JP2011022022A

JP2011022022A - 入力電力の監視装置及び入力電力の監視方法

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Publication number: JP2011022022A
Application number: JP2009167737A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Uchikawa; 偉史内川
Original assignee: NEC Computertechno Ltd
Current assignee: NEC Computertechno Ltd
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: JP4858886B2

Abstract

【課題】１次側と２次側の通信を要するため導入が非常に困難である電源の入力電力の監視を、既存のシステムに後付で搭載ができる装置により安全規格上問題を生じさせずに実現する。
【解決手段】電源の入力電力の監視対象となる電源回路の２次側の出力電力を読み取る。読み取った前記出力電力を、前記電源回路の１次側の入力電力に変換する。変換した前記１次側の入力電力を通知する。また、前記電源回路の１次側には測定機構を有していないように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は入力電力監視回路とその演算モデル（Power Monitoring Circuit and the Formula）に関し、より詳細には、ＡＣ／ＤＣ電源回路における入力電力の監視・測定に関する。

近年の飛躍的なコンピュータ機器の普及および半導体事業の発展、またデータの大容量化に伴い消費電力は上昇していく傾向にある。

一方で地球環境への配慮が盛んに叫ばれ、省エネルギ化が急務の課題となっている。

このような背景に鑑みて、各メーカでは電源の変換効率向上はもちろん機器の効率運用に焦点を当て、電力監視機能を用いたソリューションに関心が集まっている。

電源は低負荷よりも高負荷で使用した方が高効率となる特性が一般的であり、電源と駆動機器が１対１の関係でなくｎ＋ｎの電源で複数の機器を運用する研究なども行われている。

そして、このような運用を行う場合、１つの電源がどの程度の電力で運用されているかをリアルタイムで認識できることにより総合的な運用効率を高めることができる。

例えばホスティングサービスなどデータセンタでは限られた電力設備・スペース内で複数台のサーバをいかに高集積で運用できるかに関心があり、効率運用のソリューションは必須の技術と言える。

さらにこうしたニーズを受けＥｎｅｒｇｙＳｔａｒ規格などの公的機関でも、誤差１５％以内での電力監視と電源の８０％以上の効率化が必須になってきている。

このような、どの程度の電力で運用されているかをリアルタイムで認識するための技術として例えば特許文献１乃至４に記載の技術がある。

ここで、一概に電力監視と言っても、電源にとっては出力電力と入力電力が存在する。

前者の出力電力は電源２次側またはシステム内部で容易に後付でも読み取る機構が開発可能である。

システムとの電力情報通信する手段としては一般的にＩ２Ｃ＿Ｂｕｓがあり、近年ではＰＳＭＩ，ＰＭ＿Ｂｕｓのような電力監視専用の通信規格も存在する。

一方で後者の入力電力は電源の１次側に測定回路を有する必要がある。

しかし電源回路は多くの安全規格に提唱されているように１次側と２次側を完全絶縁する必要があるため、１次側の測定情報を２次側に伝えるためには光通信など入力と出力の絶縁が保たれた機構を用いる必要がある。

こうした機構は後付での簡易な導入は困難であり、入力電力監視対応の専用電源を開発しなければならない。

特開２００７−１９２７５８号公報特開２００７−１３５２６５号公報特開２００６−１８４０６３号公報特開２００３−４４１８０号公報

上述のように入力電力を監視するには１次側に監視機構を設け、２次側と通信することが必須であり複雑な専用電源の開発が必要となるため、開発コスト増加、単価増大などのインパクトを生じる。

また電力監視機能は１次側の監視機構を持たない既存のシステムに関しては後付での適応が困難である。

また近年の技術では後付としてＡＣタップ部分などで電力監視をする手法もあるが、いずれも導入が容易でなくコスト的な問題が浮上する。

そこで、本発明は安全規格上問題を生じさせず、手軽に後付で入力電力を監視することが可能な、入力電力の監視装置及び入力電力の監視方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点によれば、監視対象となる電源回路の２次側の出力電力を読み取る電力監視手段と、前記電力監視部が読み取った前記出力電力を、前記電源回路の１次側の入力電力に変換する演算手段と、前記演算手段が変換した前記１次側の入力電力を通知する通信手段と、を備え、前記電源回路の１次側には測定機構を有していないことを特徴とする監視装置が提供される。

本発明の第２の観点によれば、監視対象となる電源回路の２次側の出力電力を読み取る電力監視ステップと、前記電力監視部が読み取った前記出力電力を、前記電源回路の１次側の入力電力に変換する演算ステップと、前記演算ステップが変換した前記１次側の入力電力を通知する通信ステップと、を備え、前記電源回路の１次側については直接測定しないことを特徴とする監視方法が提供される。

本発明によれば、従来の既存電源では困難な入力電力を後付で手軽に監視することが実現可能となる。

本発明の実施形態の基本的構成を表す図である。本発明の実施形態の基本的動作を表す図である。一般的な電源の効率曲線を表す図である。本発明の実施形態における１次関数近似モデルを表す図である。本発明の実施形態における１次関数近似モデルのシミュレーション結果を表す図である。

まず、本発明の実施形態の概略を説明する。本発明の実施形態は、概略、後付モジュールでも手軽に監視可能な２次側の出力電力を読み取り、入力電力に変換するというものである。特に、本実施形態では一般的なプログラムＩＣで広く適応できるように、１次関数の近似モデルを用いた変換法を提案する。

なお、本実施形態を説明するにあたり本明細書、図面及び特許請求の範囲で用いる各符号は以下の意味を有するものとする。
Ｖｏ：電源の出力電圧（Ｖ）
Ｖｒ：低抵抗Ｒカソード側の電圧（Ｖ）
Ｒ：低抵抗Ｒの抵抗成分（Ｏｈｍ）
Ｉｏ：電源の出力電流（Ａ）。Ｉｏ＝（Ｖｏ−Ｖｒ）／Ｒ
Ｐｏ：電源の出力電力（Ｗ）。Ｐｏ＝Ｖｏ＊Ｉｏ
Ｐｉ：電源の入力電力（Ｗ）
Ｅ：電源の効率（％（百分率））。Ｅ＝Ｐｏ／Ｐｉ
Ｌｘ：本実施形態で提案する１次関数近似モデルの定数損失成分（Ｗ）
Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝：本実施形態で提案する１次関数近似モデルにおける、電源の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の損失成分（Ｗ）。
Ｐｉ｛Ｐｏ＝ａ｝：電源の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）のときの入力電力Ｐｉ
Ｐｏ｛Ｐｏ＝ａ｝：電源の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の出力電力Ｐｏ
次に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

本発明の実施形態である電源監視回路１００は、図１に示すように電力監視部１０１、演算部１０２及び通信部１０３を有する。また、電源監視回路１００は、ＡＣ／ＤＣ電源回路２００及びシステム（Ｌｏａｄ）３００に接続されている。なお、電源監視回路１００は、今回「回路」として構成されているが、これを「モジュール」として構成することも可能である。

電力監視部１０１は一般的な手法のように低抵抗の電圧降下分を測定して電源の出力する出力電力を演算する部分である。

演算部１０２は上記の電力監視部１０１が演算した出力電力を入力電力に変換する演算回路である。

通信部１０３は演算部１０２で得られた入力電力をシステム（Ｌｏａｄ）３００に出力する機構である。なお、システム（Ｌｏａｄ）３００に出力するに際しては、例えばＩ２Ｃ＿Ｂｕｓを用いることが考えられるが、これはあくまで例示である。本実施形態においては、必ずしもＩ２Ｃ＿Ｂｕｓを用いる必要はない。

［動作の説明］
次に、本実施形態の動作を図２のフローチャートを参照して説明する。

本発明の実施形態である電源監視回路１００は電源の出力側に実装される。

まず、監視部１０１が電源から出力される電圧Ｖｏおよび低抵抗Ｒカソード電圧Ｖｒを検知し電流Ｉｏ＝（Ｖｏ−Ｖｒ）／Ｒを測定する（ステップＳ１０）。そして、監視部１０１は、この測定結果より電源の出力電力Ｐｏ＝Ｖｏ＊Ｉｏを計算する（ステップＳ１１）。

次に、演算部１０２がプログラムに応じて出力電力Ｐｏを入力電力Ｐｉに変換する（ステップＳ１２）。

変換プログラムに関しては図３のような一般的な電源の効率曲線を別途実測にて求め、効率Ｅを用いてＰｉ＝Ｐｏ／Ｅで変換動作を行う。

本実施形態では特にこの変換プログラムＩＣに関して、図４のような入力電力Ｐｉと出力電力Ｐｏの関係モデルを提案する。

この関係モデルについて説明する。電源の損失成分には定数損失成分Ｌｘと最大定格のａ（％）で電源を駆動した場合の出力電力に応じて変化する損失成分Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝があると仮定する。

なおここでは１次関数近似のため、Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝は出力電力に比例する損失とする。この点、実際のところＬＥＤやＩＣの動作に必要な出力電力に依存することなく消費される駆動電力や出力電力に応じて変化する内部損失が電源回路には存在する傾向にある。

まずは定数損失成分Ｌｘを出力電力Ｐｏ＝０（Ｗ）の時の入力電力Ｐｉを測定し、Ｌｘ＝Ｐｉ｛Ｐｏ＝０｝より求める。

１００Ｖ／２００Ｖ系の両環境内で使用する場合は電源回路内のＰＦＣ効率を考慮するため複数の常用入力電圧にて測定し、その平均値にてＬｘを求める。

次に出力電圧に応じて変化する損失成分Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝を求める。

出力電力最大定格時（Ｐｏ｛Ｐｏ＝１００｝）の入力電力Ｐｉ｛Ｐｏ＝１００｝を測定し、次式により最大出力時のＬｙ｛Ｐｏ＝１００｝を求める。

Ｌｙ｛Ｐｏ＝１００｝＝Ｐｉ｛Ｐｏ＝１００｝−Ｐｏ｛Ｐｏ＝１００｝−Ｌｘ
これよりＬｙ｛Ｐｏ＝ａ｝はＬｙ｛Ｐｏ＝ａ｝＝Ｌｙ｛Ｐｏ＝１００｝／Ｐｏ｛Ｐｏ＝１００｝＊Ｐｏの関数となる。

よって入力電力Ｐｉと出力電力Ｐｏの関係は、Ｐｉ＝（１＋Ｌｙ｛Ｐｏ＝１００｝／Ｐｏ｛Ｐｏ＝１００｝）Ｐｏ＋Ｌｘで表すことができる。

実際に上記補正式を用いて図３の効率曲線を近似した一実現例のシミュレーション結果を図５に示す。

これより極低負荷を除く実領域電力において誤差５％以内での入力電力監視が可能であるシミュレーション結果より得られ、実用性に関して指針を示すことができた。

最後に上記の（ステップＳ１２）ようにして演算部１０２で求めた入力電力情報などを通信部１０３にてＩ２Ｃ＿Ｂｕｓなどを用いてシステム側へ通信する（ステップＳ１３）。

なお、上述の実施形態を実施するにあたり、演算部１０２に大容量のＩＣもしくはマイクロコントローラを用いることができる場合、任意関数である電源の入出力効率曲線を乱数表でプログラムする手法や最小２乗法で高次関数に近似してプログラムすることにより、より監視誤差の精度を高めることができる。

本発明の実施形態により従来の既存電源では困難な入力電力を後付で手軽に監視可能となる。

なお、本発明の実施形態である電源監視回路は、ハードウェアにより実現することもできるが、コンピュータをその電源監視回路として機能させるためのプログラムをコンピュータがコンピュータ読み取り可能な記録媒体から読み込んで実行することによっても実現することができる。

また、本発明の実施形態による電源監視方法は、ハードウェアにより実現することもできるが、コンピュータにその方法を実行させるためのプログラムをコンピュータがコンピュータ読み取り可能な記録媒体から読み込んで実行することによっても実現することができる。

また、上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

本発明は非常に簡素で安価な構成で既存のシステムに適応ができる。一例としては、入力電力の監視は高集積のサーバ運用などに際して、カスタマーの電力設備のブレーカ容量に対してリアルタイムで電力の管理が可能となる、といった利用が考えられる。

１００電力監視回路
１０１電力監視部
１０２演算部
１０３通信部
２００ＡＣ／ＤＣ電源回路
３００システム（Ｌｏａｄ）

Claims

監視対象となる電源回路の２次側の出力電力を読み取る電力監視手段と、
前記電力監視部が読み取った前記出力電力を、前記電源回路の１次側の入力電力に変換する演算手段と、
前記演算手段が変換した前記１次側の入力電力を通知する通信手段と、を備え、
前記電源回路の１次側には測定機構を有していないことを特徴とする監視装置。
請求項１に記載の監視装置において、
予め求めてある定数損失成分と、前記出力電力に応じて変化する損失成分と、を用いることにより補正式を作成し、前記演算手段における変換は、前記補正式を用いることにより行われることを特徴とする監視装置。
請求項１又は２に記載の監視装置において、
前記定数損失成分は、以下の数式
Ｌｘ＝Ｐｉ｛Ｐｏ＝０｝
但し、
Ｌｘ＝定数損失成分［Ｗ］
Ｐｉ＝前記電源回路の入力電力［Ｗ］
Ｐｏ＝前記電源回路の出力電力［Ｗ］
Ｐｉ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）のときの入力電力Ｐｉ［Ｗ］
によって算出することを特徴とする監視装置。
請求項１乃至３の何れか１項に記載の監視装置において、
前記出力電力に応じて変化する損失成分は、以下の数式
Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝＝Ｌｙ｛Ｐｏ＝１００｝／Ｐｏ｛Ｐｏ＝１００｝＊Ｐｏ
但し、
Ｉｏ＝前記電源回路の出力電流［Ａ］
Ｐｏ＝前記電源回路の出力電力［Ｗ］
Ｐｉ＝前記電源回路の入力電力［Ｗ］
Ｌｘ＝定数損失成分［Ｗ］
Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の損失成分［Ｗ］
Ｐｏ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の出力電力Ｐｏ［Ｗ］
によって算出することを特徴とする監視装置。
請求項１乃至４の何れか１項に記載の監視装置において、
前記入力電力と前記出力電力の関係は、以下の数式
Ｐｉ＝（１＋Ｌｙ｛Ｐｏ＝１００｝／Ｐｏ｛Ｐｏ＝１００｝）Ｐｏ＋Ｌｘ
但し、
Ｉｏ＝前記電源回路の出力電流［Ａ］
Ｐｏ＝前記電源回路の出力電力［Ｗ］
Ｐｉ＝前記電源回路の入力電力［Ｗ］
Ｌｘ＝定数損失成分［Ｗ］
Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の損失成分［Ｗ］
Ｐｏ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の出力電力Ｐｏ［Ｗ］
によって表すことができることを特徴とする監視装置。
監視対象となる電源回路の２次側の出力電力を読み取る電力監視ステップと、
前記電力監視部が読み取った前記出力電力を、前記電源回路の１次側の入力電力に変換する演算ステップと、
前記演算ステップが変換した前記１次側の入力電力を通知する通信ステップと、を備え、
前記電源回路の１次側については直接測定しないことを特徴とする監視方法。
請求項６に記載の監視方法において、
予め求めてある定数損失成分と、前記出力電力に応じて変化する損失成分と、を用いることにより補正式を作成し、前記演算ステップにおける変換は、前記補正式を用いることにより行われることを特徴とする監視方法。
請求項６又は７に記載の監視方法において、
前記定数損失成分は、以下の数式
Ｌｘ＝Ｐｉ｛Ｐｏ＝０｝
但し、
Ｌｘ＝定数損失成分［Ｗ］
Ｐｉ＝前記電源回路の入力電力［Ｗ］
Ｐｏ＝前記電源回路の出力電力［Ｗ］
Ｐｉ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）のときの入力電力Ｐｉ［Ｗ］
によって算出することを特徴とする監視方法。
請求項６乃至８の何れか１項に記載の監視方法において、
前記出力電力に応じて変化する損失成分は、以下の数式
Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝＝Ｌｙ｛Ｐｏ＝１００｝／Ｐｏ｛Ｐｏ＝１００｝＊Ｐｏ
但し、
Ｉｏ＝前記電源回路の出力電流［Ａ］
Ｐｏ＝前記電源回路の出力電力［Ｗ］
Ｐｉ＝前記電源回路の入力電力［Ｗ］
Ｌｘ＝定数損失成分［Ｗ］
Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の損失成分［Ｗ］
Ｐｏ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の出力電力Ｐｏ［Ｗ］
によって算出することを特徴とする監視方法。
請求項６乃至９の何れか１項に記載の監視方法において、
前記入力電力と前記出力電力の関係は、以下の数式
Ｐｉ＝（１＋Ｌｙ｛Ｐｏ＝１００｝／Ｐｏ｛Ｐｏ＝１００｝）Ｐｏ＋Ｌｘ
但し、
Ｉｏ＝前記電源回路の出力電流［Ａ］
Ｐｏ＝前記電源回路の出力電力［Ｗ］
Ｐｉ＝前記電源回路の入力電力［Ｗ］
Ｌｘ＝定数損失成分［Ｗ］
Ｌｙ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の損失成分［Ｗ］
Ｐｏ｛Ｐｏ＝ａ｝＝前記電源回路の最大定格に対してＰｏ＝ａ（％）の時の出力電力Ｐｏ［Ｗ］
によって表すことができることを特徴とする監視方法。