DE102012102607A1

DE102012102607A1 - Verfahren und Anordnung zur Steuerung der Stromversorgungs- und Klimatisierungselemente für Netzelemente von Telekommunikationsnetzen bei variablen elektrischen Lasten

Info

Publication number: DE102012102607A1
Application number: DE201210102607
Authority: DE
Inventors: Dirk Kosiankowski; Christoph Lange
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: DE102012102607B4

Abstract

Verfahren zur Steuerung von Spannungswandlerelementen eines Telekommunikationsnetzwerkelementes, wobei mehrere Spannungswandlerelemente, die einzeln zu- und abschaltbar sind, gemeinsam verwendet werden, um die Telekommunikationsnetzwerkelemente zu versorgen, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bestimmung des Energiebedarfs der Telekommunikationsnetzwerkelemente; – Berechnung des Wirkungsgrades der Spannungswandlerelemente; – sollte der Wirkungsgrad unterhalb einer Schwelle sein, so wird ein Spannungswandlerelement abgeschaltet, sollte der Energiebedarf höher sein als die aktuell zugeschalteten Spannungswandlerelemente bereitstellen, erfolgt ein Zuschalten von weiteren Spannungswandlerelementen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Strom- bzw. Energieversorgung von elektrischen Lasten in Telekommunikationsnetzen. Im Speziellen betrifft die Erfindung die Steuerung von Spannungswandlerelementen (Gleichrichter, Wechselrichter und Spannungsregler in der Betriebsstelle) und Klimatisierungselementen in Abhängigkeit von der tatsächlich genutzten elektrischen Last bei verkehrslastadaptivem Betrieb der Telekommunikationsnetzelemente mit dem Ziel, eine maximale Energieeffizienz in der gesamten Kette der Energieversorgung für derartige Systeme zu erreichen.
Hintergrund der Erfindung
Der Energieverbrauch von Netzen und Systemen der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) steigt weltweit zurzeit stark an, da der darüber abgewickelte Datenverkehr und die zugehörige Datenverarbeitung zunehmen und die Netze deshalb entsprechend ausgebaut und erweitert werden (müssen). Deshalb werden Strategien wichtiger, die es erlauben, diesen, durch die IKT induzierten, Energiebedarf zu begrenzen bzw. zu reduzieren. Um eine signifikante Verbesserung der Energieeffizienz im Betrieb von Telekommunikationsnetzen zu erzielen, werden verschiedene Ansätze diskutiert, wobei insbesondere das Zusammenspiel von bedarfsgerechtem – verkehrslastadaptivem – Betrieb eines Telekommunikationsnetzes und der Energieversorgung der Telekommunikationselemente vielversprechend erscheinen.
Genau dieses Zusammenspiel zwischen den Elementen des Telekommunikationsnetzes, den Wandlerelementen der Energieversorgung und den Klimatisierungselementen in der Betriebsstelle existiert derzeit nicht. Aufgrund der starken Abhängigkeit des Wirkungsgrades der einzelnen Elemente von der tatsächlich benötigten Leistung und der Verstärkung dieser Abhängigkeit entlang der gesamten Kette der beteiligten Elemente, erweist sich eine elementübergreifende, lastabhängige, dynamische Steuerung als erfolgversprechende Methodik.
Stand der Technik:
Da dem Energieverbrauch von Telekommunikationsnetzen sowohl vor dem Hintergrund der Diskussion zum Klimawandel als auch aus dem Blickwinkel der dem Netzbetreiber entstehenden Energiekosten in der jüngsten Vergangenheit steigende Aufmerksamkeit zu Teil wird, werden Strategien bedeutsam, die es erlauben, diesen IKT-Energiebedarf zu begrenzen bzw. zu reduzieren. Um den Energieverbrauch von Telekommunikationsnetzen angesichts des steigenden Datenverkehrsvolumens zu stabilisieren bzw. zu senken, wird der sogenannte lastadaptive Betrieb diskutiert, bei dem in Abhängigkeit von zeitlich variierenden Verkehrsbedarfen die Netzkapazität nur insoweit temporär aktiviert und genutzt werden (soll), wie sie auch wirklich benötigt wird. Dieses Vorgehen basiert auf Beobachtungen des Datenverkehrs (z. B. [1], [2]) und der darauf basierenden Erkenntnis, dass der wirkliche Datenverkehr in Telekommunikationsnetzen zeitlich zum Teil stark variiert. Dies steht im Gegensatz zur bisherigen Herangehensweise, bei der Telekommunikationsnetze auf einen prognostizierten Spitzenverkehrsbedarf hin (zuzüglich einer Reserve) dimensioniert und dann unabhängig vom zeitlich fluktuierenden Verkehrsbedarf mit dieser konstanten Kapazität betrieben werden- und darauf basierend konstant über der Zeit Energie verbrauchen.
Energieversorgungsgeräte, Spannungswandler und Klimatisierungsgeräte in Betriebsstellen von Telekommunikationsnetzen sind so ausgelegt, dass sie für den zu erwartenden Lastfall hinsichtlich der abgenommenen verbraucherseitigen Leistung (der Telekommunikationsnetzelemente, TK-NE) in einem günstigen Arbeitspunkt arbeiten, in dem der Wirkungsgrad relativ groß ist, d. h. unter Berücksichtigung der vorgenannten Tatsache, dass dieser günstige Arbeitspunkt insbesondere für die Maximalleistungsaufnahme der TK-NE angestrebt wird. Netzteile und Spannungswandlereinheiten für TK-NE sind also auf die Spitzenleistungsaufnahme der zu versorgenden Geräte (TK-NE) ausgelegt.
1 zeigt anhand eines Blockschaltbildes das Prinzip der Energieversorgung von Telekommunikationsnetzelementen.
Die vom Energieversorgungsnetzbetreiber an der Betriebsstelle angelieferte Elektroenergie kommt dort als Wechselspannung z. B. mit 230 V / 400 V (Drehstrom) an. Sie dient einerseits der Energieversorgung der Telekommunikationsnetzelemente, worauf im Folgenden noch detailliert eingegangen wird, und andererseits ebenso dem Betrieb der Geräte zur Kühlung und Klimatisierung der Betriebsräume. Ebenso ist an dieser Stelle der Notstromgenerator angeschlossen, der die Energieversorgung der Betriebsstelle im Falle einer längeren Unterbrechung der Energiezufuhr durch den Energieversorger, die z. B. durch einen Stromausfall verursacht sein kann, über eine bestimmte Zeitdauer übernimmt.
Zur sicheren Energieversorgung der TK-Netzelemente werden zunächst Geräte zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) am (Energie-)Eingang der Betriebsstelle eingesetzt, woran dann die TK-NE angeschlossen sind. Dabei werden zwei unterschiedliche Versorgungsketten unterschieden:
Im Falle von Netzelementen, die eine Wechselspannung (230 V) an ihrem Eingang benötigen (z. B. Router, Server), ist der in 1 im mittleren Teil dargestellte Weg zu nutzen, der über eine Wechselspannungs-USV führt und somit drei Wandlerstufen vom Eingang der Betriebsstelle bis zum TK-NE umfasst: Gleichrichter, Wechselrichter in der Betriebsstelle und Stromversorgung (Gleichrichter), Spannungsregler im TK-Netzelement selbst.
Im Falle von TK-Netzelementen, die eine Gleichspannung (für TK-NE typischerweise 48 / 60 V) an ihrem Eingang benötigen (z. B. Elemente des Telefonnetzes), ist der in 1 im unteren Teil dargestellte Weg zu nutzen, der über eine Gleichpannungs-USV führt und somit zwei Wandlerstufen vom Eingang der Betriebsstelle bis zum TK-NE umfasst: Gleichrichter und Stromversorgung im Netzelement.
Diese Wandlerelemente zur Spannungskonversion (Gleichrichter, Wechselrichter, Stromversorgung usw.) haben typischerweise Kennlinien, die bei einer Abnahme der elektrischen Last (durch das TK-NE abgenommene Leistung) zu einer signifikanten Verschlechterung ihres Wirkungsgrades führen: 2 zeigt illustrativ derartige Wandlerkennlinien für einige beispielhafte Fälle. Moderne Wandlerelemente erreichen heute Wirkungsgrade von über 90% auch über einen breiten Lastbereich zwischen typischerweise 50% bis 80%. Darin liegt auch idealerweise der Arbeitspunkt für den erwarteten Lastfall (Spitzenleistungsaufnahme aller angeschlossenen TK-NE). Fällt die Auslastung in Bereiche von unter 50%, fällt der Wirkungsgrad stark nichtlinear ab. Da an Telekommunikationsnetze auch hinsichtlich der Verfügbarkeit höchste Ansprüche gestellt werden, und damit Redundanzmaßnahmen erforderlich sind, verschlechtert sich der Gesamtwirkungsgrad noch zusätzlich. Bei N + 1 Redundanz wird hier ein Wert zwischen 80–90% erreicht, während bei 2N bzw. 2(N + 1) Redundanz nur noch Werte unter 80% erzielt werden können [4].
Bei lastadaptivem Netzbetrieb ist es jedoch das Ziel, den Leistungsbedarf der TK-NE in Abhängigkeit von der wirklichen Verkehrslast variabel zu gestalten. 3 zeigt eine fiktive – aber realistische und typische – Leistungsverbrauchskennlinie eines Netzelements in Abhängigkeit von der Anzahl der genutzten Ports- bzw. in Abhängigkeit von der aktivierten und genutzten Kapazität, wenn man eine feste Kapazität je Port unterstellt. Außerdem ist die zugehörige Struktur eines Netzelements gezeigt. Es wird deutlich, dass die Kapazität von Netzelementen in Portkapazitätsgranularität aktiviert werden kann. Da Netzelemente entsprechend des gezeigten Blockschaltbilds in Grundgerät (Chassis), Linecards und Ports organisiert sind, entsteht der typische treppenförmige Verlauf mit jeweils Grundverbräuchen für Chassis und Linecards und dann den Verbräuchen für die schon erwähnten Ports. Für die Steuerung entsprechend der vorliegenden Erfindungsbeschreibung wird vorausgesetzt, dass sich Netzelemente entsprechend dieser Kennlinie und in Abhängigkeit von den tatsächlich beobachteten Verkehrsbedarfen in ihrer Leistungsaufnahme steuern lassen – was in der Vergangenheit nicht notwendig war und derzeit erst von einem kleinen Teil von Netzelementen unterstützt wird.
Dies bedeutet, es werden dann gezielt unterschiedliche Arbeitspunkte der TK-NE und damit auch der Wandlerelemente genutzt. Dieses führt dazu, dass insbesondere in Zeiten geringer Verkehrslast die Wandlerelemente in ungünstigen Arbeitspunkten betrieben werden: Wenn also ein (zukünftiger) lastadaptiver Betrieb dafür sorgt, dass das TK-NE weniger Leistung verbraucht, dann wird das Wandlerelement weniger effizient, da dessen Wirkungsgrad sinkt.
4 zeigt für eine beispielhafte Kette mit drei Wandlerstufen (vgl. Wechselspannungs-USV in 1) von der Energieerzeugung bzw. -einspeisung mit der Leistung P₀ in die Betriebsstelle bis zum Verbraucher (TK-NE), der die Leistung PNE abnimmt, die in den jeweils unterschiedlichen Wandlungsstufen auftretenden Verluste. Es wird deutlich, dass jedes Wandlerelement mit seinem Wirkungsgrad < 1 dazu beiträgt, dass die Leistung entlang der Kette abnimmt. Darüber hinaus gibt es weitere, systemfremde Elemente, die nicht der erwähnten Versorgungskette angehören, die aber signifikant zum Energiebedarf einer Betriebsstelle beitragen, der ursächlich – natürlich – von dem Leistungsbedarf der TK-NE getrieben wird: In diese Klasse fallen z. B. die Elemente zur Klimatisierung und Kühlung der Betriebsstelle.
Überblick über die Erfindung:
Um die Energieeffizienz in der gesamten Kette von der Versorgung über die verschiedenen Wandlungsstufen bis hin zu den energieverbrauchenden Lasten (TK-NE) zu steigern, ist das Zusammenspiel von TK-Netz und Energieversorgung kritisch. Das Verfahren und die Anordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung zielt darauf ab, die gemäß dem Stand der Technik bei lastadaptivem Betrieb entstehenden Nachteile hinsichtlich des Wirkungsgrades der Wandlerelemente und der systemfremden Elemente- und damit der Energieeffizienz beim Betrieb von Telekommunikationsnetzen – zu kompensieren.
Es ist insbesondere notwendig, die Wandlerelemente so zu betreiben, dass sie möglichst in einem effizienten Bereich mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden:

• Die Netzteile und Wandlerelemente werden modular aufgebaut und es wird dann nur der Anteil hinsichtlich der zur Verfügung gestellten Leistung zugeschaltet, der gerade gebraucht wird und von den TK-NE abgenommen wird.
• Es werden TK-NE dynamisch immer so zusammengeschaltet, dass die Netzteile bzw. Wandlerelemente eine solche – hohe – Last „sehen“, bei der sie in ihrem optimalen Arbeitspunkt – bei hohem Wirkungsgrad – betrieben werden können.

Im ersten Fall besteht die Möglichkeit, die Effizienz der Versorgungskette bei variabler elektrischer Last zu verbessern, in der bedarfsgerechten Zuschaltung von Wandlerkapazitäten.
In der Literatur werden erste Ansätze hierzu als autarke Lösungen für einzelne Elemente (Rechner, Server) beschrieben [3], ein übergreifender Mechanismus, der systemfremde Geräte – wie z. B. Kühlungs- und Klimatisierungsgeräte – mit berücksichtigt, fehlt aber bisher.
Da die abgenommene Leistung der TK-NE bei antizipiertem lastadaptivem Betrieb von der aktuellen Verkehrslast abhängt und damit hoch-dynamisch ist, ist eine übergreifende Steuerung dieses Zusammenspiels zwischen TK-NE und deren Energieversorgungselementen notwendig – wobei auch weitere notwendige, systemfremde Elemente wie z. B. die Raumlufttechnik (HVAC – Heating, Ventilation and Air Conditioning) zur Klimatisierung und Kühlung der Betriebsstelle mit einbezogen werden können und sollen.
Das Verfahren entsprechend vorliegender Erfindungsbeschreibung stellt eine Lösung für diese skizzierte übergreifende Steuerung dar.
Im Einzelnen umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung von Spannungswandlerelementen eines Telekommunikationsnetzwerkelementes, wobei mehrere Spannungswandlerelemente, die einzeln zu- und abschaltbar sind, gemeinsam verwendet werden, um die Telekommunikationsnetzwerkelemente zu versorgen. Bei diesen Spannungswandlerelementen kann es sich um Gleich-, Wechselrichter, USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgungen), Spannungsregler handeln, die in einer Kette hintereinander geschaltet sind, wobei jedes Kettenglied eine Stufe bestimmt, in der die Elemente vorzugsweise redundant ausgebildet sind. Die Elemente innerhalb der Stufe können zu und abgeschaltet werden, um im optimalen Wirkungsbereich zu arbeiten.
Das Verfahren, das im Wesentlichen durch eine Steuerung implementiert wird, umfasst das Bestimmen des Energiebedarfs der Telekommunikationsnetzwerkelemente. Dies kann durch Strom und Spannungsmessungen an unterschiedlichen Punkten und Komponenten erfolgen. So können diese Daten auch von den Spannungswandlerelementen geliefert werden. Auch ist es denkbar, dass diese Informationen von den Geräten, die zu versorgen sind, bereitgestellt werden.
Auf der Basis des aktuellen Energiebedarfs wird die Berechnung des Wirkungsgrades der Spannungswandlerelemente vorgenommen. Hierbei sind die Kenngrößen und Kennlinien der Spannungswandlerelemente der Steuerung bekannt, so dass Anhand der Auslastung und der Kenntnis des Typs des Spannungswandlerelements ein Wirkungsgrad bestimmt werden kann. Es ist auch denkbar, dass die Spannungswandlerelemente mit der Steuerung kommunizieren und somit den aktuellen Wirkungsgrad mitteilen. Sollte die Steuerung feststellen, dass der Wirkungsgrad unterhalb einer definierten Schwelle sein sollte, so wird ein Spannungswandlerelement abgeschaltet, so dass die anderen redundanten Spannungswandlerelemente mehr Last übernehmen und ein besserer Wirkungsgrad erreicht wird. Sollte der Energiebedarf höher sein als die aktuell zugeschalteten Spannungswandlerelemente bereitstellen, bzw. oberhalb einer oberen Schwelle liegen, die gerade noch einen Betrieb zulässt, so erfolgt ein Zuschalten von weiteren Spannungswandlerelementen. Dieses Zuschalten kann auch vorausschauend erfolgen, wenn bekannt ist, dass sich die Last in Zukunft aufgrund von zeitlichen oder anderen Randbedingungen erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Spannungswandlerelemente für die Klimatisierungs- und Kühlungstechnik ebenfalls zuständig, die für die Kühlung der Telekommunikationsnetzwerkelemente eingesetzt werden. Auch diese können basierend auf dem Energiebedarf der Netzwerkelemente zu und abgeschaltet werden, damit sie einen besseren Wirkungsgrad erreichen. So ist es denkbar, dass, wenn erkannt wird, dass ein höherer Energiebedarf ansteht, so werden gleichzeitig Spannungswandlerelemente für die Klimatisierungs- und Kühlungstechnik zugeschaltet, damit diese die zu erwartende höhere Last abfangen können. Ferner können in einer möglichen Ausführungsform die Klimatisierungs- und Kühlungstechnik, auf der Basis der Bestimmung des Energiebedarfs der Telekommunikationsnetzwerkelemente gesteuert werden.
Die Steuerung nutzt ebenfalls historische oder Kontextinformationen die bei der Bestimmung des Energiebedarfs einbezogen werden. So können aktuelle Wetterdaten oder Wettervorhersagedaten, Uhrzeiten, Wochentage und/oder Prognosen bezüglich des zu erwartenden Datenverkehrsvolumens einfließen, die einen Einfluss auf den Energieverbrauch haben.
In einer weiteren Ausführungsform wird der bestimmte Energiebedarf regelmäßig, an weitere Bedarfsträger, insbesondere Energieversorgungsunternehmen, weitergeleitet, um die Versorgungskette weiter zu optimieren, insbesondere zur Ausregelung von Netzschwankungen. So kann die Steuerung ebenfalls mit dem Netzwerk verbunden sein und Daten weiterleiten.
Bei der Berechnung des Wirkungsgrades in der Wandlerkette erfolgt dies rückwärts vom letzten Element zum Ersten, um basierend auf diesen Werten die Spannungswandlerelemente in jeder Wandlerstufe zu- oder abzuschalten. Als Ergebnis und Maß für die Effizienz der Wandlerkette wird das Verhältnis von bereitzustellender Leistung P₀ am Eingang der Betriebsstelle und die am Telekommunikationsnetzwerkelement abgenommene Leistung P_NE definiert und herangezogen.
Ein weiterer Teil der Erfindung ist ein Netzwerkelement, das das Verfahren nach dem og. Verfahren implementiert.
Das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung gestattet es somit, die Wandlerelemente in der Energieversorgungskette für die TK-NE sowie weitere, systemfremde Geräte zur Klimatisierung und Kühlung entsprechend der tatsächlich durch die TK-NE aufgenommenen Leistung zu steuern. Diese Leistung kann durch lastadaptiven Netzbetrieb beträchtlichen Schwankungen unterworfen sein. 6 zeigt die gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Anordnung in einer Betriebsstelle: Zentrales Element ist eine Monitoring- und Steuereinheit, die folgende Aufgaben und Funktionen hat:

• Beobachten und Messen (Monitoring) des tatsächlichen Leistungsbedarfs der TK-NE: Dies ist dargestellt mit Hilfe der gestrichelten Pfeile.
• Berechnen der notwendigen Kapazitäten bei den Wandlerelementen und bei den weiteren, systemfremden Elementen (Klimatisierung und Kühlung).
• Steuern der Wandlerelemente und der weiteren, systemfremden Elemente (Klimatisierung und Kühlung) so, dass sie dem tatsächlichen Leistungsbedarf der TK-NE folgen. Dies ist dargestellt mit Hilfe der durchgezogenen Pfeile.

Um diese Steuerung der Wandlerelemente und der weiteren Elemente zu ermöglichen, sind diese modular aufzubauen. Dies ist in 12 für die Wandlerelemente exemplarisch gezeigt und im Anhang anhand einer Beispielrechnung detailliert beschrieben. In vergleichbarer Art und Weise sind die weiteren Elemente (Klimatisierung und Kühlung) modular und adaptiv betreibbar aufzubauen.
Alle diese (Wandler- und weiteren) Elemente sollen insbesondere über eine Kommunikationsschnittstelle verfügen (bzw. dieses ist dazu zu realisieren), damit sie darüber von der Monitoring- und Steuereinheit angesprochen werden können. Ebenso sollen die TK-NE über Schnittstellen verfügen, die das Monitoring des tatsächlichen Leistungsbedarfs gestatten.
Darüber hinaus können explizit Prognosemodule mit einbezogen werden, die auch Kontextinformationen mit berücksichtigen (z. B. Vorhersage des zu erwartenden Datenverkehrsvolumens aus beobachteten Verläufen, woraus auf die von den TK-NE abgenommene Leistung bei lastadaptivem Betrieb geschlossen werden kann; Wettervorhersageinformationen, die wichtig sind für die Klimatisierung und Kühlung von Betriebsräumen, usw.)
Außerdem können die durch das Monitoring der Leistungsbedarfe in einer Betriebsstelle gewonnenen Informationen kumuliert an weitere Bedarfsträger (z. B. Energieversorgungsunternehmen) übergeben werden, um die Versorgungskette weiter zu optimieren (z. B. zur Ausregelung von Netzschwankungen).
Vor diesem Hintergrund liefert das Verfahren und die Anordnung entsprechend der vorliegenden Erfindungsbeschreibung eine Möglichkeit, den Energiebedarf in Betriebsstellen von Telekommunikationsnetzbetreibern gegenüber dem gegenwärtigen Stand der Technik signifikant zu senken, insbesondere dann, wenn der Betrieb entgegen heutigem Stand der Technik lastadaptiver bezüglich der tatsächlich zu transportierenden und zu verarbeitenden Verkehrslast gestaltet werden kann. Es leistet damit einen Beitrag zu einer ökologischeren IKT-Struktur, die insgesamt zu einer verbesserten CO₂-Bilanz von Telekommunikationsnetzen führt.
Figurenbeschreibung:
Im Folgenden wird eine Figurenbeschreibung gegeben, wobei
1 ein Prinzip der Energieversorgung von Telekommunikationsnetzelementen in Betriebsstellen zeigt,
2 beispielhafte Wirkungsgrade der Spannungswandler als Funktion der Ausgangsleistung darstellt,
3 ein Blockschaltbild eines beispielhaften TK-Netzelementes mit zugehöriger Leistungskennlinie zeigt,
4 eine beispielhafte Kette von der Energieerzeugung bis zum Verbrauch und zugehörige Verluste sowie weitere, systemfremde Elemente (entsprechend Stand der Technik) zeigt,
5 einen beispielhaften modularen Aufbau eines Wandlerelements zeigt,
6 das Prinzip der Steuerung der Kette der Wandlerelemente und der Elemente für Kühlung und Klimatisierung zeigt,
7 das Prinzip der Steuerung der Kette der Wandlerelemente und weiterer, systemfremder Elemente bei dreistufiger Wandlerkette (Wechselspannungs-USV) zeigt,
8 das Prinzip der Steuerung der Kette der Wandlerelemente und weiterer, systemfremder Elemente bei zweistufiger Wandlerkette (Gleichspannungs-USV) zeigt,
9 die allgemeine Prinzipdarstellung der Wandlerkette bei konventionellem Betrieb zeigt,
10 die beispielhafte Kennlinie eines TK-Netzelements zeigt,
11 die beispielhafte Wirkungsgrad-Kennlinie eines Wandlerelements zeigt,
12 die allgemeine Prinzipdarstellung der Wandlerkette bei modularem Betrieb zeigt,
13 den Vergleich der relativen Eingangsleistung am Eingang der Wandlerkette bei konventionellem und modularem Betrieb bei lastadaptivem Betrieb des TK-NE (C = C_max/4) zeigt.
Mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung:
Die 5 zeigt beispielhaft den für die Steuerung entsprechend der vorliegenden Erfindung notwendigen modularen Aufbau. Beispielhaft ist ein Wandler dargestellt, der eine maximale Leistung von 2000 W bereitstellen kann inklusive einer modellhaften Kurve seines Wirkungsgrades. Demgegenüber ist ein modular aufgebauter Wandler (beispielhaft bestehend aus 5 Modulen, die maximal je 400 W bereitstellen können) dargestellt: Werden nun z. B. nur 1000 W an Leistung abgenommen ist es nun möglich, 3 Module zuzuschalten und somit im Gesamtwirkungsgrad in einem effizienteren Bereich zu arbeiten, als wenn man nach herkömmlicher Betriebsweise 1000 W aus dem 2000-W-Wandler entnimmt. Das bedarfsgerechte Zuschalten der Wandlermodule steuert eine Monitoring- und Steuereinheit, wie bereits weiter oben beschrieben.
Im Folgenden wird ein erstes Ausführungsbeispiel 1 gezeigt, bei dem eine Steuerung der dreistufigen Wandlerkette und der Kühlungs- und Klimatisierungselemente bei Wechselspannungs-USV berücksichtigt wird.
In 7 ist als Ausführungsbeispiel das Prinzip einer Steuerung für den Fall dargestellt, dass eine dreistufige Wandlerkette zur Energieversorgung der TK-NE vorliegt – wie sie bei einer Wechselspannungs-USV typisch ist – sowie die zugehörige Klimatisierungs- und Kühlungstechnik. Alle diese Elemente sind in dem beschriebenen Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung modular aufzubauen und übergreifend in einer Betriebsstelle zu steuern.
Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel zur Steuerung der zweistufigen Wandlerkette und der Kühlungs- und Klimatisierungselemente bei Gleichspannungs-USV gezeigt.
In 8 ist als Ausführungsbeispiel das Prinzip einer Steuerung für den Fall dargestellt, dass eine zweistufige Wandlerkette zur Energieversorgung der TK-NE vorliegt – wie sie bei einer Gleichspannungs-USV typisch ist – sowie die zugehörige Klimatisierungs- und Kühlungstechnik. Alle diese Elemente sind in dem beschriebenen Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung modular aufzubauen und übergreifend in einer Betriebsstelle zu steuern.
In der Regel werden beide Ausführungsbeispiele in typischen Betriebsstellen kombiniert auftreten.
Die folgende Effizienzbetrachtung berücksichtigt die Energieversorgung der TK-NE und insbesondere die verschiedenen Stufen der dafür notwendigen Wandler, jedoch nicht weitere Elemente wie Kühlung und Klimatisierung, obwohl diese Teil der Erfindung sind.
Zentrales Anliegen der Leistungsversorgung in Betriebsstellen von Telekommunikationsnetzen ist es, die Telekommunikationselemente mit einer zum Betrieb notwendigen Leistung zu versorgen. Zum Zweck der Berechnung der Effizienz dieser Wandlerkette nach heutigem Stand der Technik und entsprechend dem modularen Aufbau, der hier vorgeschlagen wird, wird ein vereinfachter Aufbau entsprechend 9 vorausgesetzt: Die Versorgung eines TK-NE wird über N (natürliche Zahl) Wandlerstufen realisiert. Die Energieerzeugung und -verteilung ist nicht Gegenstand der hier vorliegenden (Effizienz-)Betrachtungen.
Ausgangspunkt der Betrachtung ist die vom TK-NE wirklich benötigte elektrische Leistung, die bei lastadaptivem Betrieb von der gerade zur Verfügung gestellten Kapazität C abhängt:
Dabei bezeichnen P_B den Grundverbrauch des TK-NE (wenn Grundgerät, erste Linecard und erster Port aktiviert und betriebsbereit sind) und P_max den maximalen Leistungsverbrauch des TK-NE bei Vollauslastung, d. h., wenn die maximal Kapazität C_max bereitgestellt wird. Um die Berechnung übersichtlich zu gestalten, wird die Leistungscharakteristik des TK-NE durch die angegebene lineare Funktion angenähert.
Es wird vorausgesetzt, dass das TK-NE lastadaptiv entsprechend der angegebenen Kennlinie betrieben werden kann. Eine beispielhafte Kennlinie mit den numerischen Werten P_max = 1500 W, P_B = 0,2·P_max = 300 W und C_max = 10 Gbit/s, die den weiteren Rechnungen zu Grunde liegen, ist in 10 dargestellt.
Die Wandler können Gleichrichter, Wechselrichter oder Spannungskonverter sein: In dieser verallgemeinerten Effizienzuntersuchung wird dies nicht unterschieden. Die Wandlerlemente der i-ten Stufe werden durch einen Wirkungsgrad
und eine maximale Ausgangsleistung P_imax charakterisiert. Die Leistung P_i ist dabei die Ausgangsleistung des i-ten Wandlers und die Leistung P_i-1 dessen Eingangsleistung (identisch mit der Ausgangsleistung des (i-1)-ten Wandlers).
Der Wirkungsgrad der Wandlerelemente ist nicht konstant für alle Eingangsleistungen P_i-1, sondern abhängig von deren Größe. Diese Abhängigkeit kann je nach technischer Realisierung des Wandlerelements unterschiedlich sein; sie ist jedoch grundsätzlich so, dass bei hohen Auslastungen des Wandlerelementes – im Bereich von > 70 % der maximalen Eingangsleistung P_imax – die größten Wirkungsgrade (> 90 %) erzielt werden. Um dieses Verhalten analytisch zu erfassen, wird in der vorliegenden Rechnung der funktionale Zusammenhang
als Näherung verwendet, wobei p_i-1 die normierte Eingangsleistung des betreffenden Wandlerelementes
darstellt und a_i einen Parameter, der die Steilheit der Funktion beschreibt.
Im numerischen Beispiel wird mit N = 3 Wandlerstufen gerechnet, die alle eine (beispielhaft) gleiche Wirkungsgradcharakteristik mit a₁ = a₂ = a₃ = 0,1 aufweisen. Die Wirkungsgradcharakteristik der Wandlerelemente wird in 11 beispielhaft veranschaulicht.

• Die Anordnung von drei Wandlerstufen kann interpretiert werden als die Kette zur Versorgung von TK-NE mit Wechselspannungseingang (230 V) (siehe 1): AC/DC-Wandler (Gleichtrichter) von 400/230 V AC (Eingang Wechselspannungs-USV) auf ca. 400V DC (Batteriepufferung)
• DC/AC-Wandler (Wechselrichter) von 400V DC auf 230 V AC (Ausgang Wechselspannungs-USV)
• AC/DC-Wandler (Gleichrichter) von 230 V AC auf z.B. 12 V DC im Netzteil des TK-Netzelements (Router, Server)

Betrachtet man die Kette zur Versorgung von TK-NE mit Gleichspannungseingang (48 V / 60 V) in ähnlicher Weise, so ist hier eine zweistufige Wandlerkette (N = 2) notwendig:
Gleichrichter in der Betriebsstelle und Stromversorgungsnetzteil im TK-NE selbst; diese zweistufige Kette wird hier nicht explizit berechnet.
In der folgenden Rechnung wird nun die Kette rückwärts betrachtet:
Die vom TK-NE tatsächlich benötigte und abgenommene Leistung P_NE = P_N (= P₃ im numerischen Beispiel) wird als Ursprungsgröße betrachtet, so dass sich die Leistung am Eingang des davor liegenden Wandlerelements sukzessive ergibt zu
und im Ergebnis die für die Versorgung eines TK-NE inklusive der gesamten Wandlerkette notwendigen Leistung P₀ – am Eingang der Betriebsstelle – berechnet zu
Dabei gibt der Quotient P_i / P_imax den Arbeitspunkt an, in dem das jeweilige i-te Wandlerelement betrieben wird. Nimmt also z. B. das TK-NE am dritten Wandler eine Leistung von P₃ = P_NE = 1500 W ab und kann der Wandler maximal P_3max = 2000 W liefern, so arbeitet der Wandler bei 75 % der maximalen Ausgangsleistung in einem günstigen Bereich.
Als Ergebnis und Maß für die Effizienz der Wandlerkette wird das Verhältnis von bereitzustellender Leistung P₀ am Eingang der Betriebsstelle und am TK-NE abgenommener Leistung P_NE definiert und herangezogen:
Im Folgenden wird der Betrieb entsprechend dem Stand der Technik (nicht-lastadaptiver Betrieb der TK-NE) beschrieben. Das TK-NE benötigt bei Vollauslastung im betrachteten Beispiel 1500 W. Es werden deshalb Wandler verwendet, die im Beispiel eine maximale Ausgangsleistung von P_imax = 2000 W (i = 1, 2, 3) liefern können. Damit arbeitet der letzte Wandler in der Kette bei einer durch das TK-NE abgenommenen Leistung von 1500 W im Bereich von > 70 % Auslastung (75 %) und somit in einem realistischen Bereich hohen Wirkungsgrades. Die davor liegenden Wandlerstufen arbeiten bei dann geringfügig höheren Auslastungsgraden, die ebenfalls als realistisch eingestuft werden können. Entsprechend der oben dargestellten Rechnung und der angegebenen Voraussetzungen erhält man eine Leistung von P₀ = 1620 W, die am Eingang der Wandlerkette notwendig ist, um die 1500 W für das Netzelement nach drei Wandlerstufen bereitzustellen — entsprechend Γ = 1,08 (eine um 8 % erhöhte Leistung gegenüber der wirklich am TK-NE benötigten).
Zwischen Spitzenverkehr am Tage und dem Verkehr, der zu Nachtzeiten beobachtet wird, liegt ein signifikanter Unterschied:
Der Nachtverkehr liegt entsprechend [1][2] bei etwa einem Viertel des Spitzenverkehrs. Deshalb wird nun ein Beispiel gerechnet, bei dem die erforderliche Kapazität, die durch das TK-NE bereitgestellt werden muss, bei C = C_max/4 liegt. Es wird angenommen, dass das TK-NE lastadaptiv entsprechend seiner Leistungscharakteristik betrieben werden kann: Dann liegt die vom TK-NE aufgenommene Leistung in diesem Betriebszustand bei etwa 590 W. Da die Wandlerkette sich beim Betrieb entsprechend dem Stand der Technik nicht ändert, arbeiten die Wandlerelemente in einem Bereich mit kleinerem Wirkungsgrad und es ist eine Leistung von P₀ = 823 W am Eingang der Wandlerkette notwendig — entsprechend Γ = 1,4 (eine um 40 % erhöhte Leistung gegenüber der wirklich am TK-NE benötigten).
Beim Ansatz entsprechend der vorliegenden Erfindung werden die Wandlereinheiten modular aufgebaut und nach dem jeweiligen Leistungsbedarf, den das Netzelement tatsächlich hat, zu- bzw. abgeschaltet (s. 12). Es wird angenommen, dass in der i-ten Wandlerstufe M_i Module angeordnet sind, die jeweils die maximale Leistung
bereitstellen können und eine Wirkungsgradcharakteristik ŋ_i entsprechend der oben angegebenen aufweisen. Es wird für die beispielhafte Rechnung angenommen, dass alle Module jeweils gleiche Eigenschaften bezüglich Wirkungsgradcharakteristik ŋ_i und maximaler Leistung P_imax ^mod aufweisen. Als numerische Werte werden P_imax ^mod = 400 W und M_i = 5 (i = 1, 2, 3) angesetzt, so dass insgesamt wieder die 2000 W maximal bereitgestellt werden können. Als Ergebnis ist bei dieser verbesserten Vorgehensweise mit modularem Aufbau der Wandler eine Leistung von P₀ = 640 W am Eingang der Wandlerkette notwendig — entsprechend Γ = 1,08 (eine nur um 8 % erhöhte Leistung gegenüber der wirklich am TK-NE benötigten — verglichen mit der 40-prozentigen Erhöhung bei konventionellem Betrieb entsprechend dem Stand der Technik). Diese Ergebnisse entsprechend konventioneller und verbesserter modularer Vorgehensweise sind in 13 vergleichend dargestellt.
Literatur und Quellen

[1] Amsterdam Internet Exchange: Traffic Statistics, Available: http://www.ams-ix.org/statistics/ (08.02.2012)
[2] DE-CIX Internet Exchange: Traffic Statistics, Available: http://www.de-cix.org/content/network/Traffic-Statistics.html (08.02.2012)
[3] David Meisner; Brian T. Gold; Thomas F. Wenisch: "PowerNap: Eliminating Server Idle Power". Proceedings of the 14th international conference on Architectural support for programming languages and operating systems (ASPLOS), Washington, DC, USA, 7.–11. März 2009
[4] M. Ton, B. Fortenberry: "High Performance Buildings: Data Centers Uninterruptible Power Supplies (UPS)" Dec. 2005, Ecos Cons., EPRI

Claims

Verfahren zur Steuerung von Spannungswandlerelementen eines Telekommunikationsnetzwerkelementes, wobei mehrere Spannungswandlerelemente, die einzeln zu- und abschaltbar sind, gemeinsam verwendet werden, um die Telekommunikationsnetzwerkelemente zu versorgen, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bestimmung des aktuellen Energiebedarfs der Telekommunikationsnetzwerkelemente durch eine Messeinrichtung/Steuerung; – Berechnung des Wirkungsgrades der Spannungswandlerelemente durch die Messeinrichtung/Steuerung; – sollte der Wirkungsgrad unterhalb einer Schwelle sein, so wird ein Spannungswandlerelement durch die Steuerung abgeschaltet, sollte der Energiebedarf höher sein als die aktuell zugeschalteten Spannungswandlerelemente dauerhaft bereitstellen, erfolgt ein Zuschalten von weiteren Spannungswandlerelementen durch die Steuerung, dies wird vorzugsweise durch eine Regelung vorgenommen, die Istwert und Sollwert vergleicht und eine Regelgröße in Form der Zuschaltung oder Abschaltung berücksichtigt.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Spannungswandlerelemente von Klimatisierungs- und Kühlungstechnik, die für die Kühlung der Telekommunikationsnetzwerkelemente eingesetzt werden, ebenfalls je nach Bedarf zugeschaltet und abgeschaltet werden, um oberhalb einer definierten Schwelle des Wirkungsgrades zu arbeiten.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Klimatisierungs- und Kühlungstechnik, auf der Basis der Bestimmung des Energiebedarfs der Telekommunikationsnetzwerkelemente gesteuert werden.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Bestimmung des Energiebedarfs von Kontextinformationen einbezogen werden, umfassend eines oder mehrere der folgenden: Wettervorhersagedaten, Uhrzeiten, Wochentage, Prognosen bezüglich des zu erwartenden Datenverkehrsvolumens.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bestimmte Energiebedarf regelmäßig, an weitere Bedarfsträger, insbesondere Energieversorgungsunternehmen, weitergeleitet wird, um die Versorgungskette weiter zu optimieren, insbesondere zur Ausregelung von Netzschwankungen.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Wandlerstufe vorhanden ist, die vorzugsweise mit weiteren Wandlerstufen in einer Wandlerkette in Reihe geschaltet ist, wobei in jeder Wandlerstufe mehrere parallel geschaltetete Spannungswandlerelemente angeordnet sind, die zu- und abgeschaltet werden.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Berechnung des Wirkungsgrades in der Wandlerkette rückwärts vom letzten Element zum ersten erfolgen, um basierend auf diesen Werten die Spannungswandlerelemente in jeder Wandlerstufe zu- oder abzuschalten.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden zwei Ansprüche, wobei als Ergebnis und Maß für die Effizienz der Wandlerkette das Verhältnis von bereitzustellender Leistung P₀ am Eingang der Betriebsstelle und am Telekommunikationsnetzwerkelementes abgenommener Leistung P_NE definiert und herangezogen wird.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei Spannungswandlerelemente Gleichrichter, Wechselrichter und/oder Spannungsregler sind.
Telekommunikationsnetzwerkelement umfassend Spannungswandlerelemente, wobei gleichartige Spannungswandlerelemente einzeln zu- und abschaltbar sind, gekennzeichnet durch – eine Messeinrichtung/Steuerung zur Bestimmung des Energiebedarfs des Telekommunikationsnetzwerkelementes, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um Berechnung des Wirkungsgrades der Spannungswandlerelemente vorzunehmen, sollte der Wirkungsgrad unterhalb einer Schwelle sein, so wird ein Spannungswandlerelement abgeschaltet, sollte der Energiebedarf höher sein als die aktuell zugeschalteten Spannungswandlerelemente bereitstellen, erfolgt ein Zuschalten von weiteren Spannungswandlerelementen.
Telekommunikationsnetzwerkelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Spannungswandlerelemente von Klimatisierungs- und Kühlungstechnik, die für die Kühlung der Telekommunikationsnetzwerkelemente eingesetzt werden, ebenfalls je nach Bedarf zugeschaltet und abgeschaltet werden, um oberhalb einer definierten Schwelle des Wirkungsgrades zu arbeiten.
Telekommunikationsnetzwerkelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Klimatisierungs- und Kühlungstechnik, auf der Basis der Bestimmung des Energiebedarfs der Telekommunikationsnetzwerkelemente gesteuert werden.
Telekommunikationsnetzwerkelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um bei der Bestimmung des Energiebedarfs zusätzlich Kontextinformationen einzubeziehen, umfassend eines oder mehrere der folgenden: Wettervorhersagedaten, Uhrzeiten, Wochentage, Prognosen bezüglich des zu erwartenden Datenverkehrsvolumens.
Telekommunikationsnetzwerkelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Telekommunikationsnetzwerkelement-Ansprüche, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um einen bestimmten Energiebedarf regelmäßig, an weitere Bedarfsträger, insbesondere Energieversorgungsunternehmen, weiterzuleiten, um die Versorgungskette weiter zu optimieren, insbesondere zur Ausregelung von Netzschwankungen.
Telekommunikationsnetzwerkelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Telekommunikationsnetzwerkelement-Ansprüche, wobei mindestens eine Wandlerstufe vorhanden ist, die vorzugsweise mit weiteren Wandlerstufen in einer Wandlerkette in Reihe geschaltet ist, wobei in jeder Wandlerstufe mehrere parallel geschaltete Spannungswandlerelemente angeordnet sind, die durch die Steuerung zu- und abschaltbar sind.
Telekommunikationsnetzwerkelement nach dem vorhergehenden Telekommunikationsnetzwerkelement-Anspruch, wobei Berechnungen des Wirkungsgrades in der Wandlerkette rückwärts vom letzten Element zum Ersten erfolgen, um basierend auf diesen Werten die Spannungswandlerelemente in jeder Wandlerstufe zu- oder abzuschalten.
Telekommunikationsnetzwerkelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden zwei Ansprüche, wobei als Ergebnis und Maß für die Effizienz der Wandlerkette das Verhältnis von bereitzustellender Leistung P₀ am Eingang der Betriebsstelle und am Telekommunikationsnetzwerkelementes abgenommener Leistung P_NE definiert und herangezogen wird.
Telekommunikationsnetzwerkelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Telekommunikationsnetzwerkelement-Ansprüche, wobei Spannungswandlerelemente Gleichrichter, Wechselrichter und/oder Spannungsregler sind.