Руководство по распределению электроэнергии на майнинговой ферме: трансформаторный PDU и планирование кабельной разводки

Самый дорогой кабель в майнинговой ферме — это, как правило, тот, который приходится заменять после ввода в эксплуатацию.

Кабель может казаться подходящим в техническом предложении, но при этом перегреваться при непрерывной работе сотен майнеров на базе ASIC. Трансформатор может иметь достаточную номинальную мощность, но при этом выходить из строя из-за высокой температуры окружающей среды, высоты над уровнем моря, гармоник, низкого коэффициента мощности или недостаточного запаса по нагрузке. Блок распределения питания (PDU) может иметь достаточное количество розеток, но при этом не обладать необходимой токовой нагрузочной способностью для их безопасного питания.

Именно поэтому схема распределения электроэнергии на майнинговой ферме должна разрабатываться, исходя из фактической рабочей нагрузки.

Правильная последовательность выглядит следующим образом:

Нагрузка ASIC → нагрузка объекта → трансформатор → распределительное устройство → фидер контейнера → PDU → отдельные майнеры

Начните с полезной мощности в киловаттах. Остальное придет само собой.

Рассчитайте постоянную нагрузку перед выбором оборудования

Майнеры на базе ASIC работают круглосуточно. Поэтому их электросистема должна проектироваться как установка с непрерывной нагрузкой, а не как промышленный процесс с кратковременной нагрузкой.

Основная формула расчета ИТ-нагрузки выглядит следующим образом:

ИТ-нагрузка = количество майнеров × мощность одного майнера

Нагрузка на объект включает системы охлаждения и вспомогательные системы:

Нагрузка на объект = ИТ-нагрузка × PUE

Например, майнинговая ферма с нагрузкой ASIC 1 000 кВт и запланированным показателем PUE 1,05 требует примерно:

1 000 кВт × 1,05 = 1 050 кВт

Эти дополнительные 50 кВт могут включать в себя вентиляторы для контейнеров, насосы, системы управления, сетевое оборудование, освещение и другие вспомогательные системы.

Местные электротехнические нормы могут предписывать дополнительную пропускную способность при постоянной нагрузке. В США при расчетах проводников для постоянной нагрузки и средств защиты от перегрузки по току в соответствии с соответствующими требованиями NEC часто применяется коэффициент 125%. В других странах действуют стандарты МЭК или местные нормативные акты.

Не следует слепо добавлять процентные значения. Обратитесь к дипломированному инженеру-электрику, чтобы определить, какие запасы прочности и коэффициенты снижения номинальных значений применимы в условиях реализации проекта.

Расчет трехфазного тока

Для трехфазной системы переменного тока:

Ток = Мощность ÷ (√3 × Напряжение × Коэффициент мощности)

Принимая за основу нагрузку объекта 1 050 кВт и коэффициент мощности 0,95:

При одинаковой нагрузке от горнодобывающего оборудования напряжение 480 В требует значительно меньшего тока, чем напряжение 400 В. Более низкий ток позволяет уменьшить сечение кабеля, количество параллельных проводников, падение напряжения и потери в распределительной сети, хотя при этом необходимо учитывать совместимость оборудования и местные стандарты энергоснабжения.

Совет от профессионала: Ни в коем случае не запрашивайте коммерческое предложение на трансформатор или контейнер для майнинга, указав в качестве требования к проекту только “1 МВт”. Уточните, означает ли 1 МВт мощность электросети, нагрузку объекта или нагрузку ИТ-оборудования ASIC.

Расчет мощности трансформатора: киловатты — это не кВА

Горнодобывающие компании обычно оперируют единицами измерения в киловаттах. Номинальная мощность трансформаторов обычно указывается в киловольт-амперах.

Предварительное соотношение имеет вид:

Мощность трансформатора, кВА = Нагрузка объекта, кВт ÷ Коэффициент мощности

Что касается предыдущего примера с мощностью 1 050 кВт:

1 050 кВт ÷ 0,95 = 1 105 кВА

Это не означает, что трансформатор мощностью 1 125 кВА автоматически станет правильным окончательным выбором. Инженер по-прежнему должен оценить:

• Требования к непрерывной нагрузке

• Напряжение и частота в электросети

• Температура окружающей среды

• Высота над уровнем моря

• КПД трансформатора

• Гармоническая нагрузка

• Будущие обновления для майнеров

• Нагрузки при запуске системы охлаждения

• Требуемая избыточность

• Местные нормы и сертификация

• Доступные номинальные характеристики стандартных трансформаторов

С учетом этих факторов проектировщик может выбрать трансформатор мощностью 1,25 МВА или 1,5 МВА для горнодобывающего блока номинальной мощностью 1 МВт. Это инженерное решение, а не универсальное правило выбора оборудования.

Один большой трансформатор или несколько модульных трансформаторов?

Майнинговая ферма мощностью 5 МВт с показателем PUE 1,05 имеет расчетную нагрузку объекта 5,25 МВт. При коэффициенте мощности 0,95 предварительная потребность в кажущейся мощности составляет примерно:

5 250 кВт ÷ 0,95 = 5 526 кВА

Один трансформатор мощностью 6,3 МВА может казаться эффективным на бумаге. Несколько трансформаторных блоков меньшей мощности могут обеспечить большую гибкость при развертывании.

В руководстве по электромонтажу компании Schneider Electric, разработанном в соответствии со стандартами МЭК, рекомендуется при определении количества трансформаторов среднего и низкого напряжения учитывать суммарную мощность, масштабируемость, чувствительность к нагрузке, гармоники, логистику замены и резервирование.

В случае модульной майнинговой фермы мощностью от 3 до 5 МВт разбиение площадки на повторяющиеся электрические блоки зачастую упрощает её расширение и техническое обслуживание. Если один блок отключается, остальные контейнеры могут продолжать работу.

Совет от профессионала: Понятие резервирования должно быть точно определено. Два трансформатора, на которые распределена полная нагрузка, не являются автоматически резервными. Если какой-либо из трансформаторов не способен выдержать требуемую аварийную нагрузку после выхода из строя другого, такая конструкция лишь распределяет нагрузку.

Рекомендуемая схема электропитания майнинговой фермы

Типичная контейнерная майнинговая ферма использует следующую архитектуру электропитания:

Энергетический объект или подстанция → Распределительное устройство среднего напряжения → Трансформатор → Главный распределительный щит низкого напряжения → Фидер контейнера → Главный шкаф контейнера → PDU → Майнеры ASIC

Охлаждающее оборудование также должно быть четко обозначено. Вентиляторы, насосы CDU, сухие охладители и системы управления могут подключаться через выделенные вспомогательные фидеры, чтобы их защита и мониторинг не смешивались с ветвями ASIC.

Каждый электрический блок должен включать:

• Главный выключатель

• Защита от перегрузки по току

• Защита от короткого замыкания

• Защита от перенапряжения

• Заземление и соединение на потенциал корпуса

• Учёт энергопотребления

• Контроль фазного тока

• Алгоритм аварийного отключения

• Мониторинг температуры и сигналов тревоги

• Блокировка и изоляция при техническом обслуживании

Номинальная отключающая способность выключателя должна превышать величину тока короткого замыкания, возможного в месте его установки. Это значение зависит от номинальной мощности трансформатора, его импеданса, импеданса кабеля и условий в сетевой линии, расположенной выше по цепи.

Трансформатор большей мощности может увеличить допустимый ток замыкания. Увеличение мощности трансформатора без перерасчета номинальных значений распределительного устройства может привести к возникновению серьезных проблем с защитой.

Выбор PDU для майнинговой фермы

PDU для майнинговой фермы — это не просто удлинитель с большим количеством розеток.

В контейнерных проектах этот термин может означать отраслевой распределительный блок, распределительный узел на уровне стеллажа или установленное в контейнере устройство PDU, которое разделяет крупный входящий фидер на защищенные цепи для групп майнеров на базе ASIC.

PDU следует выбирать с учетом следующих факторов:

• Номинальное входное напряжение

• Трехфазная схема

• Общий номинальный ток

• Ток в ветви цепи

• Количество и номинальная мощность автоматических выключателей

• Тип розетки или разъема

• Тип штекера блока питания Miner

• Количество майнеров в каждой ветви

• Допуск на непрерывную нагрузку

• Стратегия фазового балансирования

• Диапазон рабочих температур

• Защита от пыли и влаги

• Местная сертификация

• Протокол измерения и связи

Количество розеток не равно полезной мощности. PDU с 30 доступными разъемами не сможет безопасно обеспечить питанием 30 майнеров, если его входной кабель, шина, автоматические выключатели, разъемы и номинальный ток непрерывного режима не рассчитаны на совокупную нагрузку.

Важность фазового баланса

Когда однофазные источники питания майнеров распределяются по трёхфазной системе, майнеры следует распределять по фазам A, B и C настолько равномерно, насколько это возможно.

Нарушение фазового баланса может привести к:

• Неравномерный нагрев проводника

• Снижение коэффициента загрузки трансформатора

• Более высокий ток холостого хода

• Срабатывание защитного выключателя по причине помех

• Асимметрия напряжения

• Сложность прогнозирования производственных мощностей

Контролируемый PDU должен передавать данные о напряжении, токе, мощности и энергии на главном или ветвяном уровне. Дистанционный мониторинг помогает операторам выявлять перегруженные ветви, отсутствующие майнеры и ненормальные фазные условия до того, как произойдет отключение.

В линейке решений Vertiv по распределению электроэнергии PDU для стоек отделены от коммутационных и распределительных шкафов, что отражает важное различие в проекте: оборудование, распределяющее электроэнергию в контейнере, не обязательно совпадает с оборудованием, распределяющим электроэнергию внутри стойки или ряда майнеров.

Рекомендуемая конфигурация DroLin Box

Интегрированный майнинговый контейнер с жидкостным охлаждением DroLin Box 40HC имеет базовую конфигурацию, рассчитанную на размещение до 192 майнеров S19/S21 класса Hydro, теплоотводящую способность примерно 1 300 кВт при температуре окружающей среды 25 °C, распределительный шкаф на 2 500 А и 12 блоков PDU по 175 А.

Данные являются ориентировочными техническими характеристиками. Окончательная конфигурация шкафа, PDU и ответвлений должна быть скорректирована с учетом мощности майнеров, напряжения в проекте, режима прошивки, местных нормативных требований и необходимого резерва мощности.

Совет от профессионала: Отправьте поставщику технические характеристики майнера и укажите, в каком режиме прошивки вы планируете его использовать. Проектирование PDU с учетом стандартного режима, а последующая эксплуатация майнеров в режиме повышенной мощности может привести к перегрузке ветвей электросети, даже если количество майнеров не увеличится.

Планирование кабельной разводки: допустимая нагрузка — лишь первая проверка

При выборе кабеля нельзя руководствоваться только силой тока.

Инженер должен оценить:

• Медный или алюминиевый проводник

• Площадь поперечного сечения проводника

• Номинальная температура изоляции

• Температура окружающей среды

• Монтаж под землей, на поддоне или под открытым небом

• Количество сгруппированных проводников

• Длина кабеля

• Параллельное расположение кабелей

• Номинальная температура отключения

• Падение напряжения

• Устойчивость к короткому замыканию

• Сечение заземляющего проводника

• Местные требования в области пожарной безопасности и охраны окружающей среды

В «Руководстве по электромонтажу» компании Schneider Electric определение размера кабеля указано как фактор, напрямую влияющий на защиту от перегрузки по току, падение напряжения и расчетный ток короткого замыкания.

Следует сокращать длину низковольтных кабельных трасс

При мощностях в мегаваттах длинные низковольтные фидеры становятся дорогостоящими и неэффективными.

Благодаря рациональной планировке площадки трансформаторы и главные распределительные щиты размещены в непосредственной близости от соответствующих контейнерных блоков. Электроэнергия среднего напряжения может распределяться по всей площадке, а затем понижаться в напряжении вблизи места потребления.

Эта стратегия может способствовать снижению:

• Количество медных или алюминиевых проводников

• Количество параллельных питателей

• Падение напряжения

• Перегруженность кабельных траншей

• Электрические потери

• Работы по установке

Выбор оптимальной архитектуры зависит от стоимости местного среднего напряжения оборудования, требований энергоснабжающей компании и количества горнодобывающих контейнеров.

Падение напряжения — это проблема, связанная с операционными расходами

Максимально допустимые значения падения напряжения варьируются в зависимости от страны и электросети. Рекомендации, основанные на стандартах МЭК, содержат типичные предельные значения, но также содержат предупреждение о том, что чрезмерное падение напряжения приводит к постоянным потерям мощности и может создавать проблемы для нагрузок, чувствительных к напряжению.

Если это экономически целесообразно, майнинговые фермы, как правило, должны стремиться к более низкому внутреннему падению напряжения, чем максимально допустимый норматив.

Расчет падения напряжения должен включать:

• Фактический рабочий ток

• Сопротивление и реактивное сопротивление кабеля

• Протяженность маршрута

• Коэффициент мощности

• Рабочая температура проводника

• Расположение параллельных проводников

Даже 10 кВт предотвратимых постоянных потерь в распределительной сети приводят к потреблению:

10 кВт × 24 часа × 30 дней = 7 200 кВт·ч в месяц

При цене 0,07 доллара США за кВт·ч это составляет:

7 200 кВт·ч × 0,07 долл. США = 504 долл. США в месяц

Один неэффективный фидер может показаться незначительной проблемой. Однако несколько неэффективных фидеров, работающих круглый год, становятся ощутимой проблемой с точки зрения операционных расходов (OPEX).

Пример с расчетами: контейнерный фидер мощностью 1,3 МВт

Предположим, что электрическая нагрузка контейнера составляет 1 300 кВт, а коэффициент мощности — 0,95.

Этот расчет объясняет, почему необходимо подтвердить проектное напряжение до того, как будет окончательно утверждена схема размещения шкафов и прокладки кабелей.

При напряжении 400 В для проекта может потребоваться распределительный щит, рассчитанный на более высокий ток, а также большее количество параллельно соединенных проводников. При напряжении 480 В ток ниже, однако каждый блок питания ASIC, вентилятор, насос, управляющий трансформатор и защитный элемент должны быть совместимы с выбранным напряжением.

Расстояние от трансформатора до контейнера определяет, соответствует ли предварительная схема прокладки проводов требованиям по токонесущей способности и падению напряжения.

Проведите электротехнические расчёты до того, как на заводе будут вырезаны отверстия для кабелей.

Защита, заземление и мониторинг

Надежная майнинговая ферма должна иметь возможность локализовать неисправность без остановки работы неоправданно большой части объекта.

В исследовании по вопросам защиты следует учитывать следующее:

• Защита первичной обмотки трансформатора

• Главный выключатель низкого напряжения

• Устройство для разбивания контейнеров-фидеров

• Выключатели PDU для разветвительных цепей

• Координация действий при коротком замыкании

• Защита от замыкания на землю

• Устройства защиты от перенапряжения

• Заземление и выравнивание потенциалов

• Молниезащита

• Аварийное отключение

• Риск возникновения дугового разряда и маркировка

• Потеря фазы и дисбаланс напряжения

• Сигналы тревоги, связанные с высокой температурой

Селективная координация особенно ценна в модульных майнинговых фермах. В идеале сбой на одной из ветвей PDU должен приводить к отключению именно этой ветви, а не главного распределительного щита, обслуживающего несколько контейнеров.

Мониторинг должен осуществляться на трёх уровнях:

1. Уровень объекта: Общий спрос, загрузка трансформаторов и качество электроснабжения

2. Уровень контейнера: Напряжение, ток, энергия и вспомогательная нагрузка

3. Уровень PDU: Сигнализация по току в ветвях, балансу фаз и перегрузке

Без учета потребления на уровне контейнеров операторы не могут точно сравнивать показатели эффективности разных контейнеров или выявлять места электрических потерь.

Информация, необходимая для подготовки предложения по энергоснабжению майнинговой фермы

Прежде чем запрашивать предложение по трансформатору, PDU или контейнеру для майнинга, подготовьте следующую информацию:

• Страна реализации проекта и местоположение объекта

• Доступная постоянная мощность в МВт

• Мощность электросети или трансформатора в МВА

• Напряжение и частота питания

• Технические характеристики имеющихся трансформаторов и распределительных устройств

• Марка ASIC и точная модель

• Количество майнеров

• Стандартный или высокомощный режим прошивки

• Номинальная мощность одного майнера

• Воздушное охлаждение или жидкостное охлаждение

• Расчетный показатель PUE

• Расстояние от трансформатора до каждого контейнера

• Температура окружающей среды и высота над уровнем моря

• Монтаж в подземном пространстве или в кабельном лотке

• Требуемая избыточность

• Цель расширения

• Местные требования к сертификации

• Требуемый график ввода в эксплуатацию

Эти данные позволяют поставщику разработать предварительную однолинейную схему, схему размещения трансформаторов, расчетные параметры шкафов, перечень PDU и план подключения контейнеров.

Схема принятия окончательного решения

Прежде чем заказывать оборудование, необходимо определить пять ключевых моментов, касающихся системы распределения электроэнергии на майнинговой ферме:

1. Какой объем электроэнергии для обеспечения непрерывной работы ИТ-оборудования и инженерных систем фактически потребуется объекту?

2. Какая архитектура трансформатора позволяет сократить время простоя и обеспечивает возможность расширения?

3. Может ли каждая ветвь PDU обеспечивать непрерывное питание подключенных майнеров?

4. Соответствуют ли кабели требованиям по токопроводимости, падению напряжения и устойчивости к короткому замыканию?

5. Может ли оператор контролировать и отключать каждый электрический блок?

Самый дешёвый трансформатор или самый тонкий кабель не гарантируют, что майнинговая ферма будет самой дешёвой.

Стабильное напряжение, выборочная защита, контролируемые зоны отказов и измеримое энергопотребление обеспечивают защиту реальной инвестиции: времени безотказной работы майнера.

DroLin Box предлагает модульные решения в виде контейнеров для майнинга с воздушным и жидкостным охлаждением, оснащённые встроенными распределительными шкафами, блоками питания (PDU), системами управления и инфраструктурой охлаждения.

Чтобы запросить предварительное предложение по распределению электроэнергии, отправьте доступная постоянная мощность, напряжение питания, модель майнера, количество майнеров, местоположение объекта и расстояние от трансформатора до контейнера через Страница контактов DroLin Box.

Часто задаваемые вопросы

Какой мощности трансформатор необходим для майнинговой фермы мощностью 1 МВт?

Следует исходить из общей нагрузки объекта, а не только из нагрузки майнеров. Если нагрузка ИТ-оборудования составляет 1 МВт, показатель PUE равен 1,05, а коэффициент мощности — 0,95, то предварительная потребность в кажущейся мощности составляет примерно 1 105 кВА. Затем инженер проекта должен учесть правила непрерывной нагрузки, температуру, высоту над уровнем моря, гармоники и запас на расширение.

Сколько майнеров может поддерживать один PDU?

Разделите допустимую непрерывную нагрузку на отвод PDU на фактическую входную мощность каждого майнера. Также необходимо проверить номинальные параметры автоматического выключателя и разъема, напряжение, распределение фаз и местные электротехнические нормы.

Является ли напряжение 480 В более подходящим для майнинговой фермы, чем 400 В?

В системе с напряжением 480 В при той же мощности протекает меньший ток, что позволяет снизить требования к проводникам и уменьшить падение напряжения. Такая система подходит только в том случае, если горнодобывающее оборудование, системы охлаждения, средства управления и местная энергосистема совместимы друг с другом.

Должен ли каждый контейнер для добычи иметь отдельный трансформатор?

Не всегда. Один трансформатор может обслуживать один или несколько контейнеров. Решение зависит от нагрузки на контейнер, расстояния до фидера, резервирования, планов расширения, стратегии технического обслуживания и доступных стандартных типоразмеров трансформаторов.