INCREASE IN EFFICIENCY OF INTERACTION OF A GROUP OF COMPUTERS WITH ELECTRICAL SUPPLY NETWORK
Authors:
1.
Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin
2.
Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin
Type:
Article
Pages:
from 83
to 89
Status:
Published
Received:
05.01.2013
Accepted:
25.01.2013
Published:
25.01.2013
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.314.58:004.38
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK [32.973-04:96-04]:31.29
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 621.314.58:004.38
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK [32.973-04:96-04]:31.29
Language:
Russian
Keywords:
system approach, energy conservation, power correction factor, power grid, switching power supply
Abstract (English):
For solution of the problem of increasing the efficiency of energy consumption of a group of personal computers, the method based on the system approach is presented. The interaction of both a separate switching power supply and the whole groups of power grids is studied. The results of modeling obtained in the Matlab + Simulink medium are given. The efficiency of the use of power correction factor in a single switching power supply is shown. The results of the studies are recommended to be used in organization of optimal interaction of computers with a power grid.
For solution of the problem of increasing the efficiency of energy consumption of a group of personal computers, the method based on the system approach is presented. The interaction of both a separate switching power supply and the whole groups of power grids is studied. The results of modeling obtained in the Matlab + Simulink medium are given. The efficiency of the use of power correction factor in a single switching power supply is shown. The results of the studies are recommended to be used in organization of optimal interaction of computers with a power grid.
Keywords:
system approach, energy conservation, power correction factor, power grid, switching power supply
system approach, energy conservation, power correction factor, power grid, switching power supply
Введение Источники питания являются неотъемлемой частью практически любой электронной системы. В настоящее время они сформировали масштабный рынок, растущий с огромной скоростью. На протяжении многих лет источники питания состояли из сложных комбинаций аналоговых и силовых полупроводниковых компонентов, и в последнее время степень их сложности выросла в связи с увеличением доли импульсных источников питания и вытеснения ими линейных. В последнее десятилетие многие российские компании, оснащенные компьютерной техникой и имеющие компьютерные сети численностью от 20-и до более чем тысячи персональных компьютеров (ПК), столкнулись с серьезной проблемой. Суть ее состоит в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в этом случае «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками [1]. Все страны на определенном этапе концентрации компьютерной техники сталкиваются с этой проблемой и вынуждены искать эффективные пути ее решения. Борьба с гармониками затруднена тем фактом, что нередко источником возмущений является оборудование, жизненно важное для предприятия. При электроснабжении группы ПК с использованием импульсных блоков питания можно столкнуться с проблемой негативного воздействия высших гармоник, которая приводит: - к искажению синусоидальности питающего напряжения; - дополнительным потерям в трансформаторах; - необоснованному срабатыванию предохранителей и автоматических выключателей; - ускоренному старению изоляции проводов и кабелей; - помехам в сетях телекоммуникаций. В случае, когда доля мощности нелинейных потребителей не превышает 10–15 %, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения не возникает. При превышении указанного предела возникают проблемы в эксплуатации, причины которых не являются очевидными. В здании, имеющем долю нелинейной нагрузки свыше 25 %, отдельные проблемы могут проявиться сразу [2]. Для решения задачи повышения эффективности использования электроэнергии нами предложен метод, основанный на системном подходе, который позволяет оптимизировать энергопотребление импульсных блоков питания ПК. Метод отражает характерную для современных информационных технологий тенденцию к «интеллектуализации нагрузок» (рис. 1) и предполагает несколько уровней управления энергопотреблением нелинейной нагрузки, первым из которых является использование специального устройства на основе оптического бесконтактного датчика присутствия (БДП) в рамках концепции «зеленого персонального компьютера» [3, 4]. «Зеленый персональный компьютер» Импульсный источник питания Рис. 1. Управление электропитанием при реализации концепции «зеленый персональный компьютер» Идея заключается в следующем – пока пользователь работает за ПК, перехода в режим пониженного энергопотребления не происходит. Если пользователь покидает свое рабочее место, то датчик срабатывает, сигнализируя о том, что пользователя нет перед ПК, и посылает сигнал о том, что необходимо перейти в режим пониженного энергопотребления. Таким образом, потребление энергии в отсутствие пользователя за ПК сводится к минимуму. Это, в свою очередь, ведет к уменьшению негативного воздействия импульсных блоков питания ПК на питающую сеть. На рис. 2 и 3 изображены графики потребления электроэнергии учебным ПК без и с использованием предлагаемого устройства. Из анализа графиков видно: применение устройства на основе оптического БДП позволяет сэкономить потребление электроэнергии во время простоя ПК, что существенно отразится на общем потреблении электроэнергии в целом. При этом исключается искажающее влияние ПК на питающую сеть во время простоев. Согласно результатам экспериментов, при использовании предлагаемого устройства экономия электроэнергии составляет 36 %. Для компьютерной сети всего образовательного учреждения «Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина», насчитывающей более 2 000 компьютеров, экономия составит около 260 кВт · ч за один учебный день. Вторым уровнем управления энергопотреблением в рамках концепции «зеленого персонального компьютера» является использование встроенных функций энергосбережения базовой системы ввода-вывода (БСВВ), микропрограммы, предназначенной для предоставления операционной системе интерфейса прикладного программирования, который, в свою очередь, предоставляет доступ к аппаратуре ПК и подключенным к нему устройствам. Рис. 2. График потребления электроэнергии учебным ПК без оптического БДП Рис. 3. График потребления электроэнергии учебным ПК с оптическим БДП Настройка БСВВ ПК в режим оптимального энергопотребления включает в себя различные состояния управлением электропитания. Перечислим наиболее значимые (глобальные состояния) системы в целом: - режим сна; - ждущий режим; - режим гибернации; - гибридный режим сна. Настраиваются режимы конкретным пользователем под свой рабочий график. Сочетание возможностей второго уровня с БПД дает дополнительную экономию электроэнергии в размере 6–8 %. Третий уровень связан с исследованием импульсного источника питания (ИИП) как электрической нагрузки. Импульсный источник питания для питания компьютера условно можно разделить на две части: 1) входной выпрямитель с емкостным фильтром; 2) инверторная часть с выходными выпрямительными цепями и фильтрами. Поскольку частота промежуточного преобразования в ИИП составляет 40 кГц и выше, а 40-я гармоника, учитываемая, согласно ГОСТ 13109-97, как максимальная при расчете коэффициента искажения синусоидальности кривой, равна 2 кГц, инверторной частью при рассмотрении взаимодействия ИИП с питающей сетью можно пренебречь. На рис. 4 приведены эпюры входного тока при моделировании работы ИИП без инверторной части. Анализ результатов моделирования свидетельствует о правомочности подобного допущения для анализа ИИП как электрической нагрузки. Изображенные эпюры соответствуют случаю, когда включен один ИИП (N = 1) с параметрами входного фильтра (Lвх = 1 мГн, RLвх = 0,05 Ом), емкостью конденсатора на выходе выпрямителя C = 330 мкФ и величиной нагрузки R = 180 Ом. Модель реализована в среде Matlab + Simulink [5]. Коэффициент искажения синусоидальности кривой сетевого напряжения, рассчитанный согласно ГОСТ 13109-97 по первым 40 гармоникам, равен КИСК = 0,88 %. Рис. 4. Напряжение сети и входной ток при N = 1 При увеличении числа подключаемых к сети ИИП до N = 10 происходит ухудшение качества кривой напряжения сети. На рис. 5 показан случай, когда происходит увеличение КИСК до уровня, превышающего допустимый, т. е. КИСК = 5,12 %. Улучшение последнего показателя возможно несколькими способами. Самый простой – это использование входных фильтров, но этот вариант приводит к увеличению массы и габаритов ИИП, а также к снижению КПД. Перспективным видится другой путь, связанный с использованием корректора коэффициента мощности (ККМ) [6], что составляет суть 3-го уровня управления. Данный способ преодолевает указанные выше недостатки, а некоторое усложнение схемотехнического решения, в век бурно прогрессирующей модульной электроники, не является существенным ограничением в его широком использовании. На рис. 6 показана модель импульсного источника питания с ККМ, реализованная в среде Matlab + Simulink. Рис. 5. Напряжение сети и входной ток при N = 10 Рис. 6. Модель импульсного источника питания с ККМ в среде Matlab + Simulink На рис. 7 представлены эпюры основной гармоники сетевого напряжения и входного тока ИИП с ККМ, полученные с помощью разработанной модели. Частота широтно-импульсного модулятора составляет 5 кГц, что, согласно вышеприведенным оценкам качества кривой, позволяет пренебречь влиянием сопутствующих высших гармоник на оценку КИС кривой сетевого напряжения, рассчитываемого согласно ГОСТ 13109-97. Введение в ранее описанный эксперимент с числом подключаемых к сети ИИП N = 10 всего одного источника питания с ККМ снижает КИСК с 5,12 до 4,65 %, а в случае двух подобных источников – до 4,17 %, что соответствует допустимому диапазону. Рис. 7. Эпюры основной гармоники сетевого напряжения и входного тока ИИП с ККМ Результаты серии численных экспериментов для количества ИИП выше N = 10 позволяют сделать предположение, что оптимальным соотношением между ИИП с ККМ и без него для надежного решения задачи 3-го уровня взаимодействия группы компьютеров с питающей сетью является отношение 20/80 (эмпирическое правило Парето). Заключение 1. Показана актуальность задачи взаимодействия группы компьютеров с питающей сетью, связанная с ростом количества офисной техники. Для решения поставленной задачи предложен метод, основанный на системном подходе, включающем три уровня управления энергопотреблением нелинейной нагрузки. 2. Два уровня – первый и второй – отражают характерную для современных информационных технологий тенденцию к «интеллектуализации нагрузок» и реализуются соответственно на основе оптического БДП и возможностей операционной системы компьютеров. На примере компьютерной сети Саратовского государственного технического университета им. Ю. А. Гагарина, насчитывающей более 2 000 компьютеров, показано, что экономия может достигать величины 260 кВт ч за один учебный день. 3. Для реализации 3-го уровня управления, связанного с уменьшением искажающего влияния источников питания на питающую сеть, предложено использовать ККМ. В среде Matlab + Simulink реализована модель ИИП с ККМ. 4. Проведены численные эксперименты взаимодействия с питающей сетью как отдельного ИИП, так и целых групп, при различных параметрах внутренних цепей ИИП. Полученные результаты позволяют сделать предположение, что оптимальным количественным отношением в группе между ИИП с ККМ и без него, обеспечивающим допустимый диапазон искажения качества питающего напряжения, является 20/80, что соответствует эмпирическому правилу Парето.
1. Kusko A., Tompson M. Kachestvo energii v elektricheskih setyah. – M.: Dodeka-XXI, 2008. – 336 s.
2. Vysshie garmoniki v setyah elektrosnabzheniya 0,4 kV / O. Grigor'ev, V. Petuhov, V. Sokolov, I. Krasilov.// Centr elektromagnitnoy bezopasnosti. – 2005: http://www.tesla.ru/publications/index.php? subaction=showfull& id=1117384465&archive=&start_from=&ucat=6. – 12.12.2011.
3. Mykolenko D. A., Nechaev A. A., Taranov C. A. Koncepciya «zelenogo personal'nogo komp'yutera» // Issledovanie, razrabotka i primenenie vysokih tehnologiy v promyshlennosti: sb. nauch. tr. VI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. – SPb.: Izd-vo politehn. un-ta, 2008. – S. 37.
4. Mykolenko D. A., Nechaev A. A. Ispol'zovanie opticheskogo beskontaktnogo datchika dlya energosberezheniya v personal'nom komp'yutere «vse v odnom» // Analiz, sintez i upravlenie v slozhnyh sistemah: sb. nauch. tr. – Saratov: SGTU, 2010. – S. 103–107.
5. Chernyh I. V. Modelirovanie elektrotehnicheskih ustroystv v MATLAB, SimPowerSystems i Simulink. – M.: Izd. dom «Piter», 2007. – 288 s.
6. Wu Keng C. Switch-mode power converters. Design and Analysis. – San Diego, California, USA: Elsevier Academic Press, 2006. – 392 p.
