除軟件的用戶數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的安全，可靠運(yùn)行，防止因人為誤操作給賽事或活動(dòng)帶來的損失.

前期做好計(jì)劃來面對(duì)將要發(fā)生的安全威脅，事后應(yīng)該控制好保護(hù)措施避免出現(xiàn)不利問題，后期進(jìn)行周期性的反饋和指導(dǎo).

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了進(jìn)一步了解智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能以及性能，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)某大型體育場(chǎng)館的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試.實(shí)驗(yàn)共分為3步，分別檢測(cè)故障報(bào)警功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能和事件記錄功能，模擬各種突發(fā)情形，觀測(cè)并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

表1 故障報(bào)警功能測(cè)試結(jié)果Tab.1 The test results of fault alarm function

3.1 故障報(bào)警功能測(cè)試

測(cè)試時(shí)將電表接入標(biāo)準(zhǔn)表模擬電池欠壓、電源失壓、電源失流、電壓越限、超負(fù)荷和逆向序故障等各種異常情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，證明了故障報(bào)警功能良好，能夠?qū)Ω鞣N突發(fā)情形進(jìn)行及時(shí)報(bào)警.

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能測(cè)試

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括基本參數(shù)數(shù)據(jù)保存和當(dāng)前數(shù)據(jù)保存，即電能表的基本參數(shù)在掉電后不丟失；電能表中的當(dāng)前電量、需量等所有數(shù)據(jù)掉電后不丟失.此外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能還包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)內(nèi)容包含有功無功電量、需量發(fā)生時(shí)間、各分相電量以及歷史電量等信息.測(cè)試方法：正確設(shè)置結(jié)算日，結(jié)算日到時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)，并記錄當(dāng)前有功正反向A/B/C電量、有功錯(cuò)峰正反向電量、無功正反向總及尖、峰、平、谷電量、無功感性和無功容性電量等數(shù)據(jù).然后進(jìn)行斷電處理，最后再接通電源，重新記錄以上數(shù)據(jù).測(cè)試結(jié)果：轉(zhuǎn)存準(zhǔn)確，項(xiàng)目?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)正確.

3.3 事件記錄功能測(cè)試

測(cè)試方法：首先進(jìn)行模擬失壓，連續(xù)出現(xiàn)30 s后，開始記錄本次失壓累計(jì)時(shí)間、失壓線路以及失壓累計(jì)次數(shù)，并連續(xù)記錄5次失壓出現(xiàn)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間.三相全失壓時(shí)，電表記錄本次出現(xiàn)時(shí)間、失壓累計(jì)時(shí)間、失壓次數(shù).電壓恢復(fù)時(shí)可以顯示以上記錄.

測(cè)試結(jié)果如表2所示，從表2可以看出，事件記錄功能可以實(shí)時(shí)記錄故障信息，也可以隨時(shí)進(jìn)行事故追憶.

表2 事件記錄功能測(cè)試結(jié)果Tab.2 The test results of event recording function