طراحی زیرстанسیون پیش ساخته ۱۱۰ کیلوولت برای مرکز داده

مقدمه

با پیشرفت سریع تکنولوژی‌هایی مانند محاسبات ابری و داده‌های بزرگ، و نفوذ سریع "اینترنت+" به صنایع مختلف، صنعت اقتصاد دیجیتال در کشورها و مناطق اصلی جهان در حال رشد است. این صنعت موقعیتی مهم‌تر و مهم‌تر در زندگی روزمره و اقتصاد ملی دارد. به ویژه با توجه به تأثیر جهانی همه‌گیری کووید-۱۹ در حال حاضر، روند نزولی اقتصاد جهان شدت می‌یابد. تنها اقتصاد دیجیتال با روند قوی رشدی عکس می‌کند.

GB 50174 - 2017 کد طراحی مرکز‌های داده تعریف خاصی از مرکز‌های داده ارائه می‌دهد. مرکز داده به عنوان یک زیرساخت اساسی مرتبط با مدیریت و ذخیره‌سازی داده‌ها، قادر به ذخیره انواع اطلاعات داده‌ای است. علاوه بر این، این مرکز‌ها عملکردهای اساسی مانند محاسبات و انتقال داده‌ها را برای تأمین نیازهای مدیریت داده‌های عظیم پشتیبانی می‌کنند. ساخت مرکز‌های داده به یک روند اجتناب‌ناپذیر تبدیل شده است.

در صنعت مرکز‌های داده، این زیرساخت‌ها به عنوان املاک دیجیتال شناخته می‌شوند که بسیار متفاوت از پروژه‌های زیرساختی سنتی هستند. ویژگی‌های برجسته مرکز‌های داده عبارتند از مصرف برق بالا، نیاز به قابلیت اطمینان بالا و نیاز به سرعت ساخت بالا. مصرف برق مرکز‌های داده متمرکز است و معمولاً با افزونگی 2N تنظیم می‌شود. ظرفیت مصرف برق عظیم به این معنی است که پروژه‌های مرکز داده در سطح پارک معمولاً زیرстанیشن‌های 110 kV اختصاصی کاربر را تنظیم می‌کنند.

اما ساخت زیرستانیشن‌های 110 kV نیز دارای مشکلات متعددی است که به شرح زیر آورده شده است: دوره ساخت زیرستانیشن‌های 110 kV سنتی در چین معمولاً 12 تا 24 ماه طول می‌کشد و شامل تمام مراحل کاری مانند برنامه‌ریزی، انتخاب مکان، نقشه‌برداری، طراحی، ثبت پروژه، خرید مواد، "چهار اتصال و یک سطح‌بندی" (دسترسی به آب، برق، جاده و ارتباطات و سطح‌بندی زمین)، ساخت و نصب، راه‌اندازی، بازسازی سبز و پذیرش تولید است. دوره ساخت بلند نمی‌تواند با نیازهای سریع تحویل مرکز‌های داده همخوانی داشته باشد؛ به دلیل مشتری و شبکه، صنعت مرکز داده در چین بیشتر در منطقه پکن-تیانجین-هیبئی، دلتای رود یانگتسه و منطقه بزرگ خلیج گوانگ‌دونگ-هنگ‌کنگ-ماکائو پخش شده است. بیشتر این مناطق شهرهای توسعه یافته‌ای هستند با منابع زمینی کم و غالباً در مراحل برنامه‌ریزی پروژه با محدودیت‌های مکانی مواجه می‌شوند؛ زیرستانیشن‌های مرکز داده نیز باید توانایی انطباق با تغییرات ظرفیت مرکز داده را داشته باشند.

برای حل مشکلات ساخت زیرستانیشن‌های مرکز داده، زیرستانیشن‌های ماژولار پیش‌ساخته یک جهت مهم راه‌حل هستند. براساس مفهوم طراحی ماژولار، زیرستانیشن‌های پیش‌ساخته نسبت به زیرستانیشن‌های سنتی مزایای انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان را در کاربرد دارند. تمام سیستم‌ها در کابین پیش‌ساخته در کارخانه تولید، نصب، سیم‌کشی، تست و پیش‌ساخته می‌شوند. پس از تکمیل، آنها می‌توانند مستقیماً در محل مونتاژ شوند، کارایی بالا، کاهش سختی ساخت و یکپارچگی بالا را فراهم می‌کنند. آنها برای سناریوهای مختلف ساخت زیرستانیشن مناسب هستند و مزایای واضحی دارند.

این مقاله با مثال پروژه ساخت زیرستانیشن 110 kV مرکز داده شماره 1، معرفی دقیقی از سناریوهای کاربرد، طراحی ترتیب فرآیند و طراحی فرآیند کابین پیش‌ساخته در مرکز داده‌ها ارائه می‌دهد.

1. مرور کلی پروژه

پروژه مرکز داده شماره 1 در شهر سوزهو، استان جیانگسو واقع شده است. این پروژه یک بازسازی از یک ساختمان کارخانه قدیمی است. در این پارک چهار ساختمان کارخانه وجود دارد، به نام‌های A، B، C و D. محتوای اصلی ساخت این بار شامل بازسازی کلی پارک بدون تغییر در شرایط برنامه‌ریزی موجود ساختمان و ساخت یک پارک مرکز داده قابل اعتماد است.

این پارک به استاندارد مرکز داده کلاس A در GB 50174 - 2017 کد طراحی مرکز‌های داده اشاره دارد و قصد دارد یک مرکز داده در سطح پارک که بتواند بیش از 100,000 سرور با عملکرد بالا را تحمل کند بسازد. پارک نیاز به ساخت یک زیرستانیشن 110 kV برای تأمین نیازهای برق پارک دارد. زیرستانیشن دو خط برق عمومی کاملاً مستقل 110 kV با ظرفیت هر کدام 80,000 kVA را می‌گیرد و یک سیستم تامین برق 2N را تشکیل می‌دهد. در شرایط عادی، نرخ بار هر خط بیش از 50٪ ظرفیت کامل خود، یعنی 40,000 kVA نمی‌شود. وقتی یکی از خطوط برق عمومی خراب می‌شود، دیگری می‌تواند تمام بارهای مرکز داده را تحمل کند.

چون این پروژه یک بازسازی کارخانه است، بیشتر فضای زمین پروژه توسط ساختمان‌های A، B، C و D که ساخته شده‌اند اشغال شده است و محدودیت‌های فیزیکی فضا بزرگی دارد. فضاهای خارجی اصلی موجود فضای باز سمت چپ ساختمان B و فضای باز بین ساختمان‌های B و D هستند. برای طرح زیرستانیشن 110 kV سنتی، وقتی 2 ترانسفورماتور اصلی با ظرفیت 80,000 kVA نصب می‌شوند، نیاز به یک مکان مستطیلی با طول حدود 70 متر و عرض 40 متر است. فاصله شفاف مکان سمت چپ ساختمان B 30 متر است و فاصله شفاف مکان بین ساختمان‌های B و C 50 متر است. با توجه به فاصله پیشگیری از آتش بین زیرستانیشن و ساختمان‌ها و نیازهای جاده‌ای آتش‌نشانی پارک، هر دو مکان دارای محدودیت‌های فضایی برای ساخت زیرستانیشن‌های سنتی هستند.

مشتری پروژه مرکز داده شماره 1 یک شرکت اینترنتی است. به عنوان یک پروژه مرکز داده پایه برای این مشتری، این پارک باید تعداد زیادی از کسب‌وکارهای آنلاین مشتری و مقدار زیادی از انتقال، عملیات، ذخیره‌سازی و پردازش داده‌ها در پشت کسب‌وکارها را پشتیبانی کند. مشتری نیازهای بالایی برای قابلیت اطمینان این مرکز داده دارد و زمان تحویل آن تنگ است.

از نظر زمان تحویل، به دلیل پیشرفت سریع کسب‌وکارهای داده مشتری، مشتری نیاز بسیار فوری به مرکز داده دارد و کل پارک مرکز داده باید در 6 ماه تحویل داده شود. از نظر قابلیت اطمینان، مشتری می‌خواهد که دو خط برق عمومی 110 kV که به یکدیگر پشتیبانی می‌کنند، از خط ورودی تا خط خروجی کاملاً مستقل باشند و مسیرهای آنها بیش از 10 متر از هم جدا باشند. تجهیزات اصلی مانند GIS، ترانسفورماتورها و تجهیزات کلیدزن 10 kV در فضاهای فیزیکی متفاوت پخش شوند تا از تأثیر یک حادثه بر هر دو خط برق عمومی و در نتیجه بر تمام کسب‌وکارهای کل مرکز داده جلوگیری شود.

چون پروژه زیرستانیشن 110 kV مرکز داده شماره 1 دارای محدودیت‌های فضایی، زمانی تنگ و نیازهای شخصی‌سازی بالاست، شکل سنتی زیرستانیشن توانایی تأمین نیازهای پروژه را ندارد. پس از مذاکره و بحث با شرکت شبکه برق محلی، تأیید شد که این پروژه از شکل زیرستانیشن 110 kV ماژولار پیش‌ساخته استفاده خواهد کرد.

2. طراحی ترتیب فرآیند
2.1 فضای فیزیکی

پروژه زیرستانیشن 110 kV مرکز داده شماره 1 دارای 2 خط ورودی است و تامین‌کنندگان برق از خطوط برق عمومی زیرستانیشن‌های 220 kV A و B بالادستی می‌آیند. هر دو خط ورودی برق عمومی A و B از جنوب از طریق دفن زیرزمینی وارد پارک می‌شوند. با توجه به جهت مسیرهای خط برق عمومی خارجی و وضعیت فعلی ساختمان‌ها در پارک، زیرستانیشن 110 kV در گوشه جنوب غربی پارک قرار گرفته است. نمودار صفحه‌ای مکان زیرستانیشن 110 kV در شکل 1 نشان داده شده است.

طول زیرستانیشن پیش‌ساخته 82 متر، عرض آن 17 متر و مساحت کل آن 1,400 متر مربع است. برای یک زیرستانیشن سنتی در شرایط مشابه، این سه پارامتر به ترتیب 70 متر، 40 متر و 2,800 متر مربع هستند. نسبت به زیرستانیشن سنتی، مساحت کل بیش از 50% صرفه‌جویی شده و ترتیب زیرستانیشن می‌تواند بر اساس شرایط محلی تعیین شود که نسبتاً انعطاف‌پذیر است.

شکل 1 نمودار مکان‌یابی زیرستانیشن 110 kV

2.2 ترتیب فرآیند

شکل 2 نمودار ترتیب فرآیند زیرستانیشن 110 kV را نشان می‌دهد. داخل زیرستانیشن شامل دو کابین GIS (تجهیزات ترکیبی فلزی بسته‌شده با گاز SF6) پیش‌ساخته، یک کابین تجهیزات اصلی پیش‌ساخته و دو ترانسفورماتور 110 kV خارجی است. ترتیب آن به صورت خطی است.

2.3 مسیر برق

زیرستانیشن این پروژه به طور کلی کاملاً متقارن است. از شکل 2 می‌توان دریافت که با توجه به دیوار آتش‌نشانی در وسط دو کابین تجهیزات اصلی پیش‌ساخته به عنوان مرز، در سمت چپ و راست به ترتیب کابین‌های GIS پیش‌ساخته، کابین‌های تجهیزات اصلی پیش‌ساخته، ترانسفورماتورهای 110 kV و کابین‌های خازن پیش‌ساخته برای خطوط تامین برق A و B قرار دارند و تجهیزات خط A و B کاملاً مستقل هستند.

کل زیرستانیشن با دیوار محیطی مستقل مجهز شده و مستقل از پارک مرکز داده عمل می‌کند. یک ورودی مستقل از پارک در سمت جنوب تنظیم شده است. فقط افراد متخصص مجاز به ورود به زیرستانیشن 110 kV هستند و سایر افراد دسترسی ندارند که می‌تواند قابلیت اطمینان عملکرد زیرستانیشن را تضمین کند.

کابین GIS یک کابین پیش‌ساخته تک‌طبقه است. داخل آن به طور اصلی شامل تجهیزات ترکیبی الکتریکی 110 kV با جریان اسمی 2,000 A است. برای هر بخش از طراحی، فلوئورید شش‌فلور (SF6) به عنوان یک مedium مهم خاموش‌کننده قوس و در GIS قابل استفاده است. از نظر ساختاری، GIS به چند بخش تقسیم می‌شود، از جمله ترانسفورماتورهای ولتاژ، محافظ‌های ضدبلایا، کلیدهای قطع و لوله‌های برازش، و غیره. این بخش‌ها باید به درستی متصل شوند و قابلیت اطمینان هر مؤلفه باید تضمین شود تا به طور موثر عملکرد کلی [8] تحقق یابد.

ترانسفورماتور اصلی عمدتاً از یک ترانسفورماتور سه‌فاز دو‌پیچه روغنی خنک‌شونده خودکار استفاده می‌کند، با روش زمین‌گیری YN، با سطح ولتاژ [10.5 ± (2×2.5%/0.4)] kV، و مدل خاص آن SZ11 - 80000/110 است.

کابین تجهیزات اصلی دارای ساختار دو‌طبقه است. طبقه اول شامل دو کابین کاملاً مستقل 10 kV برای خروجی کابین است، با یک دیوار آتش‌نشانی جدا شده و به ترتیب با تجهیزات کلیدزن 10 kV و ترانسفورماتورهای خدمات ایستگاه متناظر با خطوط تامین برق A و B مجهز شده‌اند. تجهیزات کلیدزن 10 kV از تجهیزات کلیدزن فلزی‌پوشیده با کلیدهای قطع خلاء استفاده می‌کنند. برای کابین‌های فیدر، خازن‌ها و ترانسفورماتورهای خدمات ایستگاه، جریان اسمی و قطع آنها به ترتیب 1.25 kA و 25 kA است؛ برای خطوط ورودی، به ترتیب 3.15 kA و 31.5 kA است. ظرفیت ترانسفورماتور خدمات ایستگاه به 100 kVA انتخاب شده است، با استفاده از یک ترانسفورماتور خشک نوع SC11، با ولتاژ [110 ± (8×1.25%/10.5)] kV، گروه‌بندی سیم Dyn11، ولتاژ ممانعت Uk = 4%，外壳防护等级为IP40，能效等级为2级。为了提高系统的可靠性，每个110kV进线对应两段10kV母线，可以在故障时缩小事故范围。 第二层需要配备接地变压器、预制电容器舱等。预制舱内配置电容器组，设有差压保护，需达到6,000 kVA的容量。此外，在本设计中选择铁芯电抗器，电抗率为12%。接地小电阻成套装置，接地电阻为10 Ω，容量为400 kVA。第二层还有二次室。二次室具体分为几个部分，包括视频监控、电度表柜、电能采集、故障录波、公共测控、远动通信、继电保护、计算机监控、智能辅助控制系统、时间同步系统等。 **2.3 电力路由** 在电力路由方面，A路和B路110kV市电进线均从右侧宽17米的短边进入。两条线路平行进入，间距超过10米，分别引入A路和B路对应的预制GIS舱。A路和B路从GIS到变压器的线路、变压器到10kV开关柜的母线以及10kV开关柜的出线都是独立的，间距超过10米。 **2.4 工艺布局设计的优势** 项目的主要设备，包括预制GIS舱、110kV变压器、预制主设备舱等，在A路和B路之间完全隔离。A路和B路的电力路由完全隔离。与传统变电站相比，它占地面积少，定制化程度高，灵活有效，能够满足数据中心的可靠性要求。 **3. 预制舱技术** 本项目采用全站全模块化预制方式。现场只需建设条形基础、防火墙等辅助设施。模块化预制舱的生产和加工可以与土建工程同时进行，大大减少了土建工程量。解决了传统变电站建设模式中土建工程量大、建设周期长的问题，避免了变电站建设时间受制于土建工程的情况。 **3.1 舱体技术** 预制舱在工厂生产调试，确保产品品质精良，高标准的设计实施水平，避免了现场施工质量对设备的影响。结构上，箱体底架组件由槽钢连接，门板及顶盖采用2mm厚优质冷轧钢板焊接而成。具有整体结构，抗冲击能力强。 箱体的特点主要体现在三个方面：防腐、三层结构、密封，能满足基本运行要求，保证各部件处于稳定的工作状态。外壳需达到IP54以上的防护等级。预制舱采用全天候设计，还具有良好的抗风、抗震、抗雪载能力，确保设备安全运行。 舱内设备高度集成，通过舱体结构设计和内部各系统的协调，预制舱满足设备运行需求。舱内不仅考虑了110kV变电站的一次、二次、通信设备，还考虑了环境控制、照明、应急照明、消防、接地等辅助系统。 **3.2 舱体运输** 舱体需要满足较高的要求，主要涉及防潮和密封性能，否则无法保证运行质量。考虑到本项目道路运输对长度和宽度的限制，每个运输单元的长度限制在14米以内，宽度限制在3.4米以内，高度限制在4.5米以内。尺寸较大的预制舱分段运输，尺寸相对较小的其他预制舱整体运输，满足道路运输要求。如果现场已达到组装条件，可以运至现场进行下一步组装。 **3.3 现场安装** 本项目采用模块化预制方式，土建工程量较少。主要土建内容包括新建两组主变基础、四堵长10米高6.5米的防火墙、两组GIS舱基础、一组主设备舱基础、一个20立方米的事故油池、一段长198米高2.3米的空心围墙、14个主变支撑架、一条80米长的钢筋混凝土电缆沟。 预制舱采用“工厂必须试装模拟实际运行情况+分段运输到现场后再拼装”的方式进行现场安装。所有模块已在工厂试装，及时发现问题不留问题在现场，确保现场工期和施工质量。现场吊装拼装周期短，几乎没有原材料积压。 对于大型舱体部件的拼接操作，采用“使用起重机初步定位设备+逐步用倒链推动+定位销精确定位”的现场拼接工艺。为了确保舱体拼接“严丝合缝”，现场吊装照片如图3所示。 为了满足密封要求，拼接接头合理设计，主要采用密封材料和机械结构的设计方法。在箱体拼接中，使用防水扣和防水法兰。拼接完成后，接缝处需要添加强力防水胶，然后用密封条处理。最后依次安装防水扣和发泡材料。当所有工序完成并达到高质量要求后，即可实现密封防水。 每个模块就位后，进行一次、二次接线施工。模块内的电缆和模块之间的连接电缆已在工厂全部生产安装完毕。只需安装每个模块之间的连接电缆和母线。当每个模块在工厂组装时，已经进行了初步的联合调试和测试，这也可以缩短现场调试和验收的时间。 数据中心1号变电站建设项目于12月初开始与苏州电网沟通方案并推进前期手续。经过项目招标、设备采购、工厂生产、现场设备基础施工、现场组装、设备调试和送电验收，于6月初正式投入运行。整个过程历时不到6个月，其中从项目中标确定到项目完工送电验收约100天，是数据中心领域变电站建设周期最短的项目。因此，与传统变电站相比，建设时间大大缩短。 除了这些优势外，由于采用了模块化设计理念，未来如有需要可高效升级，有助于降低维护和扩展成本，因此也显示出广阔的发展前景。  **4. 结论** 预制变电站解决了传统变电站在数据中心领域的痛点。 - 预制变电站长82米，宽17米，总面积1,400平方米。与传统变电站相比，节省了50%以上的面积，并且可以根据现场条件确定变电站布局，较为灵活。 - 通过预制变电站的工艺布局，主设备舱和电力路由可以实现A路和B路之间的完全隔离，满足数据中心的可靠性要求。 - 预制变电站的所有设备都在工厂生产、组装和调试，可以通过公路快速运输到项目现场，现场可以像搭积木一样快速拼装，满足数据中心快速交付的要求。 - 该项目已正式投入运行。目前系统运行稳定，设备状况良好，与上级基站的保护控制和通信正常，为数据中心的可靠运行提供了安全保障。 预制模块化变电站代表了一种不断发展的技术。其建设旨在更好地服务于电网和用户，在确保安全、可靠和经济性的同时，满足快速建设、节约空间和减少投资的需求。相信随着国家对数据中心等新基建的大力推广和预制模块化变电站技术的不断成熟，未来将有更多的预制模块化变电站在数据中心中建成并投入使用。