Проектирование 110 кВ сборной подстанции для центра обработки данных
Введение
С быстрым развитием технологий, таких как облачные вычисления и большие данные, а также ускоренным проникновением "Интернет +" в различные отрасли, индустрия цифровой экономики процветает во многих странах и регионах мира. Она занимает все более важное место в повседневной жизни и национальной экономике. Особенно под влиянием пандемии COVID-19, которая усиливает нисходящую тенденцию мировой экономики, только цифровая экономика противостоит этой тенденции и сохраняет сильный импульс развития.
ГОСТ 50174-2017 Правила проектирования центров обработки данных дает конкретное определение центров обработки данных. Центр обработки данных, как базовая инфраструктура, связанная с управлением и хранением данных, может хранить различные типы данных. Кроме того, он также поддерживает основные функции, такие как вычисление и передача данных, чтобы удовлетворить потребности в управлении огромными объемами данных. Строительство центров обработки данных стало неизбежным трендом.
В индустрии центров обработки данных их называют цифровой недвижимостью, что значительно отличается от традиционных инфраструктурных проектов. Вот несколько выдающихся характеристик центров обработки данных: высокое энергопотребление, высокие требования к надежности и необходимость быстрого строительства. Энергопотребление центров обработки данных сконцентрировано, обычно конфигурируется с избыточностью 2N. Огромная потребность в электроэнергии означает, что проекты центров обработки данных уровня парка обычно оснащены специальными подстанциями 110 кВ для пользователей.
Однако строительство подстанций 110 кВ также имеет много проблем, которые конкретно проявляются в следующих аспектах: строительный цикл традиционных подстанций 110 кВ в Китае обычно занимает 12-24 месяца, включая весь цикл работ, такой как планирование, выбор места, изыскания, проектирование, регистрация проекта, закупка материалов, "четыре подключения и одно выравнивание" (подключение воды, электричества, дорог, телекоммуникаций и выравнивание земли), строительство и монтаж, наладка, восстановление зеленых насаждений и производственная приемка. Долгий срок строительства не соответствует потребностям быстрой поставки центров обработки данных; из-за клиентских и сетевых причин, индустрия центров обработки данных в Китае в основном сосредоточена в регионе Пекин-Тяньцзинь-Хэбэй, дельте реки Янцзы и Большом байском заливе. Большинство этих регионов являются относительно развитыми городами с ограниченными ресурсами земли, и при планировании проектов часто возникают проблемы с ограничениями по месту; подстанции центров обработки данных также должны адаптироваться к гибким изменениям мощности центров обработки данных.
Для решения проблем, связанных со строительством подстанций центров обработки данных, модульные сборные подстанции являются важным направлением решения. На основе концепции модульного дизайна, сборные подстанции имеют преимущества гибкости и надежности по сравнению с традиционными подстанциями в применении. Все системы в сборном блок-контейнере производятся, устанавливаются, проводятся, отлаживаются и предварительно собираются на заводе. После завершения они могут быть непосредственно собраны на месте, обеспечивая высокую эффективность, снижение сложности строительства и высокую степень интеграции. Они подходят для различных сценариев строительства подстанций и демонстрируют явные преимущества.
В данной статье на примере проекта строительства подстанции 110 кВ Центра обработки данных №1 подробно рассматриваются сценарии применения, процесс планирования и дизайн процесса сборных блок-контейнеров в подстанциях центров обработки данных.
1. Обзор проекта
Проект Центра обработки данных №1 расположен в городе Сучжоу, провинция Цзянсу. Этот проект представляет собой реконструкцию старого заводского здания. В парке уже есть четыре заводских здания, а именно здания A, B, C и D. Основное содержание строительства на этот раз - это общая реконструкция парка без изменения существующих условий планирования зданий и создание надежного парка центров обработки данных.
Этот парк следует стандарту класса A центров обработки данных по ГОСТ 50174-2017 Правила проектирования центров обработки данных и планирует построить парковый центр обработки данных, способный вместить более 100 000 высокопроизводительных серверов. Для удовлетворения потребностей в электроснабжении парка необходимо построить подстанцию 110 кВ. Подстанция вводит две полностью независимые линии питания 110 кВ, каждая мощностью 80 000 кВА, образуя систему питания 2N. В нормальном режиме работы нагрузка каждой линии не превышает 50% ее полной мощности, то есть 40 000 кВА. При выходе из строя одной линии питания другая может нести всю нагрузку центра обработки данных.
Поскольку данный проект является реконструкцией заводского здания, большая часть земельного пространства проекта уже занята построенными зданиями A, B, C и D, с относительно большими физическими ограничениями пространства. Основные доступные открытые пространства находятся слева от здания B и между зданиями B и D. Для традиционной схемы подстанции 110 кВ, при установке двух главных трансформаторов мощностью 80 000 кВА, требуется прямоугольная площадка длиной около 70 м и шириной 40 м. Чистое расстояние слева от здания B составляет 30 м, а между зданиями B и C - 50 м. Учитывая противопожарное расстояние между подстанцией и зданиями, а также требования к пожарной кольцевой дороге парка, оба участка трудно удовлетворяют требованиям строительного пространства для традиционных подстанций.
Клиентом проекта Центра обработки данных №1 является интернет-компания. Как базовый проект центра обработки данных для этого клиента, данный парк будет поддерживать большое количество онлайн-бизнесов клиента и значительные объемы передачи, операций, хранения и обработки данных за этими бизнесами. Клиент имеет высокие требования к надежности данного центра обработки данных и ограничен по срокам поставки.
По срокам поставки, в связи с быстрым развитием данных бизнеса клиента, у клиента есть очень срочная потребность в центре обработки данных, и весь парк центра обработки данных должен быть поставлен в течение 6 месяцев. По надежности, клиент требует, чтобы две линии питания 110 кВ подстанции, являющиеся резервными, были полностью независимы от входа до выхода, и маршруты были на расстоянии более 10 м друг от друга. Основное оборудование, такое как ГИС, трансформаторы и коммутационные устройства 10 кВ, расположены в разных физических пространствах, чтобы избежать влияния одного аварийного случая на обе линии питания и, таким образом, на все бизнесы всего центра обработки данных.
Поскольку проект подстанции 110 кВ Центра обработки данных №1 имеет ограничения по пространству, жесткие временные рамки и высокие требования к индивидуализации, традиционная форма подстанции сложно удовлетворяет требованиям проекта. После переговоров и обсуждений с местной энергетической компанией было подтверждено, что данный проект будет использовать форму сборной модульной подстанции 110 кВ.
2. Процесс планирования
2.1 Физическое пространство
Проект подстанции 110 кВ Центра обработки данных №1 имеет две входящие линии питания, и питание осуществляется от двух верхних подстанций 220 кВ A и B соответственно. Обе линии питания A и B входят в парк с юга через подземную прокладку. Учитывая направление внешних линий питания и текущее состояние зданий в парке, подстанция 110 кВ расположена в юго-западном углу парка. План-схема расположения подстанции 110 кВ показана на рисунке 1.
Сборная подстанция имеет длину 82 м, ширину 17 м и общую площадь 1 400 м². Для традиционной подстанции при тех же условиях эти три параметра составляют 70 м, 40 м и 2 800 м² соответственно. По сравнению с традиционной подстанцией, площадь сэкономлена более чем на 50%, и планировка подстанции может быть определена в зависимости от местных условий, что делает ее относительно гибкой.
Рисунок 1 Схема расположения подстанции 110 кВ
2.2 Планировка процесса
Рисунок 2 показывает схему планировки подстанции 110 кВ. Внутри подстанции находятся два сборных блока ГИС (SF6 Gas-Insulated Metal-Enclosed Switchgear), один сборный блок основного оборудования и два наружных трансформатора 110 кВ. Расположение выполнено в линейном порядке.
2.3 Маршрутизация питания
Подстанция данного проекта в основном полностью симметрична. Как видно из рисунка 2, на границе двух сборных блоков основного оборудования находится противопожарная стена, слева и справа от которой находятся сборные блоки ГИС, сборные блоки основного оборудования, трансформаторы 110 кВ и сборные блоки конденсаторов для линий питания A и B, и оборудование для линий питания A и B полностью независимо.
Вся подстанция оборудована независимым ограждением и работает независимо от парка центра обработки данных. На южной стороне установлен отдельный вход из парка. Только профессиональный персонал имеет право входить в подстанцию 110 кВ, и другие лица не имеют доступа, что обеспечивает надежность работы подстанции.
Блок ГИС представляет собой одинарный сборный блок. Внутри он в основном оснащен комбинированными устройствами ГИС 110 кВ с номинальным током 2 000 А. Для каждого элемента конструкции шестифтористая сера (SF6) является важным средство для гашения дуги и может применяться в ГИС. Структурно ГИС в основном разделен на несколько частей, включая напряженные трансформаторы, ограничители перенапряжения, выключатели и изоляторы, и т.д. Эти части должны быть правильно соединены, и надежность каждого компонента должна быть обеспечена, чтобы эффективно достичь общей функции [8].
Основной трансформатор в основном использует трехфазный двуобмоточный масляный саморегулируемый трансформатор, используя метод заземления YN, с уровнем напряжения [10.5 ± (2×2.5%/0.4)] кВ, и конкретная модель - SZ11-80000/110.
Блок основного оборудования имеет двухэтажную структуру. Первый этаж состоит из двух полностью независимых кабинетов вывода 10 кВ, разделенных противопожарной стеной, и оснащенных коммутационными устройствами 10 кВ и служебными трансформаторами, соответствующими линиям питания A и B. Коммутационные устройства 10 кВ используют металлические корпуса, оснащенные вакуумными выключателями. Для кабинетов питания, конденсаторов и служебных трансформаторов их номинальный ток и ток отключения составляют 1.25 кА и 25 кА соответственно; для входящих линий - 3.15 кА и 31.5 кА соответственно. Мощность служебного трансформатора выбрана 100 кВА, используется сухой трансформатор типа SC11, с напряжением [110 ± (8×1.25%/10.5)] кВ, группой соединений Dyn11, сопротивлением Uk = 4%, защитным корпусом IP40 и классом энергоэффективности 2. Для повышения надежности системы каждая входящая линия 110 кВ соответствует двум секциям шин 10 кВ, что позволяет уменьшить масштаб аварии в случае сбоя.
На втором этаже необходимо установить заземляющий трансформатор, сборный блок конденсаторов и т.д. В сборном блоке настроена банка конденсаторов, с установленной дифференциальной защитой, и требуется достижение мощности 6 000 кВА. Кроме вышеупомянутых частей, в данном дизайне выбран железный сердечник реактора с коэффициентом реактивности 12%. Полный набор устройств малого сопротивления заземления, с сопротивлением заземления 10 Ω и мощностью 400 кВА. На втором этаже также имеется вторичная комната. Вторичная комната специально разделена на несколько частей, включая видеонаблюдение, шкафы счетчиков, сбор энергии, запись аварий, общую измерительную и контрольную систему, телеуправление, релейную защиту, компьютерный мониторинг, интеллектуальные вспомогательные системы управления, системы синхронизации времени и т.д.
2.3 Маршрутизация питания
Что касается маршрутизации питания, входящие линии питания 110 кВ для линий A и B входят с короткой стороны шириной 17 м справа. Две линии входят параллельно, с расстоянием более 10 м, и вводятся в соответствующие сборные блоки ГИС для линий A и B. Линии от ГИС до трансформаторов для линий A и B, шины от трансформаторов до коммутационных устройств 10 кВ и исходящие линии коммутационных устройств 10 кВ все независимы, и расстояние между ними более 10 м.
2.4 Преимущества планировки процесса
Основное оборудование проекта, включая сборные блоки ГИС, трансформаторы 110 кВ, сборные блоки основного оборудования и т.д., полностью изолированы между линиями A и B. Маршрутизация питания для линий A и B полностью изолирована. По сравнению с традиционными подстанциями, она занимает меньше места, имеет высокую степень индивидуализации, гибкая и эффективная, и может удовлетворять требованиям надежности центров обработки данных.
3. Технология сборных блоков
Данный проект использует метод полной модульной сборки всей станции. На месте необходимо только построить вспомогательные сооружения, такие как ленточные фундаменты и противопожарные стены. Производство и обработка модульных сборных блоков могут выполняться одновременно с гражданским строительством, что значительно уменьшает объем гражданского строительства. Это решает проблемы больших объемов гражданского строительства и длительных сроков строительства в традиционном режиме строительства подстанций и избегает ситуации, когда время строительства подстанции ограничивается гражданскими проектами.
3.1 Технология блоков
Сборные блоки производятся и отлаживаются на заводе, обеспечивая высокое качество продукции и высокий уровень реализации дизайна, и избегая влияния качества строительства на месте на оборудование. Конструктивно, нижние рамные компоненты корпуса соединены швеллером, а дверные панели и крышки сварены из 2-миллиметровых высококачественных холоднокатаных листов. Он имеет целостную структуру и высокую ударопрочность.
Характеристики корпуса в основном отражаются в трех аспектах: антикоррозийность, трехслойная структура и герметизация, что позволяет удовлетворять основные требования к эксплуатации и обеспечивать, чтобы каждый компонент оставался в стабильном рабочем состоянии. Наружный корпус должен достигать уровня защиты IP54 или выше. Сборные блоки используют дизайн для всех условий эксплуатации и также имеют хорошую устойчивость к ветру, землетрясениям и снеговой нагрузке, чтобы обеспечить безопасную работу оборудования.
Оборудование внутри блока высоко интегрировано. Через дизайн структуры блока и координацию различных внутренних систем, сборные блоки удовлетворяют потребностям работы оборудования. Блок не только учитывает первичное, вторичное и коммуникационное оборудование подстанции 110 кВ, но и учитывает вспомогательные системы, такие как управление окружающей средой, освещение, аварийное освещение, пожаротушение и заземление.
3.2 Транспортировка блоков
Блок должен соответствовать высоким требованиям, в основном касающимся влагозащиты и герметичности, в противном случае качество работы не может быть гарантировано. Учитывая ограничения по длине и ширине для дорожной транспортировки в данном проекте, длина каждого транспортного единицы ограничена 14 м, ширина - 3.4 м, а высота - 4.5 м. Сборные блоки с большими размерами транспортируются секциями, а другие сборные блоки с относительно меньшими размерами транспортируются целиком, удовлетворяя требованиям дорожной транспортировки. Если место достигло требований для сборки, его можно транспортировать на место для дальнейшей сборки.
3.3 Монтаж на месте
Данный проект использует модульный сборный метод, с меньшим объемом гражданского строительства. Основные гражданские работы включают две группы новых фундаментов для основных трансформаторов, четыре противопожарные стены длиной 10 м и высотой 6.5 м, две группы фундаментов для блоков ГИС, одну группу фундаментов для блоков основного оборудования, один резервуар для аварийного масла объемом 20 м³, 198-метровую и 2.3-метровую высокую пустотелую ограду, 14 опор для основных трансформаторов и 80-метровый железобетонный кабельный канал.
Сборные блоки используют метод "обязательное проведение пробной сборки на заводе для имитации реальных условий эксплуатации + разделение на части для транспортировки на место и затем сплавка и установка" на месте. Все модули уже были испытаны на заводе, и проблемы были своевременно обнаружены, не оставляя проблем на месте, что обеспечивает сроки и качество строительства на месте. Монтаж и сборка на месте имеют короткий цикл, и практически нет накопления сырья.
Для сплавки крупногабаритных блоков используется метод "использование крана для первоначального позиционирования оборудования + постепенное продвижение с помощью лебедки + точное позиционирование с помощью позиционирующих штифтов". Чтобы обеспечить, чтобы сплавка блока была "плотной", фотография монтажа на месте показана на рисунке 3.
Для удовлетворения требований герметичности, соединительные швы разумно спроектированы, в основном используя методы герметизирующих материалов и механических конструкций. При сплавке корпуса используются водонепроницаемые защелки и водонепроницаемые фланцы. После завершения сплавки на соединительные места необходимо добавить сильный водонепроницаемый клей, а затем обработать герметизирующей лентой. Наконец, последовательно устанавливаются водонепроницаемые защелки и пеноматериалы. Когда все процессы завершены и соответствуют высоким требованиям качества, достигается герметизация и водонепроницаемость.
После того, как каждый модуль установлен, выполняется строительство первичных и вторичных соединений. Кабели внутри модулей и соединительные кабели между ними уже полностью произведены и установлены на заводе. Необходимо установить только соединительные кабели и шины между каждым модулем. Когда каждый модуль собирается на заводе, предварительно проводится совместная отладка и тестирование, что также сокращает время отладки и приемки на месте.
Проект строительства подстанции 110 кВ Центра обработки данных №1 начал общение о плане с энергосетью Сучжоу и продвижение предварительных процедур в начале декабря. После прохождения конкурса на проект, закупки оборудования, производства на заводе, строительства фундаментов оборудования на месте, сборки на месте, наладки оборудования и приемки после подключения к сети, он был официально введен в эксплуатацию в начале июня. Весь процесс занял менее 6 месяцев, из которых время от определения победителя конкурса до завершения проекта и приемки после подключения к сети составило около 100 дней, что является проектом с самым коротким сроком строительства подстанции в области центров обработки данных. Таким образом, по сравнению с традиционными подстанциями, время строительства значительно сократилось.
Кроме этих преимуществ, благодаря использованию концепции модульного дизайна, в будущем при необходимости можно эффективно обновить, что помогает снизить затраты на обслуживание и расширение, поэтому он также демонстрирует широкие перспективы развития.
4. Заключение
Сборные подстанции решили болевые точки традиционных подстанций в области центров обработки данных.
