Проектування 110 кВ передвиборної підстанції для дата-центру
Вступ
Зі швидким розвитком технологій, таких як обчислювальні облака та великі дані, а також з проникненням "Інтернет +" у різні галузі, цифрова економіка процвітає в основних країнах і регіонах світу. Вона займає все більш важливе місце у повсякденному житті та національній економіці. Особливо під впливом глобальної пандемії COVID-19, коли спадова тенденція світової економіки посилюється, лише цифрова економіка йде проти течії, підтримуючи сильний розвивальний імпульс.
GB 50174 - 2017 Норми проектування даних центрів надають конкретне визначення даних центрів. Даний центр, як базова інфраструктура, пов'язана з управлінням та зберіганням даних, може зберігати різноманітну інформацію. Крім того, він також підтримує основні функції, такі як обчислення та передача даних, щоб задовольнити потреби масового управління даними. Будівництво даних центрів стало неодмінною тенденцією.
У галузі даних центрів, відомої як цифрова нерухомість, є значна відмінність від традиційних інфраструктурних проектів. Ось кілька видатних характеристик даних центрів: високе споживання електроенергії, високі вимоги до надійності та потреба у швидкому будівництві. Споживання електроенергії даних центрів є концентрованим, зазвичай з 2N-повторюваністю. Велика потужність споживання електроенергії означає, що проекти даних центрів паркового рівня зазвичай мають спеціальні 110 кВ підстанції для користувачів.
Проте, будівництво 110 кВ підстанцій також має багато болючих точок, які конкретно відображаються в таких аспектах: цикл будівництва традиційних 110 кВ підстанцій в Китаї зазвичай триває 12-24 місяці, включаючи всі стадії роботи, такі як планування, вибір місця, землемірство, проектування, реєстрація проекту, закупівля матеріалів, "чотири з'єднання та одна рівняння" (доступ до води, електроенергії, доріг, телекомунікацій та рівняння терену), будівництво та встановлення, налагодження, відновлення зелених насаджень та прийняття виробництва. Довгий цикл будівництва не може відповідати потребам швидкої доставки даних центрів; через причини клієнтів та мереж, галузь даних центрів в Китаї переважно розташована в регіонах Пекінь-Тяньджин-Хебей, Янцзянській дельті та Великій заливі Гуандун-Гонконг-Макао. Більшість цих регіонів є відносно розвинутими містами з обмеженими земельними ресурсами, і часто виникають проблеми з обмеженнями місця під час планування проектів; підстанції даних центрів також повинні адаптуватися до гнучких змін потужності даних центрів.
Для болючих точок в будівництві підстанцій даних центрів, модульні заводські підстанції є важливим напрямком рішення. На основі концепції модульного проектування, модульні підстанції мають переваги гнучкості та надійності у порівнянні з традиційними підстанціями. Усі системи в модульних кабінах виготовляються, встановлюються, проводяться, налаштовуються та попередньо збираються на заводі. Після завершення вони можуть бути безпосередньо зібрані на місці, забезпечуючи високу ефективність, зменшуючи складність будівництва та маючи високий рівень інтеграції. Вони підходять для різних сценаріїв будівництва підстанцій та демонструють очевидні переваги.
Ця стаття використовує проект будівництва 110 кВ підстанції Центру даних №1 як приклад, детально представляючи сценарії застосування, проектування розташування процесів та проектування процесів модульних кабін в даних центрах.
1. Загальний огляд проекту
Проект Центру даних №1 розташований у місті Сучжоу, провінції Цзянсу. Цей проект є реконструкцією старого заводського будівля. У парку вже є 4 заводських будівлі, а саме будівлі A, B, C та D. Основним змістом будівництва цього разу є реалізація загальної реконструкції парку без зміни існуючих умов планування будівель та створення надійного парку даних центрів.
Цей парк відсилається до стандарта А-класу даних центрів в GB 50174 - 2017 Норми проектування даних центрів та планує побудувати парковий даний центр, який може вміщати понад 100 000 високопродуктивних серверів. Парку потрібно побудувати 110 кВ підстанцію, щоб задовольнити потреби у живленні парку. Підстанція вводить 2 абсолютно незалежні 110 кВ мережі живлення, кожна з потужністю 80 000 кВА, формуючи систему живлення 2N. При нормальній роботі, навантаження кожного лінійного шляху не перевищує 50% його повної потужності, тобто 40 000 кВА. Коли одна мережа живлення відмовляє, інша може забезпечити всі навантаження даних центрів.
Оскільки цей проект є реконструкцією заводського будівлі, більшість земельного простору проекту зайнята вже завершеними будівлі A, B, C та D, з відносно великими фізичними обмеженнями простору. Основні доступні зовнішні простори - це відкрите місце зліва від будівлі B та відкрите місце між будівлі B та D. Для традиційного проекту 110 кВ підстанції, при встановленні 2 головних трансформаторів з потужністю 80 000 кВА, потрібна прямокутна ділянка довжиною близько 70 м та шириной 40 м. Чиста відстань ділянки зліва від будівлі B становить 30 м, а чиста відстань ділянки між будівлі B та C становить 50 м. враховуючи відстань від підстанції до будівель та вимоги до пожежної ділянки парку, обидва місця важко задовольняють вимоги до простору для будівництва традиційних підстанцій.
Клієнтом проекту Центру даних №1 є інтернет-підприємство. Як базовий проект даних центрів для цього клієнта, цей парк буде підтримувати велику кількість онлайн-бізнесів клієнта та велику кількість передачі, операцій, зберігання та обробки даних за цими бізнесами. Клієнт має високі вимоги до надійності цього центру даних та стислий термін доставки.
Щодо термінів доставки, через швидке розвиток даних бізнесів клієнта, у клієнта є надзвичайно термінова потреба у центрі даних, і весь парк даних центрів повинен бути доставлений протягом 6 місяців. Щодо надійності, клієнт вимагає, щоб дві мережі живлення 110 кВ підстанції, які є резервними одна для одної, були абсолютно незалежними від входу до виходу, а маршрути були більше 10 м один від одного. Основне обладнання, таке як GIS, трансформатори та 10 кВ комутаційні пристрої, розподілені в різних фізичних просторах, щоб уникнути однієї аварії, яка впливає на обидві мережі живлення, і таким чином впливає на всі бізнеси цілого центру даних.
Оскільки проект підстанції 110 кВ для Дата-центру №1 має обмеження простору, жорсткі часові рамки та високі вимоги до індивідуалізації, традиційна форма підстанції важко задовольняє вимоги проекту. Після переговорів та обговорення з місцевою енергетичною компанією було підтверджено, що цей проект буде реалізований у формі модульної попередньо виготовленої підстанції 110 кВ.
2. Проектування процесу розташування
2.1 Фізичний простір
Проект підстанції 110 кВ для Дата-центру №1 має всього 2 лінії живлення, які поступають від мереж електропостачання верхнього рівня 220 кВ A та B. Обидві лінії живлення електроенергії A та B входять на територію парку з півдня через підземне закладання. враховуючи напрямок маршрутів зовнішніх ліній електропостачання та поточну ситуацію з будівлевою масивністю на території парку, підстанція 110 кВ розташована в південно-західному куті парку. Планова схема розташування підстанції 110 кВ показана на рисунку 1.
Модульна підстанція має довжину 82 м, ширину 17 м та загальну площу 1400 м². Для традиційної підстанції при таких же умовах ці три параметри становлять 70 м, 40 м та 2800 м² відповідно. У порівнянні з традиційною підстанцією, площа економиться більше ніж на 50%, а розташування підстанції може бути визначено згідно з наявними умовами, що забезпечує відносну гнучкість.
Рисунок 1 Схематичне зображення плану розташування підстанції 110 кВ
2.2 Процес розташування
Рисунок 2 показує процес розташування підстанції 110 кВ. Внутрішність підстанції складається з двох модульних GIS (шестифтористого угорючого металевого закритого комутаційного пристрою) кабінетів, одного модульного кабінету основного обладнання та двох зовнішніх трансформаторів 110 кВ. Розташування організовано в лінійному порядку.
2.3 Маршрутизация енергії
Підстанція цього проекту в основному повністю симетрична. Як видно з рисунку 2, беручи за межу стіну засічення між двома модульними кабінетами основного обладнання, зліва та справа знаходяться модульні GIS кабінети, модульні кабінети основного обладнання, трансформатори 110 кВ та модульні конденсаторні кабінети для ліній живлення A та B, а обладнання ліній A та B повністю незалежне.
Усі підстанції оснащені окремими огорожами та функціонують незалежно від парку дата-центру. На південній стороні встановлено окремий в'їзд з парку. Тільки професіональні співробітники можуть входити до підстанції 110 кВ, а інші особи не мають доступу, що забезпечує надійність роботи підстанції.
GIS кабінет є одношаровою модульною конструкцією. Всередині він оснащений комбінованими електроприладами 110 кВ з номінальним струмом 2000 А. Для кожного елементу дизайну шестифтористий угорючається (SF6) є важливим середовищем для гасіння дуги та може бути застосований в GIS. Структурно, GIS головним чином поділяється на декілька частин, включаючи вольтметри, захисні пристрої, автомати та клемники тощо. Ці частини потрібно правильно підключити, а надійність кожного компонента потрібно забезпечити, щоб ефективно досягти загальної функції [8].
Основний трансформатор в основному використовує трифазний двозвитковий масляний самовідновлювальний трансформатор, що використовує метод заземлення YN, з рівнем напруги [10.5 ± (2×2.5%/0.4)] кВ, а конкретна модель SZ11 - 80000/110.
Кабінет основного обладнання має двошарову структуру. Перший шар складається з двох повністю незалежних кабінетів видачі 10 кВ, розділених стіною засічення, та відповідно оснащених комутаційними пристроями 10 кВ та службовими трансформаторами для ліній живлення A та B. Комутаційні пристрої 10 кВ використовують металеві оболонки, оснащені вакуумними автоматами. Для видачних кабінетів, конденсаторів та службових трансформаторів їх номінальний струм та струм відключення становлять 1.25 кА та 25 кА відповідно; для вхідних ліній — 3.15 кА та 31.5 кА відповідно. Потужність службового трансформатора вибрана як 100 кВА, використовується сухий трансформатор типу SC11, з напругою [110 ± (8×1.25%/10.5)] кВ, групою з’єднання Dyn11, імпедансною напругою Uk = 4%, захисною оболонкою IP40 та класом енергоефективності 2. Для покращення надійності системи, кожна лінія живлення 110 кВ відповідає двом секціям шин 10 кВ, що може знизити область аварії в разі виникнення помилки.
Другий шар потребує оснащення заземлювальним трансформатором, модульним кабінетом конденсаторів тощо. У модульному кабінеті налаштовано банк конденсаторів, з встановленою диференційною захистою, і потрібно досягти потужності 6000 кВА. Окрім вищевказаних частин, у цьому проекті вибрано реактор з серцевиною, з реактивним опором 12%. Завершена система з малоопорним заземленням, з опором заземлення 10 Ω та потужністю 400 кВА. Другий шар також має другу кімнату. Друга кімната специфічно розділена на кілька частин, включаючи відеоспостереження, кабінети лічильників електроенергії, збирання електроенергії, запис помилок, загальні вимірювання та контролі, дистанційне управління, зв’язок, релейний захист, комп’ютерне моніторинг, інтелектуальні допоміжні системи, системи синхронізації часу тощо.
2.3 Маршрутизация енергії
Щодо маршрутизації енергії, лінії живлення 110 кВ для ліній A та B в обох випадках входять з короткого боку ширини 17 м з правого боку. Обидві лінії входять паралельно, з відстанню більше 10 м, та вводяться в модульні кабінети GIS, відповідно, для ліній A та B. Лінії від GIS до трансформаторів для ліній A та B, шини від трансформаторів до комутаційних пристроїв 10 кВ, та видачні лінії комутаційних пристроїв 10 кВ всі незалежні, а відстань більше 10 м.
2.4 Переваги проектування процесу розташування
Основне обладнання проекту, включаючи випереджувальні кабіни GIS, трансформатори на 110 кВ, випереджувальні кабіни основного обладнання тощо, повністю ізольовані між Маршрутом А та Маршрутом Б. Потужність Маршруту А та Маршруту Б повністю ізольована. У порівнянні з традиційними підстанціями, вони займають менше місця, мають високий рівень персоналізації, є гнучкими та ефективними, а також можуть задовольнити вимоги надійності дата-центрів.
3. Технологія випереджувальних кабін
Цей проект використовує повністю модульний метод випередженого виробництва. На місці необхідно будувати лише допоміжні об'єкти, такі як лентові фундаменти та протипожежні стіни. Виробництво та обробка модульних випереджувальних кабін можуть проводитися одночасно з цивільними роботами, значно зменшуючи обсяг цивільних робіт. Це вирішує проблеми великих обсягів цивільних робіт та довгих термінів будівництва в традиційному режимі будівництва підстанцій, а також уникання ситуації, коли час будівництва підстанції обмежений цивільними проектами.
3.1 Технологія кабін
Випереджувальні кабіни виготовляються та налаштовуються на заводі, забезпечуючи високоякісний продукт та високий рівень реалізації дизайну, а також уникання впливу якості будівництва на місці на обладнання. Структурно, нижні рамні компоненти коробки з'єднуються швелером, а дверні панелі та верхні кришки зварюються з 2-мм-товстою якісною холодновальцьованою пластинкою. Вони мають цільні конструкції та сильну стійкість до вдарів.
Характеристики коробки головним чином відображаються в трьох аспектах: антикорозійна, тришарова структура та герметичність, які можуть задовольнити основні вимоги до роботи та забезпечити стабільний робочий стан кожного компонента. Зовнішня оболонка повинна досягати рівня захисту IP54 або вище. Випереджувальні кабіни використовують дизайн для всіх умов роботи та також мають добре відповідність вітровим, сейсмічним та сніговим завантаженням, щоб забезпечити безпечну роботу обладнання.
Обладнання всередині кабіни високо інтегроване. Через дизайн конструкції кабіни та координацію різних внутрішніх систем, випереджувальна кабіна задовольняє потреби роботи обладнання. Кабіна враховує не лише первинне, вторинне та зв'язкове обладнання підстанції на 110 кВ, але й допоміжні системи, такі як контроль середовища, освітлення, аварійне освітлення, пожежна безпека та заземлення.
3.2 Транспортування кабін
Кабіна повинна відповідати високим вимогам, головним чином, стосовно вологостійкості та герметичності, інакше якість роботи не може бути гарантованою. враховуючи обмеження довжини та ширини при дорожньому транспортуванні в цьому проекті, довжина кожного транспортного одиниці обмежена до 14 м, ширина до 3,4 м, а висота до 4,5 м. Випереджувальні кабіни з більшими розмірами транспортуються частинами, а інші випереджувальні кабіни з меншими розмірами транспортуються цілком, відповідаючи вимогам дорожнього транспорту. Якщо місце досягло вимог до зборки, воно може бути транспортуване на місце для наступної стадії зборки.
3.3 Монтаж на місці
Цей проект використовує модульний метод випередженого виробництва, з меншим обсягом цивільних робіт. Основні цивільні роботи включають дві групи новобудованих фундаментів основних трансформаторів, чотири протипожежні стіни довжиною 10 м і висотою 6,5 м, дві групи фундаментів кабін GIS, одну групу фундаментів кабін основного обладнання, один 20-кубовий резервуар для аварійної оливи, 198-метровий порожній загород довжиною 2,3 м, 14 опор основного трансформатора та 80-метровий армований бетонний кабельний канал.
Випереджувальні кабіни використовують режим "заводське пробне збирання, щоб симулювати фактичну ситуацію роботи + розподілене транспортування на місце та потім з'єднання та монтаж" на місці. Всі модулі були випробовані на заводі, а проблеми були виявлені вчасно, не залишаючи проблем на місці, забезпечуючи термін будівництва та якість будівництва на місці. Монтаж на місці має короткий цикл, і практично немає накопичення сировини.
Для з'єднання великогабаритних деталей кабін використовується процес на місці "використання крана для початкового розташування обладнання + поступове тискання з використанням ланцюгового блоку + точне розташування з використанням позиційного штифта". Для забезпечення, що з'єднання кабін "плотне", зображення підйому на місці показано на рис. 3.
Для задоволення вимог до герметичності, шви з'єднання розумно спроектовані, головним чином, використовуючи методи дизайну герметизуючих матеріалів та механічних конструкцій. При з'єднанні коробки використовуються водонепроникні замки та водонепроникні фланці. Після завершення з'єднання до швів потрібно додати сильний водонепроникний клей, а потім обробити їх герметизуючим стрічкою. Нарешті, послідовно встановлюються водонепроникні замки та пінопластикові матеріали. Коли всі процеси завершено та відповідають високим вимогам якості, можна досягти герметизації та водонепроникності.
Після того, як кожен модуль зайняв своє місце, проводяться роботи з первинним та вторинним з'єднанням. Кабелі всередині модулів та з'єднуючі кабелі між ними були повністю виготовлені та встановлені на заводі. Необхідно встановити лише з'єднуючі кабелі та шини між кожним модулем. Коли кожен модуль збирається на заводі, проводиться передварительне спільне тестування та перевірка, що також може скоротити час налаштування та прийняття на місці.
Строїтельство підстанції на 110 кВ Дата-центру №1 почало спілкуватися з планом мережі Сучжоу та продвигати попередні процедури в перших числах грудня. Після проходження конкурсного торгів, закупівлі обладнання, заводського виробництва, будівництва фундаментів обладнання на місці, зборки на місці, налаштування обладнання та прийняття під напругою, він був офіційно запущений в перших числах червня. Весь процес зайняв менше 6 місяців, з яких час від визначення переможця конкурсу до завершення проекту та прийняття під напругою становить близько 100 днів, що є проектом з найкоротшим циклом будівництва підстанції в сфері дата-центрів. Таким чином, у порівнянні з традиційними підстанціями, час будівництва значно скорочено.
Окрім цих переваг, завдяки використанню концепції модульного дизайну, його можна ефективно оновлювати при необхідності у майбутньому, що допомагає знизити витрати на обслуговування та розширення, тому воно також має широкі перспективи розвитку.
4. Висновки
Заводські підстанції вирішили болючі питання традиційних підстанцій у сфері дата-центрів.
Заводські модульні підстанції представляють собою постійно розвиваючу технологію. Їхнє будівництво спрямоване на краще обслуговування електромережі та користувачів. Забезпечуючи безпеку, надійність та економічну ефективність, вони задовольняють потреби швидкого будівництва, економії простору та зниження інвестицій. Віримо, що зі стрімким продвиженням нового інфраструктурного будівництва, такого як дата-центри, країною та постійним досягненням зрілості технології заводських модульних підстанцій, все більше та більше таких підстанцій буде завершено та передано в експлуатацію у дата-центрах у майбутньому.
