1、供配电系统的节能设计
1.1变电所数量和位置的确定
合理的变电所位置对提高电源质量、减小传输线路上的电能损耗有重要意义。变电所数量和位置要结合土建布局、根据负荷大小和低压供电半径综合考虑，尽可能设在负荷中心。本工程共设三处10KV变电所，分别位于地下一层西侧和东南侧及东北侧。
[图1]变电所位置示意 在选取体育场变电所位置时要特别注意验算末端用电设备电压偏移，采取措施保证电压偏移不超过允许值。场地照明是按灯具光源的额定值计算的，电压偏移会影响照度计算的准确性。本工程场地照明采用沿罩棚分段光带布灯与灯塔相结合的方式，场地灯的变电室设在体育场西侧主看台地下室，通过采取将灯具分组配电、加大场地照明配电干线和分支干线电缆截面、灯控室至顶棚灯具配电盘的分支干线按远近采用不同截面等措施，将场地照明灯的电压偏移控制在-2.1%至-3.0%之间，可以满足《体育建筑设计规范》JGJ31-2003中“重要比赛场地的灯头末端电压偏移，相互间不宜大于正负1%”的要求。
1.2变压器选型及台数的确定
按照变压器的制造标准，SB10系列比SB9系列空载损耗降低10%、负载损耗降低5%。本工程变压器选用低损耗的SB10系列，减小了变压器日常运行的损耗。
选择变压器容量时，变压器负载率一般控制在65%~85%之间，使变压器工作在经济运行范围内。
本体育场除体育比赛、训练使用外，还建有平时使用的文体活动、餐饮、住宿等附属用房，考虑用电负荷的特点和变压器经济运行的条件及供电系统的可靠性，选择了多台小容量变压器的供电方案，并为仅在比赛期间才使用的大型用电设备设置专用变压器，平时退出运行。通过减少变压器台数、使运行的变压器负载率在经济运行的范围内，达到节能的目的。
各变电所装机容量和配电范围如下表：
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变压器 编号 |
变压器容量 (KVA) |
设备额定容量(KW) |
变压器 负荷率 |
配电范围 |
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A# |
A1 |
1250 |
1845 |
69.9% |
东半场附属用房 （全民健身用房、餐厅、车库、部分运动员公寓等） |
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A2 |
1250 |
1835 |
69.5% | ||
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B# |
B1 |
1600 |
1626 |
64.0% |
南、北、西半场配套用房 （设备机房、人防、车库、体育工艺用房、运动员公寓等） |
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B2 |
1600 |
1633 |
64.5% | ||
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C1 |
800 |
626 |
61.8% |
场地照明、电子大屏幕、场地工艺用电设备、演出用电设备专用 | |
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C2 |
800 |
652 |
64.3% | ||
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D# |
D1 |
1250 |
1578 |
77.9% |
冷冻机房专用 |
|
D2 |
1250 |
1608 |
79.3% |
表中，C1#C2#、D1#D2#变压器为临时性和季节性负荷供电，在非使用时段可以退出运行，减少变压器空载运行损耗。
1.3线缆
电气节能设计中，线缆选择是重要一环，体育场低压供电半径大，线路上的总有功损耗相当可观。在设计中，主要采取以下措施减少线路上的能量损耗：
（1）线路选用电导率较小的铜材，还要贯彻节约用铜的原则。本工程电缆采用铜芯导体，密集母线则选用了铝芯外包覆合金导体。
（2）线路尽可能短捷，避免迂回配线。本工程冷冻机房设备额定容量达3186kw，紧邻冷冻机房为其专设变电站，缩短了低压配电干线长度，减小线路损耗，降低了工程造价。
（3）合理选择导线截面。导线截面的选择要满足温升、电压损失、机械强度等条件，还要注意使线缆初始投资和经济寿命期内线路损耗费用之和最少，即按经济电流选择截面。有资料测算，如果全面推行按经济电流选择截面，将减少35%-42%的线路损耗(见参考文献[4]493页)，经济意义十分重大。许多设计手册都提供了按经济电流选择截面的计算表格可供选用。
本工程配套用房等长期负荷线路按经济电流选择导线截面，从楼层总配电箱配出的分支干线导线均按允许载流量所选截面放大1-2级；而对体育比赛专用线路，因其年最大负荷利用小时数很小，且多数线路较长，为了减小电压损失已经加大了截面，故未按经济电流选择截面。
1.4功率因数补偿
无功补偿是配电系统的重要节能措施，合理的无功补偿投资少、收效快，可以减少输送无功电流造成的电能损耗，改善电压质量。
无功补偿分为在终端设备处补偿和在变压器低压侧集中补偿两种方式。就体育场而言，因其负荷分散，不同比赛用电量有较大差别，不适宜采用就地补偿的措施。本工程采用在变压器低压侧集中补偿，根据用电负荷的变化，自动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿，保持变压器低压侧的功率因数不低于0.95，对配电网和配电变压器的降损起到一定作用。
功率因数补偿系统的电容与输变电设备连接形成谐振回路，系统谐振后可导致谐波放大、电容过载、电压电流畸变、变压器和输电设备的过载等后果。本工程电容器组串接有7%电抗率的调谐滤波电抗器，使电容器组在电力系统中含量较高的5次、7次谐波危险频率内时对系统表现为纯感性，对50Hz工频而言呈容性，保证功率因数补偿装置的稳定运行。
1.5谐波抑制
随着变频调速设备等非线性用电负荷的大量使用，配电系统的谐波问题日益严重，体育场的谐波源主要有：电子大屏、金属卤化物灯镇流器、荧光灯、电子计算机、变频器等。电机、变压器等电气设备由于谐波电流而产生附加损耗；导线中电流加大，线路损耗增加。治理谐波的手段主要是装设滤波器，将谐波限制在合理范围内。
谐波电流随着用电设备负荷电流的大小而相应变化，本工程受投资和负荷不确定性的制约未实装滤波器，在低压总进线处设置电力仪表监视记录谐波分量，为日后治理谐波提供依据。低压配电室预留有装设滤波器的位置，日后可根据实际需要装设。
设计中，对电子大屏等谐波含量高的大型设备的配电干线加大了中性线截面，防止中性线过流，保证供电系统的可靠运行。
2、照明的节能设计
照明节能是建筑节能的重要组成部分。场地照明灯具数量多、容量大，节能设计不容忽视，本工程从以下几个方面考虑场地照明的节能：
2.1照度标准的选取
体育场平时使用率较低，设计中选取一个与体育场规模、等级相适应的照度标准对节约能源、控制投资十分重要，不宜超级别设计。本工程定位在举办全国比赛和单项国际比赛，按照《体育场馆照明设计及检测标准》JGJ153-2007，使用功能分级为IV级，照度标准为：水平1500lx，垂直1000lx(主摄像方向)。
2.2灯具安装位置的确定
灯具的安装高度对垂直照度、眩光程度都产生影响，灯具的安装高度越高，越有利于控制眩光，但不利于提高垂直照度。本工程采用灯带与灯塔结合的布灯方式，场地西侧在罩棚下设置灯带，场地东侧设南、北2个灯塔。经计算，灯塔上的灯拍中心高度在55m时，可以满足场地照度要求，眩光值GR=45.6。当然，加高灯塔能够进一步减小场地眩光，但为了保证场地的照度需要增加灯具数量及线缆长度，灯塔的土建费用也会增加。
[图2]灯塔示意
2.3光源及灯具的选型
金属卤化物灯发光效率高、显色性好，在体育场地照明中广泛使用。金属卤化物灯常用的有1.5KW和2KW（1.8KW）两种，标称电压为230V或400V。本工程主要光源选用2KW/400V产品。按照产品样本，相同条件下大功率、高电压光源的光效可提高约5%，更为节能。同样的照度下采用大功率、高电压光源，灯具总数能够减少，相应末端线缆数量、线径及日后维护工作量都可以减小。
2.4场地照明自动控制
场地照明要符合各种比赛要求，同时还要兼顾文艺演出、展示会等非竞技比赛的要求。本工程场地照明分为以下多种模式：田径训练、田径国内比赛、田径TV转播的国内比赛、田径TV转播的国际比赛、田径应急电视转播的比赛、足球Ⅳ级国内比赛、足球Ⅲ级国内比赛、足球Ⅱ级联赛、足球训练及观众进退场等。通过照明自动控制系统，可以方便地实现各模式间的转换。在不同照明模式下，关闭不用的灯具，节约能源。照明自动控制系统还可实现灯具分组延时启动和延时再启动，避免灯具同时启动产生较大冲击电流和短时再启动对光源的损害，提高供电可靠性，延长光源寿命。
3、智能化控制
3.1变配电智能控制系统
变配电智能控制系统可以集中进行数据采集和处理，实现变配电系统的遥测、遥调、遥控和遥信。通过变配电智能控制系统可以进行谐波分析、电压波动探测、中性线电流监测，提高电能质量；可以随时察看电力消耗情况，进行负荷调整，降低运行成本；可以提供故障的预警、分析，减少事故发生、加快故障的排除。智能控制系统的设置使供配电系统“透明化”，提高了供配电系统可靠性和能耗管理水平。
本体育场变配电智能控制系统采用系统管理层、网络通讯层、现场测控层构成的三层网络结构，三处变配电所联网控制，采用Modbus通讯协议。在A#变电值班室内设管理主机，三个变电室之间通讯线采用光缆，末端设备采用RS485接口，有良好的兼容性，方便系统扩展和第三方设备接入。通过智能电力仪表，还可对每个低压出线回路计量电费。
3.2建筑设备监控系统
通风空调和给排水系统的节能控制是基于建筑设备监控系统实现的，确定控制方案时应挖掘系统潜能，提高节能效果。本体育场冷冻机房有3套冷冻机组，建筑设备监控系统根据不同的运行模式，设置了灵活的控制方式，可以根据平时/比赛的不同负荷情况，调整冷冻机组及附泵的运行台数，保证系统的最佳运行效率。
3.3照明智能控制系统
采用照明智能控制系统的主要目的是节约能源，方便管理。设置照明智能控制系统应考虑可靠性、开放性和互连性、实用性、经济性等因素。
照明智能控制系统借助各种不同的"预设置"控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，关掉不必要的照明，实现节能。这种自动调节的方式，充分利用自然光，只有当必需时才把灯点亮或点到要求的亮度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达30%以上。另一方面，由于照明控制器的控制性能特点改善了照明灯的运行工作条件，从而延长了灯的使用寿命，减少换灯量，降低维护费用。
本工程在疏散平台、配套用房、比赛场地、室外道路、广场等场所设置照明智能控制系统。利用控制系统的群组控制功能可控制整个体育场的灯光，实现照明的远控、多点、定时控制等。
4、可再生能源利用
电气系统中可再生能源利用主要是太阳能光伏电源系统和风力发电系统的应用。太阳能光伏电源系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池等组成，在将光能转换为电能的同时，不产生废气、振动、噪声等污染，还可节省火力发电消耗的燃煤等资源，是绿色能源。
太阳能光伏电源系统按运行模式分为独立系统和并网发电系统，设计中可以考虑采用独立型系统为附属用房照明、室外照明等较平稳的非重要负荷供电。
本体育场初步设计时，曾考虑采用太阳能光伏电源系统为地下车库提供20KW照明电源，经过经济技术比较最终没有实施，主要原因是：
（1）工程所在地为3类地区，年日照时数约2500小时，是太阳能资源中等类型地区。
（2）目前太阳能光伏电池组件的转换效率约为17%，若要提供20KW照明电源，至少需要350m2太阳能电池组件，体育场的罩棚为一定角度的镀铝锌钢板和半透明登普板，太阳能电池组件安装困难且影响建筑物造型。
（3）初投资过大。初步估算，若采用一套20KW独立型太阳能光伏电源系统为车库照明供电，至少需要8年节约下的电费才够太阳能光伏电源系统的初装成本，这还未计及恶劣天气下仍需使用市电的情况。
尽管本工程最终没有采用太阳能光伏电源系统，但是积极推广利用可再生能源，对增加能源供应、改善能源结构，保护环境很有意义。太阳能做为一种取之不尽的清洁能源，其利用是未来发展的方向，随着国家的政策扶植和太阳能技术开发的深化，太阳能光伏电源系统的效率、性价比将得到提高，必将会得到广泛的应用。