Design av 110 kV forhåndsmontert understasjon for datasenter
Introduksjon
Med rask utvikling av teknologier som skyberegning og store datasett, og økt penetrasjon av "Internett +" i ulike bransjer, er den digitale økonomien i vekst i de største landene og regionene verden over. Den spiller en stadig viktigere rolle i dagliglivet og nasjonaløkonomien. Spesielt under den nåværende globale påvirkningen av COVID-19-pandemien, intensiveres nedadgående trender i verdensøkonomien. Bare den digitale økonomien har motstått trenden og opprettholdt en sterk utviklingsmoment.
GB 50174 - 2017 Designkode for datacentre gir en spesifikk definisjon av datacentre. Et datacenter, som et grunnleggende anlegg relatert til datahåndtering og lagring, kan lagre forskjellige typer datainformasjon. I tillegg støtter det grunnleggende funksjoner som databeregning og overføring for å møte behovet for massiv datahåndtering. Oppbyggingen av datacentre har blitt en uunngåelig trend.
I datacenterindustrien omtales det som digital eiendom, noe som er ganske forskjellig fra tradisjonelle infrastrukturprosjekter. Her er noen fremtredende egenskaper ved datacentre: høy strømforbruk, høye krav til pålitelighet, og behov for rask byggetid. Strømforbruket i datacentre er koncentrert, generelt konfigurert med 2N redundans. Det enorme strømforbrukskapasiteten betyr at parknivå datacenterprosjekter vanligvis konfigurerer brukerspesifikke 110 kV transformatorstasjoner.
Byggingen av 110 kV transformatorstasjoner har imidlertid mange smertesteder, spesifikt reflektert i følgende aspekter: Byggetiden for tradisjonelle 110 kV transformatorstasjoner i Kina er vanligvis 12-24 måneder, og involverer alle arbeidsinnhold gjennom hele syklusen, som planlegging, lokalitetssøk, kartlegging, design, prosjektregistrering, materialekjøp, "fire tilkoblinger og ett flattygg" (tilgang til vann, strøm, vei, og telekommunikasjon samt jordflattygging), bygging og installasjon, justering, grønnskapsrestaurering, og produksjonsgodkjenning. Den lange byggetiden kan ikke matche behovet for rask levering av datacentre; På grunn av kundebetingelser og nettverksmessige årsaker, er datacenterindustrien i Kina mest fordelt i Beijing-Tianjin-Hebei-regionen, Yangtse Delta, og Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area. De fleste av disse regionene er relativt utviklede byer med skjøre jordressurser, og lokalitetbegrensninger blir ofte møtt under prosjektplanlegging; Datacentertransformatorstasjoner må også tilpasse seg fleksible kapasitetsendringer i datacentre.
For smertesteder i byggingen av datacentertransformatorstasjoner, er forhåndsmonterte modulære transformatorstasjoner en viktig løsning. Basert på modulær designkonsept, har forhåndsmonterte transformatorstasjoner fordelene med fleksibilitet og pålitelighet sammenlignet med tradisjonelle transformatorstasjoner i anvendelse. Alle systemer i forhåndsmonterte enheter produseres, installeres, kabler, justeres, og forhåndsmonteres i fabrikken. Når de er ferdig, kan de direkte monteres på stedet, oppnår høy effektivitet, reduserer byggeutfordringer, og har en høy grad av integrasjon. De passer for ulike transformatorstasjonsbyggescenarier og viser klare fortrinn.
Denne artikkelen tar 110 kV transformatorstasjonsbyggeprosjektet for Data Center No.1 som eksempel, og gir en detaljert introduksjon til bruksområder, prosesslayoutdesign, og forhåndsmonterte enhetsprosessdesign for forhåndsmonterte transformatorstasjoner i datacentre.
1. Prosjektoversikt
Data Center No.1-prosjektet ligger i Suzhou City, Jiangsu Province. Dette prosjektet er en ombygging av et gammelt fabrikkbygg. Det finnes allerede fire fabrikkbygg i parken, nemlig bygning A, B, C, og D. Hovedbyggeinnhold denne gangen er å realisere en helhetlig ombygging av parken uten å endre eksisterende bygningsplanleggingsbetingelser og bygge et pålitelig datacenterpark.
Denne parken refererer til klasse A-datacenterstandard i GB 50174 - 2017 Designkode for datacentre og planlegger å bygge en parknivå datacenter som kan bære mer enn 100 000 høypresterende servere. Parken må bygge en 110 kV transformatorstasjon for å møte strømforsyningbehovene i parken. Transformatorstasjonen introduserer to helt uavhengige 110 kV offentlige strømforsyninger, hver med en kapasitet på 80 000 kVA, og danner et 2N-strømforsyningssystem. Under normal drift overskrider belastningsgraden for hver linje ikke 50% av dens fullbelasted kapasitet, altså 40 000 kVA. Hvis en offentlig strømforsyning mislykkes, kan den andre bære alle belastningene i datacentret.
Siden dette prosjektet er en fabrikkbygging, er det meste av arealrommet i prosjektet opptatt av de ferdigbygde bygningene A, B, C, og D, med relativt store fysiske romsbegrensninger. De hovedsakelige tilgjengelige utendørsrommene er det åpne området på venstre side av bygning B og det åpne området mellom bygning B og bygning D. For det tradisjonelle 110 kV transformatorstasjonsalternativet, når to hovedtransformatorer med en kapasitet på 80 000 kVA installeres, kreves et rektangulært område med en lengde på ca. 70 m og en bredde på 40 m. Det klare avstanden på området til venstre for bygning B er 30 m, og den klare avstanden mellom bygning B og bygning C er 50 m. Vurdert brandsikkerhetsavstand mellom transformatorstasjonen og bygningene og parkens brandslukningsringvei, er det vanskelig for begge områder å møte byggeområdekravene for tradisjonelle transformatorstasjoner.
Kunden for Data Center No.1-prosjektet er et internettbedrift. Som et base-type datacenterprosjekt for denne kunden, vil denne parken støtte et stort antall av kundens online forretningsaktiviteter og en stor mengde dataoverføring, drift, lagring, og behandling bak forretningsaktivitetene. Kunden har høye krav til påliteligheten til dette datacentret og er tett på leveringstid.
Angående leveringstid, på grunn av rask utvikling av kundens dataforretningsvirksomhet, har kunden en veldig akutt behov for datacentret, og hele datacenterparken må leveres innen seks måneder. Angående pålitelighet, krever kunden at de to offentlige strømforsyningene i 110 kV transformatorstasjonen, som er sikkerhetskopiert mot hverandre, skal være helt uavhengige fra inngangsledningen til utgangsledningen, og rutene er mer enn 10 m unna. Hovedutstyr som GIS, transformatorer, og 10 kV switchgear er fordelt i ulike fysiske rom for å unngå at en enkelt ulykke påvirker begge offentlige strømforsyninger og dermed påvirker alle forretningsaktiviteter i hele datacentret.
Siden 110 kV transformatorstasjonsprosjektet for Data Center No.1 har romsbegrensninger, tette tidspunktbegrensninger, og høye tilpassingskrav, er tradisjonell transformatorstasjonsform vanskelig å møte prosjektbehov. Etter forhandlinger og diskusjoner med lokal strømnättselskap, ble bekreftet at dette prosjektet skulle bruke formen for en forhåndsmontert modulær 110 kV transformatorstasjon.
2. Prosesslayoutdesign
2.1 Fysisk rom
110 kV transformatorstasjonsprosjektet for Data Center No.1 har totalt to inngangsstrømledninger, og strømforsyningene kommer fra offentlige strømforsyninger av de oppstrøms 220 kV transformatorstasjonene A og B. Begge inngangsledningene til de to offentlige strømforsyningene A og B går inn i parken fra sør gjennom undergrunnsbeplantning. Vurdert retningen av de eksterne offentlige strømledningsrutene og det nåværende bygningssituasjonen i parken, er 110 kV transformatorstasjonen plassert i den sørvestlige hjørnet av parken. Plan-skisse av 110 kV transformatorstasjonslokasjonen er vist i figur 1.
Den forhåndsmonterte transformatorstasjonen er 82 m lang, 17 m bred, og har en total gulvareal på 1 400 m². For en tradisjonell transformatorstasjon under samme betingelser, er disse tre parameterne henholdsvis 70 m, 40 m, og 2 800 m². Sammenlignet med den tradisjonelle transformatorstasjonen, er gulvarealet spart med mer enn 50%, og transformatorstasjonslayoutet kan bestemmes etter lokalsituasjon, som er relativt fleksibelt.
Figur 1 Skisse av lokasjonsplanen for 110 kV transformatorstasjon
2.2 Prosesslayout
Figur 2 viser prosesslayoutdiagrammet for 110 kV transformatorstasjonen. Innenfor transformatorstasjonen består det av to forhåndsmonterte GIS (SF6 Gas-Isolerte Metall-Innkapslede Brytere) enheter, én forhåndsmontert hovedutstyrsenhet, og to utendørs 110 kV-transformatorer. Layoutet er ordnet i en lineær form.
2.3 Strømrouting
Transformatorstasjonen i dette prosjektet er nesten helt symmetrisk. Som man kan se i figur 2, tar man brannmur i midten av de to forhåndsmonterte hovedutstyrsenheter som grense, på venstre og høyre side er henholdsvis forhåndsmonterte GIS-enheter, forhåndsmonterte hovedutstyrsenheter, 110 kV-transformatorer, og forhåndsmonterte kondensatorenheter for strømledning A og B, og utstyret for strømledning A og B er helt uavhengig.
Hele transformatorstasjonen er utstyrt med en uavhengig omhegningsmur og opererer uavhengig fra datacenterparken. En uavhengig inngang utenfor parken er satt på sørlige siden. Bare profesjonelle personer tillates å gå inn i 110 kV transformatorstasjon, og andre personer har ingen tilgang, som kan sikre påliteligheten til transformatorstasjonens drift.
GIS-enheten er en enkeltetasjes forhåndsmontert enhet. Innenfor er den hovedsakelig utstyrt med 110 kV GIS kombinerte elektriske apparater med en spesifisert strøm på 2 000 A. For hver del av designet, er seksfluorid (SF6) et viktig slukkmedium og kan brukes i GIS. Strukturelt er GIS hovedsakelig delt inn i flere deler, inkludert spenningstransformatorer, lynbeskyttelse, brytere, og busser, osv. Disse delene må korrekt kobles, og påliteligheten til hvert komponent må sikres for å effektivt oppnå den totale funksjonen [8].
Hovedtransformatoren bruker hovedsakelig en trefas dobbeltsving olje-dempet selvkjølende transformator, som bruker YN-jordmetode, med en spenning på [10.5 ± (2×2.5%/0.4)] kV, og spesifikk modell er SZ11 - 80000/110.
Hovedutstyrsenheten har en to-etases struktur. Første etasje består av to helt uavhengige 10 kV utgående kabinetenheter, separert av en brannmur, og er henholdsvis utstyrt med 10 kV switchgear og stationstransformatorer som svarer til strømledning A og B. 10 kV switchgear bruker metall-dekket switchgear utstyrt med vakuum-brytere. For feeder-kabinetter, kondensatorer, og stationstransformatorer, er deres spesifiserte strøm og brytestrøm henholdsvis 1.25 kA og 25 kA; for inngangsledninger, er de 3.15 kA og 31.5 kA. Kapasiteten til stationstransformatoren er valgt til 100 kVA, bruker en SC11 - type torr-transformator, med en spenning på [110 ± (8×1.25%/10.5)] kV, en kablingsgruppe Dyn11, en impedansspenning Uk = 4%, en IP40 beskyttelseskasse, og en energieffektivitetsklasse 2. For å forbedre påliteligheten til systemet, svarer hvert 110 kV inngangsledning til to seksjoner av 10 kV busser, som kan redusere omfanget av en ulykke i tilfelle en feil.
Andre etasje må være utstyrt med en jordtransformator, en forhåndsmontert kondensatorenhet, osv. En kondensatorbank er konfigurert i forhåndsmonterte enhet, med differensiell trykkbeskyttelse satt, og en kapasitet på 6 000 kVA må oppnås. I tillegg til de ovennevnte delene, er en jernkjerne-reaktor valgt i dette designet, med en reaktanseksempel på 12%. En liten jordmotstand komplett sett enhet, med en jordmotstand på 10 Ω og en kapasitet på 400 kVA. Andre etasje har også en sekundærrom. Sekundærrom er spesifikt delt inn i flere deler, inkludert videoovervåking, kilowatt-time kabinet, elektrisk energiinnsamling, feilopptak, felles måling og kontroll, fjernkontroll kommunikasjon, relébeskyttelse, datamaskinovervåking, intelligente hjelpesystemer, tidsynkroniseringsystemer, osv.
2.3 Strømrouting
Angående strømrouting, går 110 kV offentlige strøminngangsledninger for strømledning A og B begge inn fra den 17-m-brede kortside på høyre side. De to rutene går parallelt, med en avstand på mer enn 10 m, og innføres henholdsvis i de forhåndsmonterte GIS-enheter som svarer til strømledning A og B. Ledningene fra GIS til transformatorer for strømledning A og B, busser fra transformatorer til 10 kV switchgear, og utgående ledninger av 10 kV switchgear er alle uavhengige, og avstanden er mer enn 10 m.
2.4 Fordeler av prosesslayoutdesign
Hovedutstyret i prosjektet, inkludert forhåndsmonterte GIS-enheter, 110 kV-transformatorer, forhåndsmonterte hovedutstyrsenheter, osv., er alle helt isolert mellom strømledning A og B. Strømroutingen for strømledning A og B er helt isolert. Sammenlignet med tradisjonelle transformatorstasjoner, okkuperer det mindre plass, har en høy grad av tilpassing, er fleksibelt og effektivt, og kan møte pålitelighetskravene for datacentre.
3. Forhåndsmontert enhetsteknologi
Dette prosjektet bruker en hel-stasjon fullt modulær forhåndsmontert metode. På stedet, trenger bare hjelpemidler som stripfundament og brannmur å bygges. Produksjon og bearbeiding av modulære forhåndsmonterte enheter kan utføres samtidig med byggingen, noe som reduserer mengden bygging betydelig. Det løser problemet med store mengder bygging og lange byggetider i den tradisjonelle transformatorstasjonsbyggemodellen, og unngår situasjonen hvor transformatorstasjonsbyggingstiden er begrenset av byggingprosjekter.
3.1 Enhetsteknologi
De forhåndsmonterte enhetene produseres og justeres i fabrikken, som sikrer exquisit produktkvalitet og høy-standard designimplementeringsnivå, og unngår påvirkningen av byggekvalitet på stedet på utstyret. Strukturelt er bunnpartskomponentene av kassekroppen koblet sammen med kanalstål, og dørpaneler og toppdekker er sveiset med 2-mm-tette høykvalitets kolde-rulleplater. Det har en helhetlig struktur og sterk motstandsdyktighet mot slag.
Egenskapene til kassekroppen er hovedsakelig representert i tre aspekter: rostfri, tre-lag struktur, og tett, som kan møte de grunnleggende driftsbehovene og sikre at hvert komponent holder en stabil arbeidsstatus. Ytre skallet må nå et beskyttelsesnivå på IP54 eller høyere. De forhåndsmonterte enhetene bruker et full-arbeidsforhold design, og har også god vindmotstand, jordskjelvmotstand, og snølastmotstand for å sikre sikker drift av utstyret.
Utstyret inne i enheten er høyt integrert. Gjennom design av enhetsstrukturen og koordinering av ulike interne systemer, møter de forhåndsmonterte enhetene behovene for utstyrshåndtering. Enheten tar ikke bare hensyn til primære, sekundære, og kommunikasjonsutstyr for 110 kV transformatorstasjon, men tar også hensyn til hjelpesystemer som miljøkontroll, belysning, nødbelysning, brandsikkerhet, og jording.
3.2 Transport av enhet
Enheten må møte høye krav, hovedsakelig involverer fugtbestandighet og tettingsegenskaper, ellers kan driftskvaliteten ikke garanteres. Vurdert begrensninger på lengde og bredde for vegtransport i dette prosjektet, er lengden av hvert transportenhet begrenset til innen 14 m, bredden til innen 3.4 m, og høyden til innen 4.5 m. Forhåndsmonterte enheter med større dimensjoner transporteres i seksjoner, og andre forhåndsmonterte enheter med relativt mindre dimensjoner transporteres som helhet, som møter kravene til vegtransport. Hvis stedet har nådd monteringskrav, kan det transporteres til stedet for neste-trinns montering.
3.3 Installasjon på stedet
Dette prosjektet bruker en modulær forhåndsmontert metode, med mindre bygging. Hovedbygginginnholdet inkluderer to grupper nybygde hovedtransformatorfundamenter, fire brannmur med en lengde på 10 m og en høyde på 6.5 m, to grupper GIS enhetsfundamenter, en gruppe hovedutstyrsenhet fundament, en 20 m³ ulykke olje basseng, en 198 m lang og 2.3 m høy tom romvegg, 14 hovedtransformator støtter, og en 80 m lang forsterket betong kabelgrøft.
De forhåndsmonterte enhetene bruker en modus med "fabrikk prøve-montering må utføres for å simulere den faktiske driftssituasjon + splitt transport til stedet og deretter splicing og installasjon" på stedet. Alle moduler har blitt prøvet-montert i fabrikken, og problemer oppdages i tide uten å la problemer etterlate seg på stedet, som sikrer byggingstiden og byggekvaliteten på stedet. Oppløfting og montering på stedet har en kort periode, og det er nesten ingen råmaterialakkumulering.
For splicing-operasjon av store enhetdel, brukes den på stedet splicingprosessen "bruk en kran til å først posisjonere utstyret + gradvis skjøte med en kjedeheis + nøyaktig posisjonere med en posisjonspinne". For å sikre at splicing av enheten er "tett", vises oppløftingfoto på stedet i figur 3.
For å møte tettingskrav, er splicing-forbindelsen riktig designet, hovedsakelig bruker den designmetoder for tettingsmaterialer og mekaniske strukturer. I kassekropp splicing, brukes vannett lukker og vannett flanger. Når splicing er fullført, må sterkt vannett lim legges til forbindelsespunktene, og deretter behandles med en tettingsstripe. Til slutt, installeres vannett lukker og skummaterialer i rekkefølge. Når alle prosesser er fullført og møter høye kvalitetskrav, kan tetting og vannett oppnås.
Etter at hvert modul er på plass, utføres primær og sekundær forbindelses-bygging. Kabler inne i modulene og forbindelseskabler mellom dem er allerede fullstendig produsert og installert i fabrikken. Bare forbindelseskabler og busser mellom hvert modul må installeres. Når hvert modul er montert i fabrikken, har forhåndsjustering og testing blitt utført, som også kan forkorte tid for justering og godkjenning på stedet.
110 kV transformatorstasjonsbyggeprosjektet for Data Center No.1 startet å kommunisere planen med Suzhou strømnättet og fremme de foreløpige prosedyrene i begynnelsen av desember. Etter å ha gått gjennom prosjektbudsjettering, utstyrskjøp, fabrikkproduksjon, lokal utstyr-fundament-bygging, lokal montering, utstyr-justering, og strøm-på-godkjenning, ble det offisielt tatt i drift i begynnelsen av juni. Hele prosessen tok mindre enn seks måneder, hvor tiden fra prosjektbudsjettbestemmelse til prosjektfullførelse og strøm-på-godkjenning var omtrent 100 dager, som er det prosjektet med den korteste transformatorstasjonsbyggetiden i datacenterfeltet. Derfor, sammenlignet med tradisjonelle transformatorstasjoner, er byggetiden betydelig redusert.
I tillegg til disse fordelene, på grunn av bruk av modulær designkonsept, kan det effektivt oppgraderes når det er nødvendig i fremtiden, noe som bidrar til å redusere kostnadene for vedlikehold og utvidelse, så det viser også bred utviklingsutsikt.
4. Konklusjon
Forhåndsmonterte transformatorstasjoner har løst smertesteder for tradisjonelle transformatorstasjoner i datacenterfeltet.
