JPWO2012014273A1 - 情報処理システム、無停電電源システムおよび処理割り当て制御方法 - Google Patents

Abstract

タスクを分散して処理する複数の情報処理装置と、複数の情報処理装置に対応して設けられ、対応する情報処理装置に直流電力を供給する複数の電源装置と、複数の情報処理装置に対応して設けられ、対応する電源装置からの直流電力をバックアップする複数の蓄電装置と、を備えた情報処理システムにおいて、複数の蓄電装置の充電状態に応じて、タスクを複数の情報処理装置に割り当てる演算部を設け、複数の直流機器の電力消費を管理することにより電源装置の出力容量を大きくすることなく蓄電装置の充電電力の確保を可能とする。

Description

本発明は、無停電電源システムにより電源が供給される情報処理システム、無停電電源システムおよび処理割り当て制御方法に関する。

入力電源が断になった場合でも、一定時間、接続されている機器に対して、停電することなく電力を供給し続ける無停電電源装置（システム）が広く使用されている。

例えば、コンピュータシステムは、商用電源から電力供給を受けるのが一般的である。コンピュータシステムは、瞬時でも電源が断になると大規模な故障を生じるため、接続している商用電源が断になった時にでも、瞬時電圧低下や停電がコンピュータシステムに対して起こらないように、無停電電源システムが使用される。コンピュータシステムのほかにも、瞬時でも電源が断になると大規模な故障を生じるものには、病院、プラントなどの施設、およびそのような施設で使用される医療機器、制御機器、センサなど、各種存在する。このような施設および機器は、無停電電源システムを備えるのが一般的である。以下、インターネットデータセンター（ＩＤＣ）を例として説明を行うが、以下の説明は、これに限定されるものではない。インターネットデータセンター（ＩＤＣ）は、複数のプロセッサユニットを有し、処理を並列に実行するコンピュータシステムを有する。

無停電電源システムは、電力を蓄え、電力供給が断になった時に、蓄えた電力を機器に供給することにより、機器への電力供給を維持する。電力を蓄えるには、二次電池や電気二重層キャパシタなどを使用するが、いずれも直流電力であることが必要である。以下、二次電池や電気二重層キャパシタなどをまとめて二次電池と称する。さらに、無停電電源装置全体を、ＵＰＳ(Uninterruptible Power Supply)と呼ぶ場合もあるが、電力を蓄える部分をＵＰＳと呼ぶ場合もある。以下の説明では、電力を蓄える蓄電装置をＵＰＳと称する。

無停電電源システムには、交流（ＡＣ）給電のものと直流（ＤＣ）給電のものがある。施設全体の電源を無停電電源システムにする場合には、施設内での配電などを考慮して交流給電の無停電電源システムが使用される。しかし、施設全体の電源を無停電電源システムにする場合、システムの容量および重要が非常に大きくなる。例えば、インターネットデータセンター（ＩＤＣ）全体の電源を無停電電源システムにする場合、１階分のフロアーに無停電電源システムを設け、その隣接階にコンピュータシステムを設けるということが行われている。

交流給電の無停電電源システムは、交流（ＡＣ）の商用電力を、一旦直流（ＤＣ）電力に変換し、ＤＣ電力の出力にＵＰＳを接続する。そして、ＤＣ電力の出力は、ＡＣ電力に変換されて、ＡＣ電力の形で各部に供給される。ＡＣ電力が供給される機器（プロセッサユニット）は直流で動作するため、供給されたＡＣ電力は、再度ＤＣ電力に変換されて機器（プロセッサユニット）に供給される。したがって、インターネットデータセンター（ＩＤＣ）で交流給電の無停電電源システムを使用する場合には、ＡＣ／ＤＣ変換、ＤＣ／ＡＣ変換およびＡＣ／ＤＣ変換の３回の変換が行われることになる。そのため、ＡＣ給電は、変換に伴う電力ロスが大きく、低効率であるという問題があった。また、ＵＰＳが大型であるという問題もあった。

ここでは、交流（ＡＣ）電力が供給される機器を交流機器と称し、直流（ＤＣ）電力が供給され、直流（ＤＣ）電力で動作する機器を直流機器と称する。なお、内部に直流系統部を有する交流機器は、外部から交流電力が供給され、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器を内部に有する。交流機器の内部に設けられた直流系統部を直流機器と称する場合がある。

インターネットデータセンター（ＩＤＣ）の省電力化・環境負荷低減に向けて、直流給電や電力負荷平準化に関する技術開発が進められている。

直流給電は、ＡＣ商用電力をＤＣ電力に変換し、ＤＣ電力の出力にＵＰＳを接続し、ＤＣ電力を機器（プロセッサユニット）に供給する。この場合のＵＰＳをＤＣ−ＵＰＳと称する。この場合には、変換は１回であり、変換に伴う電力ロスを低減できるので省電力化が図れる。しかし、ＡＣ電力からＤＣ電力への変換器から各直流機器に直流電力を供給するため、電圧降下や配電に伴う電力ロスが問題である。

一方、電力負荷平準化とは、環境負荷は低いが出力制御が難しい再生エネルギー・原子力由来の系統電力を機器の消費電力変動とマッチングさせるため、大容量の蓄電装置を併設して系統・消費電力の変動を蓄電装置の充放電により補償・抑制する技術である。

これらの直流給電や電力負荷平準化技術を実現するため、交流機器内部の直流系統部に蓄電装置を設置する直流給電型の無停電電源装置（ＤＣ−ＵＰＳ）がある。ＤＣ−ＵＰＳは、交流機器に設けられたＡＣ／ＤＣ変換器からの直流電力で充電され、ＤＣ−ＵＰＳからの放電電力は直流電力として変換なしに機器内の直流系統部に供給される。この給電方式によれば、ＩＤＣ全体への給電を直流化せずに、大型情報機器内部で直流給電が実現でき、省電力化が可能となる。また、この給電方式によれば、ＤＣ−ＵＰＳは、二次電池と充放電制御回路のみを有するのみで、ＤＣ／ＡＣ変換回路が不要となり、その分の空きスペースに蓄電装置を増設することによって大型情報機器のバックアップ及び電力負荷平準化が可能な電力容量のＵＰＳを実現することが可能となる。

上記のように、ＡＣ給電の場合、施設に供給されるＡＣ電力は、一旦交流給電型の無停電電源装置（ＡＣ−ＵＰＳ）を媒介して交流機器に供給され、交流機器内部（内蔵電源ユニット）でＡＣ／ＤＣ変換される。ＤＣ電力は、さらに機器駆動電圧に対応したＤＣ／ＤＣ変換によって所望の電圧のＤＣ電力に変換された後、機器内部の直流系統部に供給される。

一方、ＤＣ給電の場合、施設に供給されるＡＣ電力は、交流機器に直接供給され、交流機器内部（内蔵電源ユニット）でＡＣ／ＤＣ変換された直流電力を引き出してＤＣ−ＵＰＳに接続される。ＤＣ−ＵＰＳの直流出力は、ＤＣ／ＤＣ変換部に供給されて、機器内部の駆動電圧に対応した所望の電圧のＤＣ電力に変換された後、機器内部の直流系統部に供給される。

特開２０００−２９３９２３ 特開２０００−０１４０４３

ＵＰＳは、バックアップ機能の目的から、蓄電装置が常時満充電の状態にあることが要求される。もし何らかの障害により蓄電装置が満充電の状態でなくなった時には、速やかに満充電の状態に復帰することが必要である。

ＵＰＳの充電電力は、ＡＣ−ＵＰＳでは充分な電力供給力を持つ構内向け交流電力を使用するのに対し、ＤＣ−ＵＰＳでは内蔵電源ユニットの最大出力容量から機器の消費電力を減じた余剰電力を使用することになる。しかし、交流機器に元来備えられる内蔵電源ユニットの最大出力容量は内蔵される直流機器（直流系統部）の最大消費電力に適合するように設計されているため、内蔵直流機器が最大消費電力で動作しているときには余剰電力は殆ど生じない。このような内蔵電源ユニットのＤＣ出力を利用するようにＤＣ−ＵＰＳを設置するとＤＣ−ＵＰＳへの充電電力は直流機器の動作状態（＝電力消費）に大きく依存することとなる。そのため、ＤＣ−ＵＰＳの充電時間が安定化せず機器のバックアップ機能や電力負荷平準化機能の実現が難しくなる。

また、ＤＣ−ＵＰＳへの充電電力を充分確保するために最大出力容量をアップした新規な内蔵電源ユニットを適用する場合においても、最大出力容量の向上はユニットの大型化を伴うため機器の互換性が損なわれることとなる。

このように、省電力化および電力負荷平準化を図る上で、内蔵電源ユニットを大型化せずにＤＣ−ＵＰＳが十分なバックアップ機能を達成できることが望まれていた。

発明の一観点によれば、複数の情報処理装置と、複数の情報処理装置のいずれかに直流電力を供給する複数の蓄電装置と、複数の蓄電装置に直流電力を供給する複数の電源装置と、複数の蓄電装置のいずれかの充電状態と、電装置から直流電力を供給される情報処理装置で処理するタスク量とに応じて、情報処理装置で処理するタスクを蓄電装置から直流電力を供給されていない情報処理装置に割り当てる演算部と、を備えた情報処理システムが提供される。

発明の別の観点によれば、協働して処理を実行する複数の直流機器に対応して設けられ、対応する直流機器に直流電力を供給する複数の電源装置と、複数の直流機器に対応して設けられ、対応する電源装置からの直流電力をバックアップする複数の蓄電装置と、複数の蓄電装置の充電状態に応じて、処理を複数の直流機器に割り当てる制御部と、を備えた無停電電源システムが提供される。

発明のさらに別の観点によれば、対応する複数の電源装置から直流電力が供給され、直流電力が対応する複数の蓄電装置によりそれぞれバックアップされる複数の直流機器に、協働して実行する処理を割り当てる処理割り当て制御方法であって、複数の蓄電装置の充電状態に応じて、処理を複数の直流機器に割り当てる処理割り当て制御方法が提供される。

発明の観点によれば、充電状態の不十分な蓄電装置に対応する情報処理装置（直流機器）には、少ないタスク（負荷）量を割り当てるように制御するため、情報処理装置（直流機器）における消費電力が少なくなる。したがって、内蔵電源ユニットの最大出力容量から機器の消費電力を減じた余剰電力を大きくでき、充電状態の不十分な蓄電装置を短時間で満充電状態にすることが可能である。

図１は、実施例のインターネットデータセンター（ＩＤＣ）を形成する交流機器の構成を示す図である。 図２は、実施例の交流機器の外観図である。 図３は、実施例の交流機器における演算部として動作する直流機器の制御を示すフローチャートである。 図４は、実施例の交流機器において、３系統のＤＣ−ＵＰＳの蓄電装置がすべて満充電状態にあり、且つ電力消費が小さい状態で安定的な動作を行っている場合の動作例を示す。 図５は、実施例の交流機器において、１系統の蓄電装置の充電容量が低下し、他の２系統の蓄電装置の充電容量は満充電状態にある場合の、直流機器へのタスク（負荷）の振り分けを示す図である。 図６は、実施例の交流機器において、全系統の蓄電装置の充電容量が低下した場合の、直流機器へのタスク（負荷）の振り分けを示す図である。

以下、インターネットデータセンター（ＩＤＣ）を例として説明を行うが、以下の説明は、これに限定されるものではない。

図１は、実施例のインターネットデータセンター（ＩＤＣ）を形成する交流機器１の構成を示す図である。１台の交流機器１でＩＤＣを形成しても、複数台の交流機器１でＩＤＣを形成してもよい。

図１に示すように、交流機器１は、ｎ系統の電源装置（ユニット）１０−１〜１０−ｎおよびＤＣ−ＵＰＳ２０−１〜２０−ｎの組と、複数の直流機器と、を有する。複数の直流機器は、ｎ系統の電源ユニット１０−１〜１０−ｎに対応したｎ系統の組に分かれ、各系統の直流機器の組は、ｍ個の直流機器を有する。ここでは、直流機器３０−ｉ−ｊは、ｎ系統のうちのｉ番目の組に属するｊ番目の直流機器を示す。

電源ユニット１０−１〜１０−ｎには、交流装置１に外部から供給される交流（ＡＣ）入力が供給される。ＡＣ入力は、例えば商用ＡＣ電力である。各電源ユニット１０は、ＡＣ／ＤＣ変換器１１と、第１ＤＣ電源線１２と、電力消費監視部１３と、第２ＤＣ電源線１４と、ｍ個のＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍと、を有する。ＡＣ／ＤＣ変換器１１は、ＡＣ商用電力を所定の電圧のＤＣ電力に変換する。例えば、ＡＣ商用電力の電圧はＡＣ２００Ｖであり、ＤＣ電力の所定の電圧は４００Ｖである。しかし、これに限定されず、ＡＣ１００Ｖでもよく、所定の電圧が４０Ｖなどでもよい。ＤＣ電源線１２は、ＡＣ／ＤＣ変換器１１の出力線であり、電力消費監視部１３に接続される。電力消費監視部１３は、第１ＤＣ電源線１２を通して供給される電力を監視する。第２ＤＣ電源線１４は、電力消費監視部１とＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍの間を接続し、途中でｍ本に分岐する。ＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍは、第２ＤＣ電源線１４を介して供給される所定の電圧のＤＣ電力を、対応する直流機器で必要とする電圧の直流電力に変換する。ＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍは、異なる電圧を出力する場合も、同じ電圧を出力する場合もあり得る。ＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍの出力には、出力線１６−１−１〜１６−１−ｍ、…１６−ｎ−１〜１６−ｎ−ｍが接続される。直流機器３０−ｉ−ｊは、対応する出力線１６−ｉ−ｊに接続され、ＤＣ電力が供給される。

各ＤＣ−ＵＰＳ２０は、対応する電源ユニット１０の第１ＤＣ電源線１２に接続される充放電回路２１と、充放電回路２１を介して充電および放電を行う蓄電装置２４と、を有する。充放電回路２１は、充電電力制御部２２と、充電容量監視部２３と、を有する。蓄電装置２４は、二次電池などで構成される。

各直流機器３０は、プロセッサユニットである。複数の直流機器３０は、バス４０で相互に接続され、処理（タスク）を分散して並列に実行するマルチプロセッサ構成のコンピュータシステムを形成する。実施例では、複数の直流機器３０のうちの１個の直流機器（ここでは、直流機器３０−１−１を、全体の制御を行う演算部として利用する。直流機器（演算部）３０−１−１は、タスクの一部を実行すると共に、タスクの各直流機器への割り当てなどのコンピュータシステム全体の処理を行い、さらに電源ユニット１０−１〜１０−ｎおよびＤＣ−ＵＰＳ２０−１〜２０−ｎの監視も行う。そのため、直流機器（演算部）３０−１−１は、通信線４１を介して各電源ユニットの電力消費監視部１３の電力消費の測定結果、および通信線４２を介して各ＤＣ−ＵＰＳの充電容量監視部２３の充電容量の測定結果を収集可能である。直流機器（演算部）３０−１−１は、収集したn系統分の電力消費の測定結果および充電容量の測定結果に基づいて各系統の必要充電条件を演算し、各系統の充電電力制御部２２に充電条件を設定する。なお、演算部を、直流機器の一部で実現するのではなく、別のプロセッサユニットで実現するようにしてもよい。

図２は、実施例の交流機器１の外観図である。交流機器１は、複数のガイドが形成された筐体（フレーム）２を有し、直流機器３０を搭載した演算ボード３、および電源ユニット１０およびＤＣ−ＵＰＳ２０を搭載した電源ボード４が、ガイドに沿って挿入される。挿入された演算ボード３および電源ボード４は、裏面に設けられたコネクタ（図示せず）を介して相互に接続される。ここでは、２枚の演算ボード３と１枚の電源ボード４が組みを形成し、仕様に応じて搭載する演算ボード３と電源ボード４の組数が任意に設定できる。必要であれば、図２に示すような交流機器１が複数は位置され、相互に接続される。

図３は、実施例の交流機器１における演算部として動作する直流機器３０−１−１の制御を示すフローチャートである。

ステップＳ１１では、各系統の電力消費監視部１３は、それぞれの系統の電力消費Ｗｎを監視し、通信により直流機器（演算部）３０−１−１に測定結果を送信する。

ステップＳ１２では、各系統の充電容量監視部２３は、ＤＣ−ＵＰＳ内部の蓄電装置２４の充電容量を監視し、通信により直流機器（演算部）３０−１−１に測定結果を送信する。すべての蓄電装置２４が満充電状態であるとの測定結果であれば、ステップＳ１１に戻り、引き続き電力消費および充電容量の監視を継続し、一部の蓄電装置２４が満充電状態でないとの測定結果であれば、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、直流機器（演算部）３０−１−１は、充電が必要な系統の最大充電電力Ｗｃとその系統の電力消費Ｗｎを比較し、Ｗｃ＞ＷｎであればステップＳ１７に進み、Ｗｃ＜ＷｎであればステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、直流機器（演算部）３０−１−１は、充電が必要な系統以外のＤＣ−ＵＰＳおよび電源回路に接続される直流機器に、タスクを振り分けるコマンドを送信し、充電が必要な系統の電力消費を低減させる。

ステップＳ１５では、充電が必要な系統の電力消費監視部１３は、電力消費Ｗｎを監視し、電力消費Ｗｎとこの系統の電源ユニットの最大出力容量Ｗｃの差分である余剰電力Ｗｏを演算し、最大充電電力Ｗｃと比較する。Ｗｃ＜Ｗｏの場合にはステップＳ１７に進み、Ｗｃ＞Ｗｏの場合にはステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、充電電力制御部２２は、余剰電力Ｗｏで蓄電装置２４を充電するように制御する。

ステップＳ１７では、充電電力制御部２２は、最大充電電力Ｗｃで蓄電装置２４を充電するように制御する。

ステップＳ１８では、充電容量監視部２３は、充電中に蓄電装置の充電状態を監視し、満充電であれば充電を終了し、満充電に到達していなければ直流系統の電力消費Ｗｎ、充電容量を基に充電条件を調整すべくステップＳ１１に戻る。

図４から図６は、実施例における充電動作を説明する図であり、ここでは、３系統の電源装置１０およびＤＣ−ＵＰＳ２０の組が設けられている場合を例として説明する。この例では、電源ユニット１０の最大出力容量を９、 直流機器の最大電力消費を８とした。

図４は、３系統のＤＣ−ＵＰＳ２０の蓄電装置２４がすべて満充電状態にあり、且つ電力消費が小さい状態（電力消費２）で安定的な動作を行っている場合の動作例を示す。蓄電装置２４が満充電状態であれば、電源ユニット１０は直流機器３０の電力消費２のみを供給する。

図５の（Ａ）は、１系統の蓄電装置２４−１は充電容量が低下し、且つ直流機器３０−１の電力消費が大きい状態（電力消費８）で、他の２系統の蓄電装置２４−２、２４−２は充電容量が満充電状態にあり、且つ電力消費が小さい状態（電力消費２）の例を示す。この場合、電源ユニット１０−１は直流機器への電力供給を優先的に行うため、電源ユニット１０−１は最大出力容量９の電力を供給しているが、蓄電装置２４−１への充電電力は余剰電力の１しか供給できない状態である。このような状況では蓄電装置２４−１の充電容量回復には時間がかかることになる。

図５の（Ｂ）は、本実施例により、図５の（Ａ）の状態から変化した状態を示す。本実施例によれば、直流機器（演算部）３０−１−１は、蓄電装置２４−１の充電容量の低下を検出すると、対応する直流機器３０−１の実行するタスクを他の直流機器３０−２および３０−３に割り当てた後、直流機器３０−１の実行するタスクを低減する。図５の（Ｂ）では、直流機器３０−１の実行するタスクは８から０に減少され、直流機器３０−２および３０−３の実行するタスクは２から６に増加される。さらに、蓄電装置２４−１への充電電力を９に増加させ、電源ユニット１０−１の最大出力容量９の全てを蓄電装置２４−１の充電電力とする。

図６の（Ａ）は、３系統の蓄電装置２４−１〜２４−３のすべての充電容量が低下した状態で、且つ直流機器３０−１の電力消費が大きく（電力消費８）、直流機器３０−２および３０−３の電力消費が比較的小さい（電力消費２）状態である。直流機器への電力供給が優先されるため、電力消費の小さい系統では充電電力７で蓄電装置２４−２および２４−３の充電が可能であるのに対し、電力消費が大きい系統では充電電力１のみで蓄電装置２４−１の充電が行われ、３系統の電源のバックアップ能力に差が現れることとなる。

図６の（Ｂ）は、本実施例により、図６の（Ａ）の状態から変化した状態を示す。本実施例によれば、直流機器（演算部）３０−１−１は、蓄電装置２４−１〜２４−３の充電容量の低下を検出すると、タスクの大きい直流機器３０−１のタスクを、他の直流機器３０−２および２０−３割り振って均等化する。その後、全ての蓄電装置２４−１〜２４−３への充電電力を均等化し、３系統の電源のバックアップ能力を均等化する。

以上説明したように、本実施例によれば、複数の直流機器の電力消費を監視することで各機器のＡＣ／ＤＣ変換回路の余剰電力を監視し、演算部によって電力消費を一部の直流機器に集約・分散させる。これにより、ある直流機器に対応したＤＣ−ＵＰＳ内部の蓄電装置の充電容量が低下したときには、対応する直流機器の負荷（タスク）を演算部によって異なる直流機器に割り振ることによってこの直流機器に対応した電源装置の余剰電力を増加させ、ＤＣ−ＵＰＳへの充電電力を充分確保することが可能となる。また、多くの直流機器に対応した蓄電装置の充電容量が低下したときには、演算部によって負荷を複数の直流機器に均等に割り振ることで各直流機器に対応した電源部の余剰電力を増加させ、蓄電装置への充電電力を確保することが可能となる。更に、直流機器が仮想化資源を複数の物理サーバに割り当てることが可能なコンピュータであるとき、仮想化資源を各機器内蔵の蓄電装置の充電状態を基に割り当てることによって上記の効果を得ることが可能である。
以上説明したように、実施例では、複数の直流機器の電力消費を管理することにより電源ユニットの出力容量を大きくすることなくＤＣ−ＵＰＳの充電電力の確保が可能となる。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

１ 交流機器
１０−１〜１０−ｎ 電源ユニット
１３ 電力消費監視部
２０−１〜２０−ｎ ＤＣ−ＵＰＳ
２１ 充放電回路
２２ 充電電力制御部
２３ 充電容量監視部
２４ 蓄電装置
３０−１−１〜３０−ｎ−ｍ 直流機器

本発明は、無停電電源システムにより電源が供給される情報処理システム、無停電電源システムおよび処理割り当て制御方法に関する。

入力電源が断になった場合でも、一定時間、接続されている機器に対して、停電することなく電力を供給し続ける無停電電源装置（システム）が広く使用されている。

例えば、コンピュータシステムは、商用電源から電力供給を受けるのが一般的である。コンピュータシステムは、瞬時でも電源が断になると大規模な故障を生じるため、接続している商用電源が断になった時にでも、瞬時電圧低下や停電がコンピュータシステムに対して起こらないように、無停電電源システムが使用される。コンピュータシステムのほかにも、瞬時でも電源が断になると大規模な故障を生じるものには、病院、プラントなどの施設、およびそのような施設で使用される医療機器、制御機器、センサなど、各種存在する。このような施設および機器は、無停電電源システムを備えるのが一般的である。以下、インターネットデータセンター（ＩＤＣ）を例として説明を行うが、以下の説明は、これに限定されるものではない。インターネットデータセンター（ＩＤＣ）は、複数のプロセッサユニットを有し、処理を並列に実行するコンピュータシステムを有する。

無停電電源システムは、電力を蓄え、電力供給が断になった時に、蓄えた電力を機器に供給することにより、機器への電力供給を維持する。電力を蓄えるには、二次電池や電気二重層キャパシタなどを使用するが、いずれも直流電力であることが必要である。以下、二次電池や電気二重層キャパシタなどをまとめて二次電池と称する。さらに、無停電電源装置全体を、ＵＰＳ(Uninterruptible Power Supply)と呼ぶ場合もあるが、電力を蓄える部分をＵＰＳと呼ぶ場合もある。以下の説明では、電力を蓄える蓄電装置をＵＰＳと称する。

無停電電源システムには、交流（ＡＣ）給電のものと直流（ＤＣ）給電のものがある。施設全体の電源を無停電電源システムにする場合には、施設内での配電などを考慮して交流給電の無停電電源システムが使用される。しかし、施設全体の電源を無停電電源システムにする場合、システムの容量および重量が非常に大きくなる。例えば、インターネットデータセンター（ＩＤＣ）全体の電源を無停電電源システムにする場合、１階分のフロアーに無停電電源システムを設け、その隣接階にコンピュータシステムを設けるということが行われている。

交流給電の無停電電源システムは、交流（ＡＣ）の商用電力を、一旦直流（ＤＣ）電力に変換し、ＤＣ電力の出力にＵＰＳを接続する。そして、ＤＣ電力の出力は、ＡＣ電力に変換されて、ＡＣ電力の形で各部に供給される。ＡＣ電力が供給される機器（プロセッサユニット）は直流で動作するため、供給されたＡＣ電力は、再度ＤＣ電力に変換されて機器（プロセッサユニット）に供給される。したがって、インターネットデータセンター（ＩＤＣ）で交流給電の無停電電源システムを使用する場合には、ＡＣ／ＤＣ変換、ＤＣ／ＡＣ変換およびＡＣ／ＤＣ変換の３回の変換が行われることになる。そのため、ＡＣ給電は、変換に伴う電力ロスが大きく、低効率であるという問題があった。また、ＵＰＳが大型であるという問題もあった。

ここでは、交流（ＡＣ）電力が供給される機器を交流機器と称し、直流（ＤＣ）電力が供給され、直流（ＤＣ）電力で動作する機器を直流機器と称する。なお、内部に直流系統部を有する交流機器は、外部から交流電力が供給され、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器を内部に有する。交流機器の内部に設けられた直流系統部を直流機器と称する場合がある。

インターネットデータセンター（ＩＤＣ）の省電力化・環境負荷低減に向けて、直流給電や電力負荷平準化に関する技術開発が進められている。

直流給電は、ＡＣ商用電力をＤＣ電力に変換し、ＤＣ電力の出力にＵＰＳを接続し、ＤＣ電力を機器（プロセッサユニット）に供給する。この場合のＵＰＳをＤＣ−ＵＰＳと称する。この場合には、変換は１回であり、変換に伴う電力ロスを低減できるので省電力化が図れる。しかし、ＡＣ電力からＤＣ電力への変換器から各直流機器に直流電力を供給するため、電圧降下や配電に伴う電力ロスが問題である。

一方、電力負荷平準化とは、環境負荷は低いが出力制御が難しい再生エネルギー・原子力由来の系統電力を機器の消費電力変動とマッチングさせるため、大容量の蓄電装置を併設して系統・消費電力の変動を蓄電装置の充放電により補償・抑制する技術である。

これらの直流給電や電力負荷平準化技術を実現するため、交流機器内部の直流系統部に蓄電装置を設置する直流給電型の無停電電源装置（ＤＣ−ＵＰＳ）がある。ＤＣ−ＵＰＳは、交流機器に設けられたＡＣ／ＤＣ変換器からの直流電力で充電され、ＤＣ−ＵＰＳからの放電電力は直流電力として変換なしに機器内の直流系統部に供給される。この給電方式によれば、ＩＤＣ全体への給電を直流化せずに、大型情報機器内部で直流給電が実現でき、省電力化が可能となる。また、この給電方式によれば、ＤＣ−ＵＰＳは、二次電池と充放電制御回路のみを有するのみで、ＤＣ／ＡＣ変換回路が不要となり、その分の空きスペースに蓄電装置を増設することによって大型情報機器のバックアップ及び電力負荷平準化が可能な電力容量のＵＰＳを実現することが可能となる。

上記のように、ＡＣ給電の場合、施設に供給されるＡＣ電力は、一旦交流給電型の無停電電源装置（ＡＣ−ＵＰＳ）を媒介して交流機器に供給され、交流機器内部（内蔵電源ユニット）でＡＣ／ＤＣ変換される。ＤＣ電力は、さらに機器駆動電圧に対応したＤＣ／ＤＣ変換によって所望の電圧のＤＣ電力に変換された後、機器内部の直流系統部に供給される。

一方、ＤＣ給電の場合、施設に供給されるＡＣ電力は、交流機器に直接供給され、交流機器内部（内蔵電源ユニット）でＡＣ／ＤＣ変換された直流電力を引き出してＤＣ−ＵＰＳに接続される。ＤＣ−ＵＰＳの直流出力は、ＤＣ／ＤＣ変換部に供給されて、機器内部の駆動電圧に対応した所望の電圧のＤＣ電力に変換された後、機器内部の直流系統部に供給される。

特開２０００−２９３９２３号公報 特開２０００−０１４０４３号公報

ＵＰＳは、バックアップ機能の目的から、蓄電装置が常時満充電の状態にあることが要求される。もし何らかの障害により蓄電装置が満充電の状態でなくなった時には、速やかに満充電の状態に復帰することが必要である。

ＵＰＳの充電電力は、ＡＣ−ＵＰＳでは充分な電力供給力を持つ構内向け交流電力を使用するのに対し、ＤＣ−ＵＰＳでは内蔵電源ユニットの最大出力容量から機器の消費電力を減じた余剰電力を使用することになる。しかし、交流機器に元来備えられる内蔵電源ユニットの最大出力容量は内蔵される直流機器（直流系統部）の最大消費電力に適合するように設計されているため、内蔵直流機器が最大消費電力で動作しているときには余剰電力は殆ど生じない。このような内蔵電源ユニットのＤＣ出力を利用するようにＤＣ−ＵＰＳを設置するとＤＣ−ＵＰＳへの充電電力は直流機器の動作状態（＝電力消費）に大きく依存することとなる。そのため、ＤＣ−ＵＰＳの充電時間が安定化せず機器のバックアップ機能や電力負荷平準化機能の実現が難しくなる。

また、ＤＣ−ＵＰＳへの充電電力を充分確保するために最大出力容量をアップした新規な内蔵電源ユニットを適用する場合においても、最大出力容量の向上はユニットの大型化を伴うため機器の互換性が損なわれることとなる。

このように、省電力化および電力負荷平準化を図る上で、内蔵電源ユニットを大型化せずにＤＣ−ＵＰＳが十分なバックアップ機能を達成できることが望まれていた。

発明の一観点によれば、複数の情報処理装置と、複数の情報処理装置のいずれかに直流電力を供給する複数の蓄電装置と、複数の蓄電装置に直流電力を供給する複数の電源装置と、複数の蓄電装置のいずれかの充電状態と、電装置から直流電力を供給される情報処理装置で処理するタスク量とに応じて、情報処理装置で処理するタスクを蓄電装置から直流電力を供給されていない情報処理装置に割り当てる演算部と、を備えた情報処理システムが提供される。

発明の別の観点によれば、協働して処理を実行する複数の直流機器に対応して設けられ、対応する直流機器に直流電力を供給する複数の電源装置と、複数の直流機器に対応して設けられ、対応する電源装置からの直流電力をバックアップする複数の蓄電装置と、複数の蓄電装置の充電状態に応じて、処理を複数の直流機器に割り当てる制御部と、を備えた無停電電源システムが提供される。

発明のさらに別の観点によれば、対応する複数の電源装置から直流電力が供給され、直流電力が対応する複数の蓄電装置によりそれぞれバックアップされる複数の直流機器に、協働して実行する処理を割り当てる処理割り当て制御方法であって、複数の蓄電装置の充電状態に応じて、処理を複数の直流機器に割り当てる処理割り当て制御方法が提供される。

発明の観点によれば、充電状態の不十分な蓄電装置に対応する情報処理装置（直流機器）には、少ないタスク（負荷）量を割り当てるように制御するため、情報処理装置（直流機器）における消費電力が少なくなる。したがって、内蔵電源ユニットの最大出力容量から機器の消費電力を減じた余剰電力を大きくでき、充電状態の不十分な蓄電装置を短時間で満充電状態にすることが可能である。

図１は、実施例のインターネットデータセンター（ＩＤＣ）を形成する交流機器の構成を示す図である。 図２は、実施例の交流機器の外観図である。 図３は、実施例の交流機器における演算部として動作する直流機器の制御を示すフローチャートである。 図４は、実施例の交流機器において、３系統のＤＣ−ＵＰＳの蓄電装置がすべて満充電状態にあり、且つ電力消費が小さい状態で安定的な動作を行っている場合の動作例を示す。 図５は、実施例の交流機器において、１系統の蓄電装置の充電容量が低下し、他の２系統の蓄電装置の充電容量は満充電状態にある場合の、直流機器へのタスク（負荷）の振り分けを示す図である。 図６は、実施例の交流機器において、全系統の蓄電装置の充電容量が低下した場合の、直流機器へのタスク（負荷）の振り分けを示す図である。

以下、インターネットデータセンター（ＩＤＣ）を例として説明を行うが、以下の説明は、これに限定されるものではない。

図１は、実施例のインターネットデータセンター（ＩＤＣ）を形成する交流機器１の構成を示す図である。１台の交流機器１でＩＤＣを形成しても、複数台の交流機器１でＩＤＣを形成してもよい。

図１に示すように、交流機器１は、ｎ系統の電源装置（ユニット）１０−１〜１０−ｎおよびＤＣ−ＵＰＳ２０−１〜２０−ｎの組と、複数の直流機器と、を有する。複数の直流機器は、ｎ系統の電源ユニット１０−１〜１０−ｎに対応したｎ系統の組に分かれ、各系統の直流機器の組は、ｍ個の直流機器を有する。ここでは、直流機器３０−ｉ−ｊは、ｎ系統のうちのｉ番目の組に属するｊ番目の直流機器を示す。

電源ユニット１０−１〜１０−ｎには、交流装置１に外部から供給される交流（ＡＣ）入力が供給される。ＡＣ入力は、例えば商用ＡＣ電力である。各電源ユニット１０は、ＡＣ／ＤＣ変換器１１と、第１ＤＣ電源線１２と、電力消費監視部１３と、第２ＤＣ電源線１４と、ｍ個のＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍと、を有する。ＡＣ／ＤＣ変換器１１は、ＡＣ商用電力を所定の電圧のＤＣ電力に変換する。例えば、ＡＣ商用電力の電圧はＡＣ２００Ｖであり、ＤＣ電力の所定の電圧は４００Ｖである。しかし、これに限定されず、ＡＣ１００Ｖでもよく、所定の電圧が４０Ｖなどでもよい。第１ＤＣ電源線１２は、ＡＣ／ＤＣ変換器１１の出力線であり、電力消費監視部１３に接続される。電力消費監視部１３は、第１ＤＣ電源線１２を通して供給される電力を監視する。第２ＤＣ電源線１４は、電力消費監視部１３とＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍの間を接続し、途中でｍ本に分岐する。ＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍは、第２ＤＣ電源線１４を介して供給される所定の電圧のＤＣ電力を、対応する直流機器で必要とする電圧の直流電力に変換する。ＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍは、異なる電圧を出力する場合も、同じ電圧を出力する場合もあり得る。ＤＣ−ＤＣ変換器１５−１〜１５−ｍの出力には、出力線１６−１−１〜１６−１−ｍ、…１６−ｎ−１〜１６−ｎ−ｍが接続される。直流機器３０−ｉ−ｊは、対応する出力線１６−ｉ−ｊに接続され、ＤＣ電力が供給される。

各ＤＣ−ＵＰＳ２０は、対応する電源ユニット１０の第１ＤＣ電源線１２に接続される充放電回路２１と、充放電回路２１を介して充電および放電を行う蓄電装置２４と、を有する。充放電回路２１は、充電電力制御部２２と、充電容量監視部２３と、を有する。蓄電装置２４は、二次電池などで構成される。

各直流機器３０は、プロセッサユニットである。複数の直流機器３０は、バス４０で相互に接続され、処理（タスク）を分散して並列に実行するマルチプロセッサ構成のコンピュータシステムを形成する。実施例では、複数の直流機器３０のうちの１個の直流機器（ここでは、直流機器３０−１−１を、全体の制御を行う演算部として利用する。直流機器（演算部）３０−１−１は、タスクの一部を実行すると共に、タスクの各直流機器への割り当てなどのコンピュータシステム全体の処理を行い、さらに電源ユニット１０−１〜１０−ｎおよびＤＣ−ＵＰＳ２０−１〜２０−ｎの監視も行う。そのため、直流機器（演算部）３０−１−１は、通信線４１を介して各電源ユニットの電力消費監視部１３の電力消費の測定結果、および通信線４２を介して各ＤＣ−ＵＰＳの充電容量監視部２３の充電容量の測定結果を収集可能である。直流機器（演算部）３０−１−１は、収集したn系統分の電力消費の測定結果および充電容量の測定結果に基づいて各系統の必要充電条件を演算し、各系統の充電電力制御部２２に充電条件を設定する。なお、演算部を、直流機器の一部で実現するのではなく、別のプロセッサユニットで実現するようにしてもよい。

図２は、実施例の交流機器１の外観図である。交流機器１は、複数のガイドが形成された筐体（フレーム）２を有し、直流機器３０を搭載した演算ボード３、および電源ユニット１０およびＤＣ−ＵＰＳ２０を搭載した電源ボード４が、ガイドに沿って挿入される。挿入された演算ボード３および電源ボード４は、裏面に設けられたコネクタ（図示せず）を介して相互に接続される。ここでは、２枚の演算ボード３と１枚の電源ボード４が組みを形成し、仕様に応じて搭載する演算ボード３と電源ボード４の組数が任意に設定できる。必要であれば、図２に示すような交流機器１が複数配置され、相互に接続される。

図３は、実施例の交流機器１における演算部として動作する直流機器３０−１−１の制御を示すフローチャートである。

ステップＳ１１では、各系統の電力消費監視部１３は、それぞれの系統の電力消費Ｗｎを監視し、通信により直流機器（演算部）３０−１−１に測定結果を送信する。

ステップＳ１２では、各系統の充電容量監視部２３は、ＤＣ−ＵＰＳ内部の蓄電装置２４の充電容量を監視し、通信により直流機器（演算部）３０−１−１に測定結果を送信する。すべての蓄電装置２４が満充電状態であるとの測定結果であれば、ステップＳ１１に戻り、引き続き電力消費および充電容量の監視を継続し、一部の蓄電装置２４が満充電状態でないとの測定結果であれば、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、直流機器（演算部）３０−１−１は、充電が必要な系統の最大充電電力Ｗｃとその系統の電力消費Ｗｎを比較し、Ｗｃ＞ＷｎであればステップＳ１７に進み、Ｗｃ＜ＷｎであればステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、直流機器（演算部）３０−１−１は、充電が必要な系統以外のＤＣ−ＵＰＳおよび電源回路に接続される直流機器に、タスクを振り分けるコマンドを送信し、充電が必要な系統の電力消費を低減させる。

ステップＳ１５では、充電が必要な系統の電力消費監視部１３は、電力消費Ｗｎを監視し、電力消費Ｗｎとこの系統の電源ユニットの最大出力容量Ｗｃの差分である余剰電力Ｗｏを演算し、最大充電電力Ｗｃと比較する。Ｗｃ＜Ｗｏの場合にはステップＳ１７に進み、Ｗｃ＞Ｗｏの場合にはステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、充電電力制御部２２は、余剰電力Ｗｏで蓄電装置２４を充電するように制御する。

ステップＳ１７では、充電電力制御部２２は、最大充電電力Ｗｃで蓄電装置２４を充電するように制御する。

ステップＳ１８では、充電容量監視部２３は、充電中に蓄電装置の充電状態を監視し、満充電であれば充電を終了し、満充電に到達していなければ直流系統の電力消費Ｗｎ、充電容量を基に充電条件を調整すべくステップＳ１１に戻る。

図４から図６は、実施例における充電動作を説明する図であり、ここでは、３系統の電源装置１０およびＤＣ−ＵＰＳ２０の組が設けられている場合を例として説明する。この例では、電源ユニット１０の最大出力容量を９、 直流機器の最大電力消費を８とした。

図４は、３系統のＤＣ−ＵＰＳ２０の蓄電装置２４がすべて満充電状態にあり、且つ電力消費が小さい状態（電力消費２）で安定的な動作を行っている場合の動作例を示す。蓄電装置２４が満充電状態であれば、電源ユニット１０は直流機器３０の電力消費２のみを供給する。

図５の（Ａ）は、１系統の蓄電装置２４−１は充電容量が低下し、且つ直流機器３０−１の電力消費が大きい状態（電力消費８）で、他の２系統の蓄電装置２４−２、２４−３は充電容量が満充電状態にあり、且つ電力消費が小さい状態（電力消費２）の例を示す。この場合、電源ユニット１０−１は直流機器への電力供給を優先的に行うため、電源ユニット１０−１は最大出力容量９の電力を供給しているが、蓄電装置２４−１への充電電力は余剰電力の１しか供給できない状態である。このような状況では蓄電装置２４−１の充電容量回復には時間がかかることになる。

図５の（Ｂ）は、本実施例により、図５の（Ａ）の状態から変化した状態を示す。本実施例によれば、直流機器（演算部）３０−１−１は、蓄電装置２４−１の充電容量の低下を検出すると、対応する直流機器３０−１の実行するタスクを他の直流機器３０−２および３０−３に割り当てた後、直流機器３０−１の実行するタスクを低減する。図５の（Ｂ）では、直流機器３０−１の実行するタスクは８から０に減少され、直流機器３０−２および３０−３の実行するタスクは２から６に増加される。さらに、蓄電装置２４−１への充電電力を９に増加させ、電源ユニット１０−１の最大出力容量９の全てを蓄電装置２４−１の充電電力とする。

図６の（Ａ）は、３系統の蓄電装置２４−１〜２４−３のすべての充電容量が低下した状態で、且つ直流機器３０−１の電力消費が大きく（電力消費８）、直流機器３０−２および３０−３の電力消費が比較的小さい（電力消費２）状態である。直流機器への電力供給が優先されるため、電力消費の小さい系統では充電電力７で蓄電装置２４−２および２４−３の充電が可能であるのに対し、電力消費が大きい系統では充電電力１のみで蓄電装置２４−１の充電が行われ、３系統の電源のバックアップ能力に差が現れることとなる。

図６の（Ｂ）は、本実施例により、図６の（Ａ）の状態から変化した状態を示す。本実施例によれば、直流機器（演算部）３０−１−１は、蓄電装置２４−１〜２４−３の充電容量の低下を検出すると、タスクの大きい直流機器３０−１のタスクを、他の直流機器３０−２および３０−３割り振って均等化する。その後、全ての蓄電装置２４−１〜２４−３への充電電力を均等化し、３系統の電源のバックアップ能力を均等化する。

以上説明したように、本実施例によれば、複数の直流機器の電力消費を監視することで各機器のＡＣ／ＤＣ変換回路の余剰電力を監視し、演算部によって電力消費を一部の直流機器に集約・分散させる。これにより、ある直流機器に対応したＤＣ−ＵＰＳ内部の蓄電装置の充電容量が低下したときには、対応する直流機器の負荷（タスク）を演算部によって異なる直流機器に割り振ることによってこの直流機器に対応した電源装置の余剰電力を増加させ、ＤＣ−ＵＰＳへの充電電力を充分確保することが可能となる。また、多くの直流機器に対応した蓄電装置の充電容量が低下したときには、演算部によって負荷を複数の直流機器に均等に割り振ることで各直流機器に対応した電源部の余剰電力を増加させ、蓄電装置への充電電力を確保することが可能となる。更に、直流機器が仮想化資源を複数の物理サーバに割り当てることが可能なコンピュータであるとき、仮想化資源を各機器内蔵の蓄電装置の充電状態を基に割り当てることによって上記の効果を得ることが可能である。
以上説明したように、実施例では、複数の直流機器の電力消費を管理することにより電源ユニットの出力容量を大きくすることなくＤＣ−ＵＰＳの充電電力の確保が可能となる。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

１ 交流機器
１０−１〜１０−ｎ 電源ユニット
１３ 電力消費監視部
２０−１〜２０−ｎ ＤＣ−ＵＰＳ
２１ 充放電回路
２２ 充電電力制御部
２３ 充電容量監視部
２４ 蓄電装置
３０−１−１〜３０−ｎ−ｍ 直流機器

Claims (10)

1. 複数の情報処理装置と、
   前記複数の情報処理装置のいずれかに直流電力を供給する複数の蓄電装置と、
   前記複数の蓄電装置に直流電力を供給する複数の電源装置と、
   前記複数の蓄電装置のいずれかの充電状態と、該蓄電装置から直流電力を供給される前記情報処理装置で処理するタスク量とに応じて、前記情報処理装置で処理するタスクを該蓄電装置から直流電力を供給されていない情報処理装置に割り当てる演算部と、を備えたことを特徴とする情報処理システム。
2. タスクを分散して処理する複数の情報処理装置と、
   前記複数の情報処理装置に対応して設けられ、対応する前記情報処理装置に直流電力を供給する複数の電源装置と、
   前記複数の情報処理装置に対応して設けられ、対応する前記電源装置からの直流電力をバックアップする複数の蓄電装置と、
   前記複数の蓄電装置の充電状態に応じて、前記タスクを前記複数の情報処理装置に割り当てる演算部と、を備えたことを特徴とする情報処理システム。
3. 当該情報処理システムは、外部から交流電力が供給される交流機器であり、
   前記複数の電源装置は、それぞれ前記交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を備える請求項１または２記載の情報処理システム。
4. 前記電源装置は、対応する前記情報処理装置の消費電力を監視する電力消費監視部を備え、
   前記蓄電装置は、前記電源装置からの直流電力の蓄積を制御する充電電力制御部と、充電容量を監視する充電容量監視部と、を備え、
   前記演算部は、前記電力消費監視部の検出する前記情報処理装置の消費電力および前記充電容量監視部との検出する前記充電容量を収集する請求項１から３のいずれか記載の情報処理システム。
5. 前記複数の情報処理装置は、複数のサーバを有するコンピュータを形成し、仮想化資源が前記複数のサーバに割り当てられる請求項１から４のいずれか記載の情報処理システム。
6. 前記演算部は、前記複数の情報処理装置の１つにより形成される請求項１から５のいずれか記載の情報処理システム。
7. 前記演算部は、他の前記蓄電装置より前記充電状態が低い前記蓄電装置に対応する前記情報処理装置には、他の前記情報処理装置より少ない量の前記タスクを割り当てる請求項１から６のいずれか記載の情報処理システム。
8. 協働して処理を実行する複数の直流機器に対応して設けられ、対応する前記直流機器に直流電力を供給する複数の電源装置と、
   前記複数の直流機器に対応して設けられ、対応する前記電源装置からの直流電力をバックアップする複数の蓄電装置と、
   前記複数の蓄電装置の充電状態に応じて、前記処理を前記複数の直流機器に割り当てる制御部と、を備えたことを特徴とする無停電電源システム。
9. 前記複数の直流機器および当該無停電電源システムは、外部から交流電力が供給される交流機器を形成し、
   前記複数の電源装置は、それぞれ前記交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器を備える請求項８記載の無停電電源システム。
10. 対応する複数の電源装置から直流電力が供給され、前記直流電力が対応する複数の蓄電装置によりそれぞれバックアップされる複数の直流機器に、協働して実行する処理を割り当てる処理割り当て制御方法であって、
    前記複数の蓄電装置の充電状態に応じて、前記処理を、前記複数の直流機器に割り当てることを特徴とする処理割り当て制御方法。

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