JP6079923B2 - 電源システム、制御方法及び制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、電源システム、制御方法及び制御プログラムに関し、特に、複数の電源ユニットを備える電源システム、制御方法及び制御プログラムに関する。

近年、セキュリティや災害対策などのリスク管理への関心の高まりから、データセンタの市場規模は年々増加を続けており、データセンタの情報処理を担うサーバなどの消費電力量は飛躍的に増大している。一方で、地球温暖化防止に向けた政府や机上の取り組みも加速しており、これら情報処理機器の省電力化が大きな課題になっている。

このような背景の下、サーバなどの情報処理機器の省電力化に向けた技術開発もさまざまな方式で実施されている。その方式の一つとして、冗長化された電源ユニット（ＰＳＵ：Power Supply Unit）において、負荷に応じて電源ユニットの給電効率が最大となるように、電源ユニットの稼動数を制御する方式が実施されている（例えば、特許文献１を参照）。

なお、冗長化された電源ユニットを有する関連する技術として特許文献２、３や４も知られている。

特開２００９−２０１２４４号公報 特開２０１１−１６０５９６号公報 特開２００９−０５５６８６号公報 特開平１１−１３６９４４号公報

しかしながら、上記のように省電力化のために冗長化された電源ユニットの稼動数を制御する場合、電源ユニットの冗長性が確保されない状態となり、システムの信頼性が低下するという問題がある。

例えば、冗長電源を有するサーバにおいて、ＰＳＵの高効率運転による省電力を目的に、負荷状況に応じて必要なＰＳＵだけを出力させ、その他のＰＳＵをスタンバイ(出力停止）にする機能が実現されている（以降、Cold Redundancyと呼ぶ)。しかし、現在のCold Redundancyにおいては、ＰＳＵで電流異常・電圧異常となる故障が発生した場合には、ＰＳＵの安全機構により、ＰＳＵは出力を遮断してしまうため、システムダウンとなっていた。

本発明の目的は、このような問題を解決するため、システムの信頼性低下を抑止する電源システム、制御方法及び制御プログラムを提供することにある。

本発明に係る電源システムは、並列接続されて負荷へ電力を供給する複数の電源ユニットと、前記複数の電源ユニットのうち稼働中の複数の電源ユニットの電力供給動作状態の比較結果に基づいて、前記複数の電源ユニットのうち停止中の電源ユニットを稼働させる制御部と、を備えるものである。

本発明に係る電源システムの制御方法は、並列接続されて負荷へ電力を供給する複数の電源ユニットを備える電源システムの制御方法であって、前記複数の電源ユニットのうち稼働中の複数の電源ユニットの電力供給動作状態を比較し、前記比較した電力供給動作状態の差分に基づいて、前記複数の電源ユニットのうち停止中の電源ユニットを稼働させるものである。

本発明に係る電源システムの制御プログラムは、並列接続されて負荷へ電力を供給する複数の電源ユニットを備える電源システムの制御処理をコンピュータにさせる電源システムの制御プログラムであって、前記電源システムの制御処理は、前記複数の電源ユニットのうち稼働中の複数の電源ユニットの電力供給動作状態を比較し、前記比較した電力供給動作状態の差分に基づいて、前記複数の電源ユニットのうち停止中の電源ユニットを稼働させるものである。

本発明によれば、システムの信頼性低下を抑止することが可能な電源システム、制御方法及び制御プログラムを提供することができる。

本発明に係る電源システムの特徴を説明するための構成図である。 実施の形態１に係る電源システムの構成を示す構成図である。 実施の形態１に係る電源システムの動作を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る電源システムの動作を説明するための説明図である。 実施の形態１に係る電源システムの動作を説明するための説明図である。

（本発明の特徴）
本発明の実施の形態の説明に先立って、図１を用いて、本発明の特徴についてその概要を説明する。

図１に示すように、本発明に係る電源システム１は、並列接続されて負荷３０へ電力を供給する複数の電源ユニット（ＰＳＵ）２１〜２４と、複数の電源ユニット２１〜２４のうち稼働中の複数の電源ユニットの電力供給動作状態の比較結果に基づいて、複数の電源ユニット２１〜２４のうち停止中の電源ユニットを稼働させる制御部（後述の監視制御部に相当）１０と、を備えることを主要な特徴としている。電力供給動作状態とは、例えば、電流値や内部温度などであり、電源ユニットの電力供給動作（能力）が不安定になることによって変動する状態である。

本発明によれば、複数の電源ユニットの電流値や内部温度等の状態を比較した結果に基づいて、停止中の電源ユニットを稼働させるため、システムダウンを予防し、システムの信頼性を向上させることができる。

すなわち、省電力を目的として冗長化された電源ユニットについて、負荷に応じて稼動数を制限する冗長電源制御において、ＰＳＵの状態を監視して故障の予兆を捕らえ、ＰＳＵが出力断に至る前に制限していた稼動数を全数運転に変更し、ＰＳＵの冗長性を確保することで、ＰＳＵ故障によるシステムダウンを予防することができる。

関連する技術として、上記Cold Redundancyのような信頼性低下の課題に対し、システムの信頼性を維持する方式が知られていた。例えば特許文献１では、電源ユニットの出力側に無停電電源を設けて、瞬断時の不足分の電流を無停電電源から補償することで瞬低（瞬時電圧低下）を回避し、システムの安定動作を維持する方式が提案されている。

しかしながら、この方式は各電源ユニットの出力に無停電電源を用意する必要があるため、市販の電源ユニットに適用することが困難であることからコストがかかり、機器の小型化も出来なくなってしまう。

そこで、本発明は、コスト低減を図るとともに、市販の電源ユニットに適用でき低コストでサーバの信頼性を向上させるために、電源ユニットの故障の予兆を捕らえ、故障前に電源の冗長性を確保することで、電源ユニットの故障による瞬低時でもシステムダウンに至らない方式を可能にする。

つまり、本発明では、ＰＳＵ外部（装置側）でＰＳＵの吸排気温度、ＰＳＵの出力電流、電圧を監視し、各数値が一つでも異常値を示した時にＨＷが全ＰＳＵの出力を強制的にオン（Cold Redundancyから復帰）させることで、ＰＳＵが故障に至る前に冗長性を確保し、システムダウンを回避する。

具体的には、例えばサーバのＰＳＵは４台（ＰＳＵ２１〜２４）で構成されていて、各ユニットは給電バスを通じて負荷３０に繋がっている。ここで負荷３０とは、電力を消費する要素でＣＰＵやメモリ、ＨＤＤといったサーバの構成要素でＰＳＵから電力供給を受けて動作する要素全ての総称である。この４台のＰＳＵ２１〜２１４は、制御部１０（監視回路）の電流センサで各ＰＳＵの出力電流を監視し、温度センサでＰＳＵ２１〜２４の温度を監視し、電圧センサでＰＳＵの出力電圧を監視するようにしている。

いま、４台のＰＳＵ２１〜２４のうち、負荷電流が小さいために２台のＰＳＵ（例えば２１，２２）だけで電力を供給できるとした場合、かつ、ＰＳＵの高効率運転のために残りの２台（例えば２３，２４）は出力を停止させている（Cold Redundancyモード中）場合、稼動している稼動している２台のＰＳＵについて、電流センサで出力電流の差を監視し、温度センサで２台のＰＳＵ間の温度の差を監視し、電圧センサで出力電圧を監視する。

通常は、ＰＳＵ２１，２２が出力のバランスを保っているため、ＰＳＵ２１，２２が出力する電流の差はほぼゼロである。同様に、温度についてもほぼ温度差はゼロである。もし、ＰＳＵ２１，２２に何らかの以上が発生して出力が不安定になった場合、ＰＳＵ２１，２２は出力のバランスを保つことが出来なくなるために、ＰＳＵ間の出力電流の差が変化する（電流値の差が大きくなる）。また、ＰＳＵの動作状態も変化するため、ＰＳＵの内部温度も変化が生じる。さらに、出力の電圧も不安定になる場合もある。

制御部１０（監視回路）は、ＰＳＵ間の出力電流の差や温度の差をあらかじめ設定した閾値と比較するようにしておき、この差が閾値を越えたり、電圧値が閾値を越えたりした事を検出すると、これがＰＳＵ故障の予兆であると判断して、全てのＰＳＵ２１〜２４の出力をオンにし、ＰＳＵの冗長性を確保する。

このような制御により、負荷電流に応じて必要最低限のＰＳＵのみで電力を供給し、不要なＰＳＵの出力を停止するようなCold Redundancy制御を行った場合でも、ＰＳＵ故障によるシステムダウンの可能性が低減でき、さらに、コストを低減することも可能となる。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して実施の形態１について説明する。図２は、本実施の形態に係る電源システム１の構成を示している。

図２に示すように、電源システム１は、負荷３０、４台のＰＳＵ２１〜２４、ＰＳＵ２１〜２４を監視する監視制御部１０から構成される。なお、ＰＳＵは４台に限らず任意の台数設けてもよい。

負荷３０は、例えば、サーバの負荷であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＩＭＭ（Dual Inline Memory Module）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等、ＰＳＵ２１〜２４から供給される電力を受けて動作する要素である。

４台のＰＳＵ２１〜２４は、給電バス２０を介して負荷３０と並列接続され、給電バス２０を介して稼働中のＰＳＵ１２〜２４から負荷３０へ電力が供給される。例えば、給電バス２０は、ＰＳＵ２１〜２４からそれぞれ給電する個別バス配線２０ａ〜２０ｄと、個別バス配線２０ａ〜２０ｄと共通接続され負荷３０へ給電する共通バス配線２０ｅとを含んでいる。

ＰＳＵ２１〜２４は、負荷３０へ電源を供給するための冗長構成の電源ユニットであり、例えばCold Redundancy機能によって、負荷３０側が消費する電力量に応じて、ＰＳＵの給電効率が最大となるようにＰＳＵの稼動台数を制御している。図２の例では、４台のＰＳＵのうちＰＳＵ２１とＰＳＵ２２の２台が稼働中であり、ＰＳＵ２３とＰＳＵ２４の２台が出力を停止している。

監視制御部１０は、複数の電流センサ１１、電流監視部１２、複数の温度センサ１３、温度監視部１４、電圧センサ１５、電圧監視部１６、ＰＳＵ出力制御部１７から構成される。例えば、監視制御部１０は、稼働中のＰＳＵのみの電流や温度を測定するため、ＰＳＵ２１〜２４の稼働状態（稼働中もしくは停止中）を検出可能な構成を有している。

複数の電流センサ１１は、ＰＳＵ２１〜２４が給電する給電バス２０（個別バス配線２０ａ〜２０ｄ）に接続されており、ＰＳＵ２１〜２４のそれぞれの出力電流を計測する。例えば、電流センサ１１は、給電バス２０（個別バス配線２０ａ〜２０ｄ）の配線抵抗等に生じる電圧をもとに電流を測定する。なお、電流センサ１１は、監視制御部１０の外部に設けていてもよい。

電流監視部１２は、稼動しているＰＳＵ２１〜２４の出力電流の差を計算し、計算された電流差とあらかじめ設定した電流値差の閾値とを比較する。例えば、電流監視部１２は、電流差計算部１２１、電流差閾値記憶部１２２、電流差比較部１２３から構成される。電流差計算部１２１は、電流センサ１１が測定したＰＳＵ１２〜２４のうち稼働中のＰＳＵの電流の差を計算する。電流差閾値記憶部１２２は、予め電流差の閾値を記憶する。電流差比較部１２３は、電流差計算部１２１が計算した電流差と電流差閾値記憶部１２２の電流差閾値とを比較し、比較結果に基づいてＰＳＵ出力制御部１７へアラームを出力する。

複数の温度センサ１３は、ＰＳＵ２１〜２４の内部等に接続されており、ＰＳＵ２１〜２４のそれぞれの内部温度を計測する。なお、温度センサ１３はＰＳＵ２１〜２４の内部に設けられていてもよい。

温度監視部１４は、稼動しているＰＳＵ２１〜２４の内部温度の差を計算し、計算された温度差とあらかじめ設定した温度差の閾値とを比較する。例えば、温度監視部１４は、温度差計算部１４１、温度差閾値記憶部１４２、温度差比較部１４３から構成される。温度差計算部１４１は、温度センサ１３が測定したＰＳＵ１２〜２４のうち稼働中のＰＳＵの電流の差を計算する。温度差閾値記憶部１４２は、予め温度差の閾値を記憶する。温度差比較部１４３は、温度差計算部１４１が計算した温度差と温度差閾値記憶部１４２の温度差閾値とを比較し、比較結果に基づいてＰＳＵ出力制御部１７へアラームを出力する。

電圧センサ１５は、負荷３０へ給電する給電バス２０（共通バス配線２０ｅ）に接続されており、ＰＳＵ２１〜２４の出力電圧を監視する。なお、電圧センサ１５は、監視制御部１０の外部に設けていてもよい。

電圧監視部１６は、ＰＳＵ２１〜２４の出力電圧とあらかじめ設定した電圧閾値とを比較する。例えば、電圧監視部１６は、電圧閾値記憶部１６１と電圧比較部１６２から構成される。電圧閾値記憶部１６１は、予め出力電圧の閾値を記憶する。電圧比較部１６２は、電圧センサ１５が測定したＰＳＵ２１〜２４の出力電圧と電圧閾値記憶部１６１の電圧閾値とを比較し、比較結果に基づいてＰＳＵ出力制御部１７へアラームを出力する。

ＰＳＵ出力制御部１７は、電流監視部１２・温度監視部１４・電圧監視部１６からのアラームを受け、このアラームにしたがってＰＳＵ２１〜２４へＰＳＵ強制オン信号を出力して、全てのＰＳＵ２１〜２４の出力を強制的にオンにする。ＰＳＵ出力制御部１７は、少なくとも停止中のＰＳＵを稼働中とするように制御し、さらに、全てのＰＳＵを稼働中とすることで、確実にシステムを安定動作させ、信頼性を向上させることができる。

なお、監視制御部１０の各部は、ハードウェア又はソフトウェア、もしくはその両方によって構成される。また、監視制御部１０の各部を、ＣＰＵやメモリ等を有するコンピュータにより実現してもよい。例えば、監視制御部１０の各部を、本実施の形態に係る電源制御プログラムをＣＰＵで実行することにより実現してもよい。

図３〜図５を用いて、本実施の形態に係る電源システム１の動作について説明する。図３のフローチャートは、電源システム１の動作の流れ、すなわち、電源システム１の電源制御方法（電源制御処理）を示している。

図３に示すように、ＰＳＵ２１〜２４により電源供給が開始されると、監視制御部１０は、電流監視制御（Ｓ１０）、温度監視制御（Ｓ２０）、電圧監視制御（Ｓ３０）を行う。

電流監視制御（Ｓ１０）では、まず、電流センサ１１がＰＳＵ２１〜２４の出力電流を測定し、電流差計算部１２１へ出力する（Ｓ１１）。次いで、電流差計算部１２１は、電流センサ１１が測定した電流の差を計算し、電流差比較部１２３へ出力する（Ｓ１２）。次いで、電流差比較部１２３は、電流差計算部１２１が計算したＰＳＵ２１〜２４の電流差と電流差閾値記憶部１２２の電流差閾値とを比較し、計算した電流差が電流差閾値よりも大きいかどうか判定する（Ｓ１３）。

このとき、計算した電流差が電流差閾値よりも小さい場合は、Ｓ１１以降の電流測定及び電流差判定を繰り返す。また、計算した電流差が電流差閾値よりも大きい場合は、電流差比較部１２３は、ＰＳＵ２１〜２４の故障の予兆であると判断し、アラームをＰＳＵ出力制御部１７へ出力する。そうすると、ＰＳＵ出力制御部１７、電流差比較部１２３からアラームを受けたため、ＰＳＵ２１〜２４へＰＳＵ強制オン信号を出力して、全てのＰＳＵ２１〜２４を強制的に稼働させる（Ｓ１４）。

また、温度監視制御（Ｓ２０）では、まず、温度センサ１３がＰＳＵ２１〜２４の内部温度を測定し、温度差計算部１４１へ出力する（Ｓ２１）。次いで、温度差計算部１４１は、温度センサ１３が測定したＰＳＵ２１〜２４の温度差を計算すし、温度差比較部１４３へ出力する（Ｓ２２）。次いで、温度差比較部１４３は、温度差計算部１４１が計算したＰＳＵ２１〜２４の温度差と温度差閾値記憶部１４２の温度差閾値とを比較し、計算した温度差が温度差閾値よりも大きいかどうか判定する（Ｓ２３）。

このとき、計算した温度差が温度差閾値よりも小さい場合は、Ｓ２１以降の温度測定及び温度差判定を繰り返す。また、計算した温度差が温度差閾値よりも大きい場合は、温度差比較部１４３は、ＰＳＵ２１〜２４の故障の予兆であると判断し、アラームをＰＳＵ出力制御部１７へ出力する。そうすると、ＰＳＵ出力制御部１７、温度差比較部１４３からアラームを受けたため、ＰＳＵ２１〜２４へＰＳＵ強制オン信号を出力して、全てのＰＳＵ２１〜２４を強制的に稼働させる（Ｓ１４）。

また、電圧監視制御（３０）では、まず、電圧センサ１５がＰＳＵ２１〜２４の出力電圧を測定し、電圧比較部１６２へ出力する（Ｓ３１）。次いで、電圧比較部１６２は、電圧センサ１５が測定したＰＳＵ２１〜２４の出力電圧と電圧閾値記憶部１６１の電圧閾値とを比較し、測定した出力電圧が電圧閾値よりも大きいかどうか判定する（Ｓ３２）。

このとき、測定した出力電圧が電圧閾値よりも小さい場合は、Ｓ３１以降の電圧測定及び電圧判定を繰り返す。また、測定した電圧が電圧閾値よりも大きい場合は、電圧比較部１６２は、ＰＳＵ２１〜２４の故障の予兆であると判断し、アラームをＰＳＵ出力制御部１７へ出力する。そうすると、ＰＳＵ出力制御部１７、電圧比較部１６２からアラームを受けたため、ＰＳＵ２１〜２４へＰＳＵ強制オン信号を出力して、全てのＰＳＵ２１〜２４を強制的に稼働させる（Ｓ１４）。

なお、ＰＳＵ２１〜２４は内部でも電圧監視をしており、ＰＳＵ２１〜２４は電圧異常を検出すると出力を遮断する。このため、電圧監視部１６の電圧閾値は、ＰＳＵ２１〜２４の内部で保持している閾値よりも低い値を設定値としておき、ＰＳＵ２１〜２４が出力遮断に至らない範囲で、異常発振等などの予兆を検出した場合に、全てのＰＳＵの出力がオンになるように制御する。

図４は、図３で示した電源システム１の動作の具体例であり、ＰＳＵ２１の異常により出力が不安定になった場合の動作例である。

図４において、ＰＳＵ２１の出力が不安定になる事象が発生した場合（Ｓ１０１）、ＰＳＵ２１とＰＳＵ２２の出力バランスが崩れるため（Ｓ１０２）、電流センサ１１で検出される電流値の差が拡大する（Ｓ１０３）。

電流監視部１２は、この電流値の差と電流差閾値とを比較しており、電流値の差が電流差閾値よりも大きくなると、ＰＳＵ出力制御部１７へアラームを通知する（Ｓ１０５）。ＰＳＵ出力制御部１７は、アラームを検出するとＰＳＵ故障の予兆と判断し、ＰＳＵ強制オン信号を発行し(Ｓ１０６)、停止していたＰＳＵ２３とＰＳＵ２４の出力がオンになる（Ｓ１０７）。

図５は、図３で示した電源システム１の動作の具体例であり、ＰＳＵ２１での何らかの異常により動作状態に偏りが生じ、温度に変化が現れた場合の動作である。

図５において、ＰＳＵ２１で何らかの異常により動作状態に偏りが生じる(Ｓ２０１)と、ＰＳＵの内部温度に差が表れる(Ｓ２０２)。その温度差を温度監視部１４の温度差計算部１４１で算出する（Ｓ２０３）。

温度監視部１４で、算出された温度差があらかじめ設定された温度差閾値を越えた場合（Ｓ２０４）、温度監視部１４はＰＳＵ故障の予兆と判断し、温度監視部１４からＰＳＵ出力制御部１７へアラームが通知される（Ｓ２０５）。ＰＳＵ出力制御部１７は、アラームを受けるとＰＳＵ強制オン信号を発行し（Ｓ２０６）、停止していたＰＳＵ２３とＰＳＵ２４の出力がオンになる(Ｓ２０７)。

以上のように本実施の形態では、稼働中のＰＳＵの電流や温度、電圧を比較した結果に基づいて、ＰＳＵの故障の予兆を検出し、全ＰＳＵを強制的にオンするようにした。従来のCold Redundancy制御では、出力が不安定になるような故障は検出することができず、冗長性が無いままＰＳＵが出力断になる故障に至ってしまい、システムダウンを回避できなかった。本実施の形態により、ＰＳＵの出力が不安定になるような故障時でも異常を検出して停止中のＰＳＵを稼働させるため、Cold Redundancyから復帰し冗長性を確保することができ、システムダウンの可能性が低減できるようになる。

また、特許文献１のように無停電源を用意する必要がないため、コスト削減や機器の小型化が可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 電源システム
１０ 監視制御部（制御部）
１１ 電流センサ
１２ 電流監視部
１３ 温度センサ
１４ 温度監視部
１５ 電圧センサ
１６ 電圧監視部
１７ ＰＳＵ出力制御部
２１〜２４ 電源ユニット（ＰＳＵ）
２０ 給電バス
２０ａ〜２０ｄ 個別バス配線
２０ｅ 共通バス配線
３０ 負荷
１２１ 電流差計算部
１２２ 電流差閾値記憶部
１２３ 電流差比較部
１４１ 温度差計算部
１４２ 温度差閾値記憶部
１４３ 温度差比較部
１４３ 温度差比較部
１６１ 電圧閾値記憶部
１６２ 電圧比較部

Claims (6)

1. 並列接続されて負荷へ電力を供給する複数の電源ユニットと、
   前記複数の電源ユニットのうち稼働中の複数の電源ユニット間の電力供給動作状態の比較結果に基づいて、前記複数の電源ユニットのうち停止中の電源ユニットを稼働させる制御部と、
   を備える電源システム。
2. 前記制御部は、前記比較結果に基づいて前記複数の電源ユニットの全てを稼働させる、
   請求項１に記載の電源システム。
3. 前記制御部は、前記複数の電源ユニットにより前記負荷へ出力される出力電圧と閾値とを比較し、前記出力電圧が当該閾値より大きい場合、前記停止中の電源ユニットを稼働させる、
   請求項１または２に記載の電源システム。
4. 前記出力電圧と比較される閾値は、前記複数の電源ユニットの内部において電圧異常を検出するための閾値よりも低い値である、
   請求項３に記載の電源システム。
5. 並列接続されて負荷へ電力を供給する複数の電源ユニットを備える電源システムの制御方法であって、
   前記複数の電源ユニットのうち稼働中の複数の電源ユニット間の電力供給動作状態を比較し、
   前記比較した電力供給動作状態の差分に基づいて、前記複数の電源ユニットのうち停止中の電源ユニットを稼働させる、
   電源システムの制御方法。
6. 並列接続されて負荷へ電力を供給する複数の電源ユニットを備える電源システムの制御処理をコンピュータにさせる電源システムの制御プログラムであって、
   前記電源システムの制御処理は、
   前記複数の電源ユニットのうち稼働中の複数の電源ユニット間の電力供給動作状態を比較し、
   前記比較した電力供給動作状態の差分に基づいて、前記複数の電源ユニットのうち停止中の電源ユニットを稼働させる、
   電源システムの制御プログラム。

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