JP2013025343A - ネットワーク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
これまでの複数の電源ユニットを有するネットワーク装置では動作する電源ユニット数を一度決めてしまうと、取り扱う情報量の大きさに応じて消費電力が増減するため、高効率動作と電源ユニットの冗長運転によるネットワーク装置の高可用性を維持するのが難しい。
【解決手段】
常に動作状態によって変化するネットワーク装置の消費電力に応じて、電源ユニットが高効率で使用できるように動作させる電源ユニットの台数を決定し、且つ要求される冗長運転方式に応じて動作させる電源ユニットを決定するネットワーク装置を提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は複数の電源ユニットとその電源ユニットを制御するユニットを有するネットワーク装置に関する。

近年、地球温暖化対策の観点から、省エネルギー化等によるＣＯ２排出削減に取り組むことは電気通信関係業界において重要な責務である。また、生産・消費・産業活動の高効率化、交通分野における渋滞緩和、代替交通に対するＩＣＴ分野の対応はＣＯ２排出削減に大きく貢献することが可能である。しかし、一方これらのＩＣＴ機器により実現できるサービスは、その規模や通信量の増大に伴いエネルギー、電力が増加し、ＣＯ２排出量を増加させる傾向にある。こうしたＣＯ２排出量を増加させる側面に対し、ネットワーク機器製造者は省エネルギー化が図られた装置を提供することが求められている。

その省電力化手段の一つとして特許文献１に開示される技術が知られている。一般的に電源ユニットの効率（効率η＝出力電力（Ｗ）/入力電力（Ｗ））が軽負荷時に低く、ある出力電力時に効率が最も高くなるピークがあり、それ以上の出力電力時には効率が下がっていくという傾向がある。特許文献１は、装置の電力消費が少ないときはＮ台の電源ユニットを、電力消費が大きいときはＭ台の電源ユニットを稼動させることで、稼動電源ユニット１台あたりの出力電力を上げ、電源ユニットが軽負荷運転にならないようにしたものである。

特開２０１０−１５２２６号公報

ネットワーク装置ではＮＩＦ（ネットワークインタフェース）の種類が十数種もあり、さらに各ＮＩＦの複数あるポートの稼動状況、取り扱うデータ量によりＮＩＦ１枚あたりの消費電力は大きく変動する。また冷却ユニットは省電力動作になるように周囲温度が低ければファンの回転数を下げ（低消費電力状態）、高ければ回転数を上げる（高消費電力状態）ため周囲温度に応じて消費電力が増減する。

このように装置構成に変化が無くても消費電力の増減が大きい。しかし先に説明した先行技術では、演算部の消費電力を予め予想または計測した数値と、演算部の動作数とを乗算することにより算出した装置の消費電力をもとにしており、つまり装置構成に変化がなければ消費電力の変化がないということを前提にしているため、ネットワーク装置のように装置構成に変化がなくても消費電力が大きく変動することに対応できない。

さらにネットワーク装置は近年、重要な公共インフラになってきおりその可用性を高めるために電源構成をＮ＋１冗長運転またはＮ＋Ｎ冗長運転方式にすることが一般的であるが先行技術ではこの点が考慮されておらず、電源ユニットの稼動台数を変更した（減らした）際に冗長運転方式がＮ＋Ｎ冗長からＮ＋１冗長へ変わってしまったり冗長運転から非冗長運転になる場合もあり可用性が損なわれてしまう可能性がある。

上記の課題の少なくとも一部を解決するために下記の構成を有する装置を提案する。
[適用例１]
複数の冷却ユニットと、複数のインターフェース部と、装置全体を制御する制御部と、複数の電源ユニットとを有し、前記冷却ユニットと、前記インターフェース部と、前記制御部はそれぞれ電力モニタ回路を有し、前記制御部は、前記電力モニタ回路から収集した消費電力と、予め測定してある前記電源ユニットの電源効率を基に前記電源ユニットの動作数を決定することを特徴とする通信装置を提案する。当該構成をとることにより、電力モニタ回路から収集した実際の消費電力に応じて適切に電源ユニットの動作数を決定することができ、装置構成が変化した場合にも対応が容易となる。

[適用例２]
適用例１の通信装置であって、前記制御部は、前記電源ユニットの動作数を決定する場合、前記電源効率を最大にするために必要な前記電源ユニットの数に予め設定された所定の数を追加した冗長構成とすることを特徴とする通信装置を提案する。当該構成をとることにより、電源効率を高めつつも、信頼性を確保することが可能となる。

[適用例３]
適用例２記載の通信装置であって、前記制御部は、前記電源ユニットの稼動可能台数を実装台数と障害台数の差分から求め、前記稼動可能台数を上限として、前記電源ユニットの動作数を決定することを特徴とする通信装置を提案する。当該構成をとることにより、実際に稼動できる電源ユニットの中から最適な動作数を選定できるようになり、電源ユニットの障害時にも高い電源効率を維持することが容易となる。

[適用例４]
適用例２記載の通信装置であって、前記制御部は、冗長方式として、電源効率を最大化するために必要な台数をＮとした場合に、Ｎ＋１台を選択する方式をとることを特徴とする通信装置。

[適用例５]
適用例２記載の通信装置であって、前記制御部は、冗長方式として、電源効率を最大化するために必要な台数をＮとした場合に、Ｎ＋Ｎ台を選択する方式をとることを特徴とする通信装置。

[適用例６]
適用例３記載の通信装置であって、前記制御部は、複数の冗長構成および非冗長構成をとりえる場合は、前記稼動可能台数から予め設定された構成に可能な限り近い構成となるように前記電源ユニットの動作数を決定することを特徴とする通信装置。
適用例４−６の構成をとることにより、より冗長性を高めることが容易となる。

本発明の構成をとることにより、柔軟で高い電源効率を有する通信装置を実現することが容易となる。

ネットワーク装置の正面図である。 ネットワーク装置の背面図である。 ネットワーク装置の内部構成図である。 電源ユニットの効率カーブの特性を示す図である。 電源ユニットの非冗長運転方式を説明する図である。 電源ユニットのＮ＋１冗長運転方式を説明する図である。 電源ユニットのＮ＋Ｎ冗長運転方式を説明する図である。 ネットワーク装置の動作を示す基本フローチャートである。 Ｎ＋Ｎ冗長運転時のサブフローチャートである。 Ｎ＋１冗長運転時サブフローチャートである。 電源ユニットの冗長方式選択表を示す図である。 省エネ運転による効果を説明する図である。

本実施例では図１，２に示すようなスイッチなどのネットワーク装置１０を例として説明する。図１はネットワーク装置１０の正面図であり、図２はネットワーク中継装置１０の背面図である。ネットワーク装置１０は、１系統用電源ユニット２０、２系統用電源ユニット２１、ネットワークインタフェース（以下ＮＩＦ）３０と、冷却ユニット４０、基本部ＣＳＵ（スイッチング制御機構：Control Switching Unit）５０、冗長部ＣＳＵ５１から構成される。ＣＳＵは冗長構成となっており、通常運用時は基本部ＣＳＵ５０が電源ユニット２０・２１やＮＩＦ３０、冷却ユニット４０など装置全体を制御している。なお、ＣＳＵのことを単に制御部とも呼ぶ。

次に図３を用いて、ネットワーク装置１０の内部構成について説明する。なお、図３においては基本部ＣＳＵ５０のみを図示し、冗長部ＣＳＵは省略している。電源ユニット２０・２１から電力供給を受ける負荷側のユニットであるＮＩＦ３０、冷却ユニット４０、ＣＳＵ５０の給電バスライン６０の入力部に電力モニタ回路６１（または電流、電圧モニタ回路）を設けている。電力モニタ信号６２と電源ユニットＯＮ／ＯＦＦ制御信号６３、実装・障害情報信号６４は各信号の入出力を示したものである。

電源ユニット２０・２１は入力ＡＣ４台の電源ユニット２０・２１から２台の冷却ユニット４０、２台のＣＳＵ５０・５１、４台のＮＩＦ３０に給電する。通常、この給電バスライン６０の電圧は−４８Ｖ、＋４８Ｖ、＋１２Ｖなどが一般的である。負荷側のユニットであるＮＩＦ３０、冷却ユニット４０、ＣＳＵ５０の給電バスライン６０の入力部に電力モニタ回路（または電流、電圧モニタ回路）を設け、負荷側ユニットの消費電力は電力モニタ信号６２を通じてＣＳＵ５０にて集計する。これは電源ユニット２０・２１の出力電力を集計しても同様の効果が得られる。

さらにＣＳＵ５０は実装・障害情報信号６４を常にモニタしており稼動可能な電源ユニット２０・２１の台数を常に把握している。またＣＳＵ５０は電源ユニットＯＮ／ＯＦＦ制御信号６３にて電源ユニット２０・２１を個別にＯＮ／ＯＦＦすることができる。

ＣＳＵ５０は集計した負荷側ユニットの消費電力と稼動可能な電源ユニットの台数に基づいて、電源ユニットの最適な稼動台数を後述する図８のフローチャートに従い決定する。

負荷側ユニットの消費電力は電力モニタ信号６２を通じてＣＳＵ５０にて集計することにより、変化する消費電力を随時把握することができ、その集計した消費電力をもとに稼動する電源ユニットの台数を決定しているので装置構成に変化がない場合でも消費電力の変化に対応して稼動させる電源ユニットの台数を変更することが可能である。また稼動させる電源ユニットの台数は電力モニタより集計した消費電力をもとに、電源ユニットの効率が最も高い負荷率になるように１台単位で制御することで、先行技術のようにＮ台とＭ台の２通りしかない制御方式よりきめ細かい省電力運転が可能となる。

図４は、電源ユニットの効率カーブの特性を示している。電源ユニットの高効率化と冗長運転方式を最適化するために電源ユニットの効率カーブの特性を事前に把握しておく。搭載する電源ユニット２０・２１の効率カーブを電源単体評価により取得しておく。効率カーブは同種の電源ユニットであればほぼ同じなので、たいていは代表電源ユニットを単体評価してあれば同じ効率カーブと考えて差し支えない。

また、電源ユニットの設計上、効率カーブの形状はある負荷率時を頂点にして低負荷、高負荷になるほど効率が低下するようになってしまうことが一般的である。例えばここであげる図４の電源ユニット２０・２１の効率カーブでは負荷率０．５（５０％）の時に効率が最も高く、それよりも低い負荷率の領域と高い負荷率の領域では効率が低くなっている。

先に述べたようにＮＩＦ３０、冷却ユニット４０はダイナミックに消費電力が変化するため、この変化する消費電力に応じて電源ユニット２０・２１をＯＮ／ＯＦＦ制御して負荷率を０．５（５０％）近辺になるように（電源効率が最も高くなるように）電源ユニット２０・２１の稼働台数を制御し、また必要な冗長運転を保持するように自動制御する。

次に図５−７を用いてネットワーク装置１０の運転方式について説明する。
図５は電源ユニット２０の非冗長運転方式を表している。ＮＩＦ３０、冷却ユニット４０、ＣＳＵ５０などの負荷（合計）が最大２ｋＷ以下で、１．０ｋＷの電源ユニット２０が２台搭載されている場合、電源ユニット２０が１台故障すると動作できなくなる。すなわち、電源ユニット２０が必要な台数だけ備えられている状態である。

図６は電源ユニット２０のＮ＋１冗長運転方式を表している。負荷（合計）が最大２ｋＷ以下で、１．０ｋＷの電源ユニットが３台搭載されている場合、電源ユニットが１台故障しても動作することが可能である。すなわち、電源ユニットが必要な台数＋１台備えられている状態である。

図７は電源ユニット２０・２１のＮ＋Ｎ冗長運転方式を表している。負荷（合計）が最大２ｋＷ以下で、１．０ｋＷの電源ユニットが４台搭載されている場合、電源ユニットが２台故障しても動作することが可能である。すなわち、電源ユニットが必要な台数の２倍備えられている状態である。

次に図８の基本フローチャートを用いて、ネットワーク装置１０の動作を説明する。また、Ｎ＋Ｎ冗長運転時サブフローチャートを図９、Ｎ＋１冗長運転時サブフローチャートを図１０に示す。

（１）基本フローチャートはシステムＰ．ＯＮ（パワーオン）、スケジュールの設定、構成情報変更のいずれかの契機で開始（８０）するが、各契機はユーザ設定でイネーブル／ディセーブル設定が可能である。なお、スケジュール設定では、例えば所定の日時を設定したり、所定の時間間隔を設定するなど、任意のスケジュールで基本フローチャートを動作させることができる。
（２）基本フローチャートを開始すると、ＣＳＵ５０は省エネ運転のＹｅｓ/Ｎｏ判定を行う（Ｓ８０１）。Ｙｅｓの場合はＳ８０２へ、Ｎｏの場合は通常運転として例えば全電源ユニットをＰ．ＯＮとする（Ｓ８０８）。省エネ運転を行うか否か（Ｙｅｓ/Ｎｏ）は予めユーザにより設定されている。
（３）Ｓ８０２では、ＣＳＵ５０が、電源ユニットの稼動可能台数を実装台数と障害台数の差分から求める。「稼動可能台数＝実装台数―障害台数」により算出する。

（４）Ｓ８０３において、初期設定時はユーザが選択可能な冗長方式を、電源ユニットの稼動可能台数（稼動台数）および定格容量（定格電力）と負荷ユニットの消費電力からＣＳＵ５０が下記に従い判断し、外部コンソールなどに表示する。ＣＳＵ５０は、集計した消費電力（負荷ユニット全体の消費電力）が「消費電力≦稼動台数×定格容量／２」且つ「稼動台数≧２」が真であれば電源ユニットのＮ＋Ｎ冗長またはＮ＋１冗長運転が可能であると判断する。また「消費電力≦（稼動台数−１）×定格容量」が真であれば電源ユニットのＮ＋１冗長可能が可能であると判断する。上記のいずれも偽であれば電源ユニットの冗長運転不可と判断する。初期設定時以外は、外部コンソールへの表示は行わず、選択可能な冗長方式の判断とユーザから設定されている冗長方式の確認を行えばよい。

（５）Ｓ８０４では、ユーザが設定した冗長方式と（４）の判断結果をもとに、ＣＳＵ５０が図１１の表に従いネットワーク装置の冗長方式を選択する。ユーザ設定と異なる方式を選択した場合と非冗長時は警告表示する。例えば、ユーザがＮ＋Ｎ冗長を設定し、（４）で選択可能な冗長方式がＮ＋Ｎ冗長であればＮ＋Ｎ冗長を選択する。しかしユーザがＮ＋Ｎ冗長を設定しているのにＮ＋１冗長しか選択できない場合はＮ＋１冗長を選択し、ユーザ設定と異なる冗長方式ある旨の警告表示をする。

Ｎ＋Ｎ冗長運転方式を選択した場合はＳ８０５として図９のＮ＋Ｎ冗長運転時サブフローチャートに従い、Ｎ＋１冗長運転方式を選択した場合はＳ８０６として図１０のＮ＋１冗長運転時サブフローチャートに従う。

（６）Ｓ８０５として、ＣＳＵ５０が図９のＮ＋Ｎ冗長運転時サブフローチャートにより、Ｐ．ＯＮする電源ユニットの台数を決定する。
（６ａ）ｎの算出（Ｓ９０１）
ｎ＝稼動可能電源ユニット数／２（ｎは小数点以下切捨て） とする。
（６ｂ）最も電源効率ηの良い電源台数を選択する（Ｓ９０２）。
最も電源効率が良くなる負荷率をＬｆ_aim、電源台数Ｎが1〜ｎの時の各負荷率は「消費電力/（Ｎ×２×定格電力）」（Ｎ＝１、２…ｎ）で求め、Ｌｆ_aimと各ｎ時の負荷率の差分の絶対値「Ｄｆｆｎ＝｜Ｌｆ_ａｉｍ―消費電力／（Ｎ×２×定格電力）｜」（Ｎ＝１、２…ｎ）が最小のＮを最も電源効率ηの良い電源台数Ｎとする。
（６ｃ）構成情報
構成情報中に電源ユニット２０・２１を実装する位置と入力系統を関連付けておく。
（６ｄ）Ｐ．ＯＮする電源ユニットの台数（Ｓ９０３）
構成情報を参照し、各入力系統からそれぞれＮ台の電源ユニットをＰ．ＯＮする。

（７）Ｓ８０６としてＣＳＵ５０が図１０のＮ＋１冗長運転時サブフローチャートによりＰ．ＯＮする電源ユニットの台数を決定する
（７ａ）ｎの算出（Ｓ１００１）
ｎ＝稼動可能電源ユニット数―１（ｎは小数点以下切捨て） とする。
（７ｂ）最も電源効率ηの良い電源台数を選択する（Ｓ１００２）。
最も電源効率が良くなる負荷率をＬｆ_aim、電源台数Ｎが1〜ｎの時の各負荷率は「消費電力/（Ｎ×定格電力）」（Ｎ＝１、２…ｎ）で求め、Ｌｆ_aimと各ｎ時の負荷率の差分の絶対値「Ｄｆｆｎ＝｜Ｌｆ_aim―消費電力/（Ｎ×定格電力）｜」（Ｎ＝１、２…ｎ）が最小のＮを最も電源効率ηの良い電源台数Ｎとする。
（７ｃ）Ｐ．ＯＮする電源ユニットの台数（Ｓ１００３）
任意のＮ＋１台の電源をＰ．ＯＮする。

図８のフローチャートを用いた動作を図３のネットワーク装置１０を用いた例で説明する。
本実施例の電源ユニット２０・２１の定格電力は１０００Ｗであり、また効率カーブは図４であることを電源ユニットの単体評価により得ているとする。この図４からを実施例で使用する電源ユニットを負荷率が０．５の時、最も高い効率となっていることが分かる。

次にこのネットワーク装置１０の構成は基本部ＣＳＵ５０が１ユニット、冗長部ＣＳＵ５１が１ユニット、ＮＩＦ３０が４ユニット、冷却ユニット４０が２ユニット搭載されており、さらにそれらに給電する電源ユニット２０．２１がそれぞれ２ユニットの合計４ユニットでＮ＋Ｎ冗長運転の構成で全ユニットは正常動作している。

また通常動作時、各ユニットの入力部にある電力モニタ回路６１によりリアルタイムに電力モニタしておりその情報は基本部ＣＳＵ５０に送られ、ＣＳＵ５０で集計されており、その値はＣＳＵ５０、５１が各４００Ｗ、ＮＩＦ３０が各２５０Ｗ、冷却ユニットが２５Ｗである。つまり通常動作時このネットワーク装置１０の消費電力合計は「４００Ｗ×２＋２５０Ｗ×４＋２５Ｗ×２＝１８５０Ｗ」である。

本実施例であるネットワーク装置１０は図８のフローチャートに従い稼動電源ユニット数を制御している。まずユーザが本ネットワーク装置１０を省エネ運転モードで使用するか否かをあらかじめ設定していて、省エネ運転モードを選択している場合は次に電源ユニットの稼働台数を確認する（Ｓ８０２）。ここでは電源実装台数が４ユニットで全て正常動作しているので「稼動台数＝実装台数―障害台数＝４台―０台＝４台」となる。次は選択可能冗長モードの表示（Ｓ８０３）である。

「電源ユニットの稼動台数×定格容量／２＝４台×１０００Ｗ/２＝２０００Ｗ≧１８５０Ｗ」となり装置の所要電力１８５０Ｗより大きく且つ「電源の稼動台数≧２」なのでＮ＋Ｎ冗長が可能と判断し、図１１の表に従いユーザ設定がＮ＋Ｎ冗長であり、そしてＮ＋Ｎ冗長が可能と判断されたので、装置の外部コンソールにはＮ＋Ｎ冗長運転と表示する。

仮に使用しているＮＩＦ３０の消費電力が３５０Ｗだった場合は装置の消費電力合計は「４００Ｗ×２＋３５０Ｗ×４＋２５Ｗ×２＝２２５０Ｗ」となり、「消費電力≦稼動台数×定格容量／２＝２０００Ｗ」且つ「稼動台数≧２」は偽となりＮ＋Ｎ冗長は不可能。「消費電力≦（稼動台数−１）×定格容量＝３０００Ｗ」は真となりＮ＋１冗長が可能と判断し、図１１の表に従い設定がＮ＋Ｎ冗長そしてＮ＋１冗長が可能と判断されたのでＮ＋１冗長であることを装置の外部コンソールに表示し、ユーザ設定であるＮ＋Ｎ冗長と違うことを警告表示する。この図１１の表は一例でありこの表と全く同じである必要はない。

本実施例ではＮ＋Ｎ冗長が可能であると判断し、図９のＮ＋Ｎ冗長運転時サブフローチャート（Ｓ８０５）を実行する。ｎ算出では「Ｎ＝稼働台数/２＝２」である。本実施例の電源ユニットの効率カーブから最も効率の良くなる負荷率は「Lf_aim＝０．５」である。そしてＮ＝１、Ｎ＝２時の「Dｆｆｎ＝｜Lf_aim−消費電力/（N×２×定格電力）｜」を計算する。Ｎ＝１の時、「Ｄｆｆ１＝｜０．５−１８５０Ｗ／（１×２×１０００Ｗ）｜＝０．４２５」となり、Ｎ＝２の時、「Ｄｆｆ２＝｜０．５−１８５０Ｗ／（２×２×１０００Ｗ）｜＝０．０３７５」となるため、Ｎ＝２の時が最小となるので、Ｎ＝２を選択する。なお、Ｓ８０７では電源稼動状況の表示として、現在稼動中の電源ユニットがＮ＋Ｎ冗長運転中であることを表示する。

本実施例のネットワーク装置１０の構成情報には図７の情報、つまり各電源ユニット２０は１系統、電源ユニット２１は２系統である構成情報があり、1系統に接続されている電源ユニット２０から２台、電源ユニット２１から２台を選択し稼動電源ユニットとする。本実施例では電源ユニット２０、電源ユニット２１それぞれ最大２台なのでＰ．ＯＦＦする電源ユニットは無いが、仮にそれぞれ３台以上の電源ユニットが存在した場合は、それぞれ１台の電源ユニットをＣＳＵからＰ．ＯＦＦ指示する。これにより電源効率が最も良い電源ユニット台数にてネットワーク装置１０を稼動することになり電源力消費を抑えることができる。

図１２はＮ＋１冗長時の効果の例を示す図である。

１０…ネットワーク装置
２０…１系統用電源ユニット
２１…２系統用電源ユニット
３０…ＮＩＦ
４０…冷却ユニット
５０…基本部ＣＳＵ
５１…冗長部ＣＳＵ
６０…給電バスライン
６１…電力モニタ回路
６２…電力モニタ信号
６３…電源ユニットＯＮ／ＯＦＦ制御信号
６４…実装・障害情報信号

Claims (6)

1. 複数の冷却ユニットと、
   複数のインターフェース部と、
   装置全体を制御する制御部と、
   複数の電源ユニットとを有し、
   前記冷却ユニットと、前記インターフェース部と、前記制御部はそれぞれ電力モニタ回路を有し、
   前記制御部は、前記電力モニタ回路から収集した消費電力と、予め測定してある前記電源ユニットの電源効率を基に前記電源ユニットの動作数を決定することを特徴とする通信装置。
2. 請求項１記載の通信装置であって、
   前記制御部は、前記電源ユニットの動作数を決定する場合、前記電源効率を最大にするために必要な前記電源ユニットの数に予め設定された所定の数を追加した冗長構成とすることを特徴とする通信装置。
3. 請求項２記載の通信装置であって、
   前記制御部は、前記電源ユニットの稼動可能台数を実装台数と障害台数の差分から求め、前記稼動可能台数を上限として、前記電源ユニットの動作数を決定することを特徴とする通信装置。
4. 請求項２記載の通信装置であって、
   前記制御部は、冗長方式として、電源効率を最大化するために必要な台数をＮとした場合に、Ｎ＋１台を選択する方式をとることを特徴とする通信装置。
5. 請求項２記載の通信装置であって、
   前記制御部は、冗長方式として、電源効率を最大化するために必要な台数をＮとした場合に、Ｎ＋Ｎ台を選択する方式をとることを特徴とする通信装置。
6. 請求項３記載の通信装置であって、
   前記制御部は、複数の冗長構成および非冗長構成をとりえる場合は、前記稼動可能台数から予め設定された構成に可能な限り近い構成となるように前記電源ユニットの動作数を決定することを特徴とする通信装置。

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