smart grid SN 1809-1946 Cadernos CPqD no Brasil smart grid ...€¦ · telecomunicações para...

ISS

N 1

809-

1946

www.cpqd.com.br

R. Dr. Ricardo Benetton Martins, s/nParque II do Polo de Alta Tecnologia CEP 13086-902 – Campinas – SP

Vol. 9 • n. 1 • janeiro/junho 2013

Cadernos CPqD

Tecnologia

Cadernos CPqD

TecnologiaEdição Especial: Smart GridEdição Especial: Smart Grid

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3

O desafio das infraestruturas de telecomunicações para smart gridNelson Mincov

Os desafios da implementação dos projetos-piloto de smart grid no BrasilLuiz Carlos Neves, Alexandre Bagarolli

Desafios para a interação com o consumidor: um panorama sociotécnico para a mudança tecnológicaLara Schibelsky Godoy Piccolo

Soluções flexíveis de telecomunicação aplicadas ao setor elétrico Edson José Bonon, Marcos Guimarães Castello Branco, Luis Cláudio Palma Pereira

Infraestruturas avançadas de mediçãoRogério Botteon Romano, Paulo Eduardo Sípoli Faria

Técnicas para a determinação do diagrama de irradiação de antenas de microfita esféricas circularmente polarizadasDaniel Basso Ferreira

Propriedade intelectual do CPqD

Cadernos CPqD TecnologiaEditores-Chefes Claudio A. Violato

Rege Romeu Scarabucci

Editores ExecutivosDiretoria de Gestão da Inovação

Alberto ParadisiMoacir Giansante

Tania Regina Tronco

Comitê Editorial(Fórum de P&D do CPqD)

Rege Romeu Scarabucci (Representante do Conselho Curador do CPqD)Jamil Haddad (Universidade Federal de Itajubá – Unifei)

José Carlos Maldonado (Universidade de São Paulo – USP) Luci Pirmez (Sociedade Brasileira de Computação – SBC)

Antonio Jorge Gomes Abelém (Sociedade Brasileira de Computação – SBC)Michel Daoud Yacoub (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)

Murilo Araujo Romero (Sociedade Brasileira de Microondas e Optoeletrônica – SBMO)Raimundo Sampaio Neto (Sociedade Brasileira de Telecomunicações – SBrT)

Preparação e Diagramação Elisabete da Fonseca

Juliana Cristina Fernandes PereiraMaria Fernanda Simonetti Ribeiro de Castilhos

Maria Paula Gonzaga Duarte RochaSergio Ricardo Mazzolani

Thaís Ribeiro Bueno

Tiragem800 exemplares

Correspondência e Pedidos de AssinaturaAdriana Maria Antonietta Bevilacqua

Assessoria de Desenvolvimento Corporativo – ADCDr. Ricardo Benetton Martins, s/n – Parque II do Polo de Alta Tecnologia

CEP 13086-902 – Campinas – SP – BrasilDDG: 0800.7022773

e-mail: [email protected]

Diretoria do CPqDPresidente: Hélio Marcos M. Graciosa

Vice-Presidente de Tecnologia: Claudio A. ViolatoVice-Presidente Comercial: José Eduardo Azarite

Vice-Presidente Financeiro: Sebastião Sahao Junior

Cadernos CPqD Tecnologia. Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento

em Telecomunicações. Campinas, SP, v. 1, n. 1 (jan./dez. 2005 -) v.il.; 30 cm.

v.9, n.1, jan./jun. 2013SemestralResumos em português e inglêsISSN 1809-1946

1. Tecnologia. 2. Telecomunicações. I. Fundação CPqD

CDD 621.38

A revista Cadernos CPqD Tecnologia é uma publicação da Fundação CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações, dedicada à divulgação das pesquisas desenvolvidas pela instituição. A revista é distribuída gratuitamente.

mailto:[email protected]

Cadernos CPqD TecnologiaVol. 9, n. 1, jan./jun. 2013

Apresentação

Claudio A. Violato.......................................................................................................................................3

Prefácio

Rege Romeu Scarabucci ..........................................................................................................................5

O desafio das infraestruturas de telecomunicações p ara smart grid

Nelson Mincov............................................................................................................................................7

Os desafios da implementação dos projetos-piloto de smart grid no Brasil

Luiz Carlos Neves, Alexandre Bagarolli...................................................................................................15

Desafios para a interação com o consumidor: um pano rama sociotécnico para a mudançatecnológica

Lara Schibelsky Godoy Piccolo................................................................................................................23

Soluções flexíveis de telecomunicação aplicadas ao setor elétrico

Edson José Bonon, Marcos Guimarães Castello Branco, Luis Cláudio Palma Pereira..........................31

Infraestruturas avançadas de medição

Rogério Botteon Romano, Paulo Eduardo Sípoli Faria............................................................................37

Técnicas para a determinação do diagrama de irradia ção de antenas de microfita esféricascircularmente polarizadas

Daniel Basso Ferreira..............................................................................................................................47

Propriedade intelectual do CPqD .............................................................................................................65

Cad. CPqD Tecnologia , Campinas, v. 9, n. 1, p. 1-88, jan./jun. 2013

ISSN 1809-1946

Apresentação

Pela terceira vez, desde a sua criação, a revista Cadernos CPqD Tecnologia traz a seus leitores uma Edição Especial, desta vez com enfoque no tema das redes elétricas inteligentes (smart grids), cuja importância para o desenvolvimento do setor elétrico tem sido constantemente ratificada no cenário mundial, e no qual, em muitos aspectos, o CPqD tem tido atuação pioneira junto às principais concessionárias de energia.

Como tem ocorrido em outros países, o setor elétrico brasileiro se mostra com um grande potencial de mercado para as tecnologias de smart grid, estimulando investimentos públicos e privados, principalmente, no que concerne a aspectos de segurança e eficiência energética. Atento a esse fato, o CPqD, com o apoio do programa de P&D da ANEEL, tem desenvolvido diversas tecnologias e sistemas inovadores para as empresas concessionárias de energia, com o intuito de criar soluções que assegurem maior produtividade.

Além de divulgar resultados importantes alcançados nos projetos de pesquisa e desenvolvimento de tecnologias para smart grid, que demonstram o espírito inovador das equipes de pesquisadores do CPqD, estamos apresentando também os pedidos de patente depositados no INPI no período de dezembro de 2012 a maio deste ano – foram 18 pedidos de patente depositados e 1 patente concedida, indicando o sucesso do processo de inovação do CPqD.

Agradecemos a todos os autores, que permitiram a realização desta edição, bem como a todos os membros do Comitê Editorial e aos demais revisores pela inestimável colaboração no processo de avaliação e revisão.

Com isso, esperamos que nossos leitores encontrem informações atualizadas e aprofundadas sobre um dos temas mais relevantes para o setor elétrico e para as Tecnologias da Informação e Comunicação.

Boa leitura!

Claudio A. ViolatoVice-Presidente de Tecnologia

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 9, n. 1, p. 3, jan./jun. 2013

Prefácio

No presente número da revista Cadernos CPqD Tecnologia são apresentados cinco artigos envolvendo a área de smart grid e um artigo sobre irradiação de antenas de microfibra, todos eles trabalhos recentes de pesquisa e desenvolvimento do CPqD.

No primeiro artigo, Mincov relaciona e discute os principais desafios das infraestruturas de telecomunicações para smart grid enfrentados no Brasil, um país continental com aspectos geográficos, sociais e culturais e de distribuição da população nas metrópoles e áreas rurais. Além disso, o artigo apresenta uma metodologia para a elaboração de diretrizes técnicas para a preparação de um plano de evolução e migração de tecnologias de comunicação a serem utilizadas na construção de uma rede de comunicação nas empresas concessionárias de energia elétrica.

No segundo artigo, Neves e Bagarolli apresentam uma análise dos principais desafios referentes a tecnologias, desenvolvimento de métricas para avaliação de resultados e envolvimento do consumidor e regulamentação dos projetos-piloto de smart grid que estão em execução no Brasil.

No terceiro artigo, Piccolo mostra que a interação com o consumidor é influenciada por (e pode influenciar) uma complexa cadeia de stakeholders. Mapeá-los e compreender suas principais preocupações e motivações é o primeiro passo no estudo de soluções adequadas para a implantação de smart grid em um determinado contexto. Assim, este trabalho apresenta uma análise preliminar dos stakeholders relacionados à introdução dessa nova tecnologia, tendo a Semiótica organizacional como principal referencial teórico-metodológico.

No quarto artigo, Bonon e outros colaboradores apresentam diversas soluções de gateways multi-interfaces e multitecnologia desenvolvidas em dois projetos de P&D ANEEL junto às concessionárias Cemig e Light. Esses gateways permitem a interligação de diversos elementos (máquinas e pessoas) atendendo suas diversas aplicações ao longo de toda a planta das concessionárias.

No quinto artigo, Romano e Faria apresentam sucintamente os conceitos básicos, os benefícios, uma análise técnica das principais funcionalidades e as expectativas da ANEEL sobre infraestrutura avançada de medição (AMI) para a rede elétrica inteligente – smart grid. Adicionalmente, é apresentada uma visão geral das AMIs que estão sendo testadas, com a participação do CPqD, nas principais concessionárias distribuidoras de energia elétrica no Brasil: Cemig-D, Eletrobras, Celpe, Eletropaulo e Light.

Por fim, o sexto artigo, de Ferreira, apresenta duas técnicas para a determinação do diagrama de irradiação de antenas de microfita esféricas circularmente polarizadas. A primeira delas trata do modelo de fenda, já bastante utilizado na análise de antenas de microfita planas e cilíndricas eletricamente finas; a outra emprega o método da corrente elétrica superficial, utilizando as funções de Green no domínio espectral. Além disso, é introduzido um novo procedimento, que dispensa análise gráfica, para automatizar os cálculos. As antenas estudadas ao longo do artigo são também simuladas, como forma de validar os resultados obtidos com as duas técnicas de análise acima descritas.

Agradeço a cada um dos autores que participam deste exemplar e aos meus colegas do Fórum de P&D pelo cuidadoso trabalho de revisão.

Rege Romeu ScarabucciPresidente do Fórum de P&D do CPqD

Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 9, n. 1, p. 5, jan./jun. 2013

O desafio das infraestruturas detelecomunicações para smart grid1

Nelson Mincov*

Este artigo discute os principais desafios das infraestruturas de telecomunicações para smart gridenfrentados no Brasil, um país continental com aspectos geográficos, sociais e culturais e de distribuiçãoda população nas metrópoles e nas áreas rurais. As operadoras de telecomunicações que atuam no Paíscobrem os municípios brasileiros com serviços de telefonia fixa e celular, mas ainda existemnecessidades não atendidas, em termos de redes de comunicação para os requisitos das empresasconcessionárias de energia elétrica. Aos desafios citados somam-se os desafios tecnológicos queabrangem desde os equipamentos para construção das redes de comunicação até os protocolosutilizados e as arquiteturas de comunicação utilizadas. Sob o ponto de vista operacional, surgem diversosdesafios inerentes ao desenvolvimento do planejamento, do projeto e da implantação das redes decomunicação. Para o desenvolvimento ou a utilização de uma infraestrutura de telecomunicações parafins de aplicações smart grid, é imprescindível a adoção de padrões, normas e melhores práticas. Oartigo apresenta uma metodologia para a elaboração de diretrizes técnicas para a preparação de umplano de evolução e migração de tecnologias de comunicação que podem ser utilizadas na construçãode uma rede de comunicação nas empresas concessionárias elétricas.

Palavras-chave: Redes de comunicação. Engenharia de redes. Smart grid. Padrões. Topologia de redesde telecomunicações.

Introdução

O Brasil possui uma grande diversidade decenários para a construção de soluções deinfraestrutura de telecomunicações: é um paíscom dimensões continentais, topografia variada1,diversas configurações de relevo (desde o planoaté o montanhoso), vegetação também bastantevariada, com florestas, cerrados, pantanal,mangues, etc., e, por fim, diversos tipos de clima:tropical, tropical-úmido, semiárido, entre outros.Essas características possibilitam obter índicesde temperatura que variam de 0ºC até 40ºC eumidades relativas que vão de baixa (clima seco)até alta (clima úmido).Além dessas características, o Brasil possuiainda áreas geográficas com alta densidadepopulacional, presentes em grandes metrópolescomo São Paulo, Rio de Janeiro, Minas Gerais,Curitiba, etc., bem como áreas com baixa ebaixíssima densidade populacional, sendoconsideradas áreas suburbanas e rural,respectivamente.Tais características, por si só, trazem muitosdesafios para o desenvolvimento de soluções deinfraestrutura de telecomunicações para o uso desmart grid. Somam-se a esses desafios osobstáculos inerentes ao processo deregulamentação, atualmente sobresponsabilidade da ANATEL e da ANEEL(órgão regulador do setor elétrico).

1 Celular

As operadoras de serviço móvel celular,tipicamente conhecidas como operadorascelulares, têm a missão de prover recursos detelecomunicações para o atendimento dapopulação brasileira. A Tabela 1 indica que, emmarço de 2013, essas operadoras estãoatendendo 100% da população brasileira com oserviço de voz2.

Tabela 1 Porcentagem da população atendida Operadora Municípios atendidos População atendida

VIVO 3.753 91,1%

CLARO 3.634 91,3%

TIM 3.357 90,8%

OI 3.316 87,9%

CTBC 99 1,9%

AEIOU 5 7,6%

SERCOMTEL 2 0,3%

Brasil 5.565 100,0%

Fonte: ANATEL

Para os serviços de dados2, as informaçõesrelativas a fevereiro de 2013, indicadas naTabela 2, mostram que há um atendimento de88,07% da população, sendo que a tecnologiautilizada é o 3G (terceira geração), consideradoum serviço de banda larga.

1 Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Disponível em: <www.Ibge.gov.br>.2 Teleco. Disponível em: <www.telecom.br>.*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].



Tabela 2 Serviço 3GREGIÃO Município % Município População %População

1 e 2 SP CAPITAL INTERIOR

557 86,36% 41.348.763 93,68%

3 RJ/ES 170 100,00% 19.809.432 100,00%

4 MG 617 72,33% 18.203.865 91,68%

5 PR/SC 384 55,49% 14.833.585 87,45%

6 RS 399 80,44% 10.418.119 95,73%

7 C. OESTE 249 36,67% 14.633.700 80,45%

8 NORTE 190 41,94% 13.916.910 72,12%

9 BA/SE 332 67,48% 14.485.425 88,94%

10 NORDESTE 414 38,16% 23.192.990 75,04%

TOTAL 3.312 59,51% 170.842.789 88,07%

Fonte: TELECO

Observa-se também na Tabela 2 que somente59,51% dos municípios são atendidos pelasredes 3G.As operadoras celulares oferecem tambémserviços de dados numa velocidade menor,utilizando a tecnologia 2G (segunda geração),através das tecnologias GPRS e EDGE, visandoatender às necessidades das operadoras decartão e do comércio em geral2, conforme mostraa Tabela 3.

Tabela 3 Velocidades dos dados Geração 2G 3G

Tecnologia GSM GPRS EDGE WCDMA(UMTS)

HSPA *HSPA+ **LTE

Taxa dedados para

usuário

10-40Kbps

40-50Kbps

100-130Kbps

128-384Kbps

0,3-1Mbps

3-5Mbps

5-12Mbps

Fonte: TELECO

1.1 Smart gridCom base no modelo de negócio do ambiente deenergia elétrica, foi criado pelo NIST (2012) ummodelo conceitual para smart grid contendo setedomínios de operação, ilustrados na Figura 1.São eles: geração, transmissão, distribuição,cliente, mercados, operações e provedor deserviços – todos interligados através de umarede de comunicação. Cada domínio é compostode atores e aplicações típicas do negócio. Asempresas de energia elétrica são então divididasnos setores de geração, transmissão edistribuição e são distribuídas geograficamenteem todo o território nacional. As concessionáriasdo segmento de geração de energia sãoresponsáveis pela conversão da energiamecânica da água em energia elétrica, epossuem usinas de geração hidráulica próximasa grandes rios e distantes dos grandes centrosmetropolitanos. As concessionárias do segmentode transmissão de energia são as responsáveispor transportar a energia elétrica das usinas paraáreas próximas às regiões metropolitanas ecapitais brasileiras.

Por fim, as concessionárias do segmento dedistribuição de energia são responsáveis pordistribuir a energia pelos bairros de cidades detodo o Brasil e entregar energia elétrica aosdomicílios dos clientes. A Figura 2 mostra todasas áreas geográficas de concessão atuais3.

Fonte: NIST (2012)

Figura 1 Domínios NIST

Figura 2 Áreas geográficas de concessão

Na Figura 2, podemos observar que existemáreas metropolitanas e densamente povoadas,bem como áreas suburbanas e rurais que são debaixa densidade populacional.Um dos conceitos de smart grid é definido pelautilização de uma camada de comunicação digitalsobre a infraestrutura elétrica atual, desde ageração na usina até o consumidor final. Essacamada de comunicação utiliza as redes detelecomunicações com o objetivo de transportardados e informações dos sistemas elétricos paraum Centro de Operação e/ou Centro de Medição,entre outras aplicações.Para automatizar as operações elétricas, tanto nosegmento de geração quanto nos de transmissãoe distribuição até o consumidor final, existe anecessidade de utilizar uma rede decomunicação. Essa rede pode ser da própriaconcessionária elétrica ou contratada deoperadoras de telecomunicações.

________________________________2 Teleco. Disponível em: <www.telecom.br>.3 ANEEL. Disponível em: <http://sigel.aneel.gov.br/>.

8 Cad. CPqD Tecnologia , Campinas, v. 9, n. 1, p. 7-14, jan./jun. 2013


A utilização do conceito smart grid tem sinalizadopara um aumento significativo na quantidade deinformações geradas pelos dispositivos elétricose sensores a eles associados. Por exemplo, osalgoritmos das aplicações deautorreconfiguração da rede elétrica analisam oestado funcional (ligado-desligado) dereligadores e chaves, assim como informaçõesde corrente, tensão, temperatura, etc., fornecidasatravés de sensores conectados a essesdispositivos elétricos, e outra centena deaplicações disponibiliza suas informações paraplataformas de gerenciamento do negócio.Assim, um grande número de máquinas sãointerconectadas. Isto remete à necessidade deuma grande infraestrutura de rede decomunicação para conectar esses milhares dedispositivos elétricos às suas aplicações. Embora exista cobertura celular 3G em 59,51%dos municípios brasileiros, não existem dadosdisponíveis sobre o percentual de cobertura dasredes 2G que utilizam as tecnologias GPRS ouEDGE.Dessa forma, ainda existem áreas brasileiras quenão são cobertas por quaisquer tecnologias decomunicação. Portanto, não há possibilidade decontratar o serviço das operadoras celulares paraautomatizar as operações elétricas em certasáreas do Brasil, sendo necessário investir naconstrução de redes de telecomunicaçãopróprias, considerando-se as grandes distâncias,a diversidade de relevos regionais e de clima, aescolha da melhor tecnologia que atenda àsaplicações smart grid e ao mesmo tempoproporcione geração de valor ao negócio daconcessionária de energia elétrica.Este artigo propõe, portanto, uma metodologiapara a criação de diretrizes técnicas, de forma acontribuir com o planejamento de redes decomunicação para smart grid, utilizando aexperiência adquirida no mercado brasileiro detelecomunicações e levando em conta ascaracterísticas geográficas e ambientaisregionais do País e os requisitos específicos doBrasil.

2 Padrões e normas

O NIST (National Institute of Standards andTechnology) catalogou em seu documento(FEDERAL ENERGY REGULATORYCOMISSION, 2011) 75 normas aplicáveis aotema smart grid, e identificou 15 lacunas de altaprioridade (NIST, 2012). O IEC (InternationalElectrotechnical Commission) identificou cercade 100 normas relevantes e partes de normasrelacionadas a smart grid e, de acordo com oIEC, o principal problema na adoção dessasnormas refere-se, em geral, ao desconhecimentodessas normas por parte dos envolvidos naconcepção de sistemas de smart grid e aausência de práticas e diretrizes regulatórias

para aplicá-las (IEC, 2010). Para o GridWise(2008), as normas têm que ser elaboradas apartir dos órgãos normatizadores, dasorganizações de comércio, dos grupos decolaboração e de empresas comerciais.Diante desse cenário complexo, busca-se umaorientação de melhores práticas que sejamaplicáveis diretamente ao setor elétrico, de formaque funcionem como uma recomendação paraos projetistas de sistemas smart grid,abrangendo as áreas de eletrotécnica, tecnologiada informação e telecomunicações. A referênciado IEEE (Institute of Electrical and ElectronicEngineers) é o guia IEEE Std 2030 (IEEE, 2011):um documento que promove o entendimento, asdefinições e um guia para projetos e implantaçãodos componentes e aplicações fim a fim, tantodos sistemas legados quanto da futurainfraestrutura. Um objetivo comum, que é tratadoem todos os padrões e referências, é ainteroperabilidade – capacidade de uma ou maisredes de comunicação, sistemas, dispositivos,aplicações ou componentes de seinter-relacionarem e trocarem informações demodo seguro, de forma que possam serutilizadas efetivamente, com o mínimo deinconveniência para os usuários (NIST, 2012).

3 Modelos e arquiteturas

Smart grid é um sistema complexo composto desistemas inter-relacionados, sendo necessáriorepresentá-lo através de modelos conceituais,como mostra a Figura 3. Nesses modelos, sãotratados aspectos operacionais implícitos donegócio de energia elétrica e, a partir daí,derivam-se arquiteturas aplicadas aos sistemasde potência, comunicações e tecnologia dainformação e suas aplicações associadas. Na Figura 3, a camada de referência utilizamodelos como NIST, IEC, ETSI, etc., ou seja, éagnóstica a modelos de países ou organismosespecíficos para dar um cunho de abrangência einclusão aos demais modelos emdesenvolvimento. Na camada “Smart GridApplications”, estão os padrões que estão sendodesenvolvidos pelo IEEE P2030.1, 2030.2,

Figura 3 Modelo IEEE 2030

Cad. CPqD Tecnologia , Campinas, v. 9, n. 1, p. 7-14, jan./jun. 2013 9


2030.3, etc., que, por sua vez, abordamtecnologias e aplicação de smart grid. E, nacamada intermediária, estão os padrões deinteroperabilidade IEEE 2030, que desenvolvemtrês arquiteturas de smart grid:

a) comunicação;b) sistemas de potência;c) tecnologia da informação.

3.1 Arquiteturas

As arquiteturas são definidas a partir dasnecessidades de uso ou de projetosestabelecidos através de características técnicas,seus processos de negócio, sua maturidade naexperimentação dos conceitos smart grid, provasde conceito, implantações e normas utilizadaspara o alinhamento e entendimento para atransformação do negócio atual e futuro.Diversas entidades como o IEEE, o ETSI(European Telecommunications StandardsInstitute), o IEC, entre outras, desenvolveramsuas próprias visões de arquiteturas smart grid,conforme as necessidades próprias, e nãonecessariamente adotando padrões e modeloscomuns. Tanto essas iniciativas quanto outrassão válidas. No entanto, para uniformizar oentendimento, foi criado pelo NIST um grupochamado SGAC (Smart Grid ArchitectureCommittee), com a missão de harmonizar asdiversas visões de arquitetura mundiais. O SGACfaz parte da iniciativa SGIP (Smart GridInteroperability Panel), estabelecida a partir de2009 pelo NIST, com o objetivo de produzir emanter um catálogo de padrões e práticasrelevantes para o desenvolvimento e aimplantação de smart grid cominteroperabilidade, elaborando e revisando casosde uso, identificando os requisitos e criandoplanos de ação.No SGAC são tratadas as ações quanto àpadronização e ao estabelecimento de modelos earquiteturas que contribuam para viabilizar ainteroperabilidade entre diversos componentes, eque visam também acelerar a implantação dosconceitos smart grid. No entanto, é necessáriotransformar o intangível em algo tangível epróximo à realidade brasileira.Devido à geografia brasileira, que é diversificadae apresenta cerrados, o Pantanal, montanhas,florestas, etc., é recomendável um estudo daspossibilidades de uso de tecnologias sem fio emdiversas faixas de frequência espectral, por meiodo uso de tecnologias e frequências adequadas aessa diversificação geográfica.Quanto ao meio ambiente, é recomendável omapeamento das variações de umidade etemperatura, da quantidade de raios ultravioletas,descargas atmosféricas, etc. que afetam ofuncionamento correto da infraestrutura decomunicação.

Observando-se esses aspectos, é possívelgarantir uma infraestrutura robusta e confiável,que impacte positivamente a implantação deredes de comunicação smart grid.O planejamento de redes smart grid é compostopor um processo contínuo, mostrado na Figura 4,que possui seis fases:

Figura 4 Metodologia proposta

1. Levantamento do status das redes eaplicações elétricas, das interfaces decomunicação – sistemas de potência –tecnologia da informação. Esta fase ébaseada na norma IEEE 2030 (IEEE,2011).

2. Análise dos gaps de tecnologia de redesde comunicação e estudo de viabilidadetécnico-econômica visando a elaboraçãode diagramas de arquitetura tecnológica.

3. Plano de diretrizes técnicas ou planodiretor de redes.

4. Engenharia de redes – projeto. 5. Implantação e contratação da rede. 6. Aceitação e operação da rede.

Cada uma dessas fases possui atividades quepodem ser aplicadas ou não, dependendo dograu de maturidade das redes de comunicaçãopresentes na empresa.A metodologia engloba também aspectosoperacionais e de gerenciamento das redes detelecomunicações, aspectos regulamentares e deevolução tecnológica de curto, médio e longoprazo, entre outros que não serão tratados.Neste artigo, procurou-se focar e aprofundar osprincipais requisitos técnicos que contribuempara a construção das diretrizes e para aobtenção de um ou mais modelos de referênciapara uma rede confiável, interoperável, escalar eflexível.

4 Redes de comunicação

A rede de comunicação é um componenteimportante para determinar o sucesso dasaplicações smart grid. Há uma forte tendência deaumento na quantidade de elementos de



comunicação nos dispositivos em redes dedistribuição cujas operações não eramautomatizadas anteriormente, como, porexemplo: antes, a localização de falta na redeelétrica era feita manualmente, percorrendo-se alinha fisicamente em busca de alguma árvorecaída ou mesmo alguma chave ou fusível aberto.Com a incorporação de um módulo decomunicação, os dispositivos são interligados auma rede de comunicação e transmiteminformações sobre seu estado operacional pormeio de uma aplicação operacional,estabelecendo uma comunicação máquina amáquina. Essa tendência de automação contribuipara o desenvolvimento da Internet das coisas ede redes de comunicação máquina a máquina,conhecida como tecnologia M2M (Machine toMachine), cujas características são:funcionamento autônomo, independente depessoas, auto-organização, capacidade de seajustar a adversidades operacionais, consumoeficiente de energia e alta confiabilidade.Existem diversos aspectos a serem consideradosno planejamento de uma rede ou num conjuntode redes de comunicação. Assumindo-se o usodos protocolos IP amplamente difundido nomercado, temos disponíveis atualmente, para ouso das aplicações smart grid, as tecnologiascabeadas e sem fio, aplicáveis tanto aarquiteturas de redes de longa distância,metropolitanas e acesso quanto à última milha.Outro fator importante a ser observado nas redesde comunicação smart grid é o gerenciamento ea segurança das redes de comunicação. Ogerenciamento está relacionado a aspectosoperacionais da rede, sendo recomendávelsupervisionar e detectar a ocorrência de falhasde comunicação entre os dispositivosconectados, e também verificar se a redeconsegue fluir todos os dados no temporequerido pelas aplicações. Ou seja, énecessário monitorar o desempenho do tráfegoda rede. A segurança também está relacionada aaspectos operacionais da rede no que tange àdisponibilidade, mas a maior preocupação estáligada à confidencialidade e à integridade dosdados que circulam pelas redes de comunicação.São comentados a seguir alguns aspectostécnicos relevantes que orientam na escolha detecnologias e arquiteturas de redes decomunicação, e que servem como diretrizestécnicas básicas de melhores práticas para asaplicações smart grid.

4.1 Largura de banda

A largura de banda pode ser definida como avelocidade de transferência dos dados em umarede de comunicação, e é geralmente medidaentre kbit/s e Mbit/s. Se for utilizada umatecnologia de banda estreita com ZigBee, PLC(Power Line Communications), banda estreita,

etc., os dados levam mais tempo para chegar aoseu destino. Já uma tecnologia de banda largaWi-Fi, WiMAX, fibra óptica, etc. rapidamentetransporta os dados ao seu destino final. Emaplicações smart grid geralmente utilizam-se astecnologias de banda estreita para transportardados de sensores que geralmente possuem umpacote pequeno de informação.

4.2 Latência

Latência é o intervalo de tempo que um pacoteleva para sair de sua origem até chegar ao seudestino. Além do tempo gasto pela rede, énecessário levar em consideração, no momentode escolha das tecnologias, o tempo gasto pelaaplicação. Para aplicações smart grid deproteção e controle, é requerido um tempo muitocurto (em torno de alguns milissegundos); já paraaplicações de medição, tempos de latência quese mantenham na casa dos segundos sãoaceitáveis.

4.3 Frequência dos dados

A taxa de repetição no tempo em que os dadossão enviados de um local para outro (frequência)orienta o dimensionamento da capacidade dasredes de comunicação. Por exemplo, emaplicações de automação IEC 61850, quandoocorre um evento de proteção em um religador, oprotocolo GOOSE (Generic Object OrientedSubstation Event) reporta uma exceção, gerandouma mensagem em intervalos entre 2 a60.000 ms, inundando a rede com essespacotes. É recomendável, neste caso, que seutilize uma tecnologia de banda larga e de baixalatência de rede.

4.4 Segurança

A segurança é tratada de forma sistêmica e nãoassociada a qualquer grandeza física. Entretanto,são consideradas a confidencialidade, aintegridade e a disponibilidade para acesso àsredes de comunicações. O nível de segurança éanalisado subjetivamente, sendo geralmenteclassificado como baixo, médio ou alto.

4.5 Modelo de referência IEEE 2030

A metodologia proposta na Figura 4 contémdiversas nuances técnicas, além de forneceralternativas para subsidiar um plano diretor deredes smart grid. O guia IEEE 2030 também éutilizado nessa metodologia, pois contribui deforma significativa para enriquecê-la, e utiliza trêsperspectivas em alto nível, do ponto de vistaarquitetural (NIST, 2012):

a) sistemas de potência;b) comunicações;c) tecnologia da informação.

A busca pela interoperabilidade é o objetivo no



uso das três perspectivas, sendo que, em cadaperspectiva, essa busca se dá entre oselementos de smart grid.O modelo conceitual, que contém sete domínioscriados pelo NIST, é utilizado em cada domínio,onde são identificadas as entidades aplicáveis e,em cada entidade, há troca de informação comoutra entidade, através de interfaces que utilizamvariados fluxos de dados entre as aplicações.Os sete domínios identificados pelo NIST estãolistados na Tabela 4.

Tabela 4 Domínios NIST

Domínios Atores no domínio

1 ConsumidoresSão os usuários finais de energia.Podem gerar, armazenar egerenciar o uso de energia.

2 MercadosSão as operadoras e osparticipantes do mercado deeletricidade.

3 Provedores deserviço

São as organizações que proveemserviços para os consumidores.

4 Operações São os gerenciadores domovimento da eletricidade.

5

Geração degrandesquantidades(“bulk”)

São os geradores de grandesquantidades de energia.

6 TransmissãoSão os transportadores de grandesquantidades de energia por longasdistâncias.

7 Distribuição São os distribuidores de energiade/para os consumidores.

Os sistemas de hardware e plataformas desoftware que habilitam a comunicação máquina amáquina necessitam de uma infraestrutura decomunicação baseada nos protocolos decomunicação. Geralmente é empregado opadrão IP (Internet Protocol), por prover a

interoperabilidade entre os dispositivos.Os formatos dos dados que circulam através doprotocolo de comunicação interoperam atravésda utilização de sintaxes e codificaçãopadronizada. No nível do conteúdo de aplicação,a interoperabilidade é obtida através demodelos-padrão de troca de conteúdo.

5 Metodologia para elaboração de diretrizestécnicas

A metodologia proposta é composta de novefases, descritas a seguir, sendo que não sãoparticularizadas tecnologias, produtos ouprotocolos de implementação:Fase 1 – Objetivos de smart grid : definição dasaplicações a serem mapeadas.

Fase 2 – Objetivos de negócio para smart grid :definição dos controles a serem implementadospara o sistema.

Fase 3 – Seleção de domínios e entidadesrelevantes aos objetivos de negócio: definiçãodas perspectivas dos domínios elétricos e dasentidades que farão parte do sistema smart grid.É gerada uma tabela “domínio x entidades”.

Fase 4 – Seleção de interfaces para o sistemaelétrico: definição das interfaces elétricas aserem implementadas. É gerada uma tabela“interfaces elétricas x entidades”.

Fase 5 – Elaboração dos requisitos de dados decada interface: fase que utiliza a tabela declassificação dos dados – Tabela Ligações dasInterfaces Elétricas x Atores x Tipo dainformação x Característica da informação xClassificação dos dados – e algumas métricaspara análise dos componentes de cada domínioe para o escopo das redes de comunicações,conforme mostra a Tabela 5.

Tabela 5 Classificação dos fluxos de dados



Assim, cria-se uma referência para olevantamento do fluxo de dados e uma faixa devariação utilizada em cada interface e em cadacategoria de uso das aplicações, com algumascaracterísticas que orientam a construção dosdiagramas de arquiteturas de comunicação.

Fase 6 – Mapeamento das interfaces do sistemaelétrico em interfaces de comunicação entre asentidades: fase que define as possíveis redes decomunicação aplicáveis entre as entidades. Égerada a tabela Entidade 1 x Entidade 2 xInterfaces de comunicação x Ligação dasinterfaces elétricas.

Fase 7 – Seleção das interfaces de comunicaçãoapropriadas para cada tecnologia de rede decomunicação.

Fase 8 – Mapeamento das interfaces de TI edeterminação das entidades potenciais a seremimplementadas.

Fase 9 – Seleção da implantação de TIapropriada, conforme as interfaces decomunicação de cada interface escolhida.

Além disso, o guia IEEE 2030 dispõe dedetalhamentos técnicos adicionais relevantes aodesenvolvimento de projetos de redes decomunicações para smart grid.

Conclusão

Neste artigo, foram comentadas as necessidadesde utilização dos requisitos brasileiros locais, emtermos de cobertura geográfica, condições derelevo, vegetação, adensamento populacional,etc., no planejamento da construção dasinfraestruturas de telecomunicações, com oobjetivo de atender aos requisitos técnicos eagregar valor ao negócio das concessionáriasbrasileiras.Foi abordada também a importância queorganismos internacionais, tais como IEC, NIST,GridWise e IEEE, dão à utilização de padrões,referências e normas, de forma a buscar ainteroperabilidade entre os sistemas de potência,telecomunicação e tecnologia da informação

para o uso das aplicações smart grid baseadoem camadas e domínios operacionais. Aimportância da uniformização da arquiteturainteroperável smart grid foi destacada por meioda criação de um grupo de trabalho do NIST noâmbito do SGIP (Smart Grid InteroperabilityPanel), chamado SGAC (Smart Grid ArchitectureCommittee).Por fim, o artigo propõe uma metodologia para acriação de diretrizes técnicas que auxiliem oplanejamento de projeto e a implantação dasredes de comunicação para smart grid e enfatizaalguns aspectos considerados importantes parauma engenharia de redes, que são: largura debanda, latência, frequência dos dados esegurança. O guia IEEE 2030 foi utilizado nestametodologia por tratar de forma sistemática osdados técnicos, operacionais e as aplicações,apresentando outros detalhamentos técnicos quecontribuem para o desenvolvimento de projetospara redes de comunicação smart grid.

Referências

FEDERAL ENERGY REGULATORYCOMISSION. Smart Grid InteroperabilityStandards. July, 2011. p. 7.

GRIDWISE®. Interoperability Context-SettingFramework . March, 2008.

INTERNATIONAL ELECTROTECHNICALCOMISSION (IEC). Smart Grid StandardizationRoadmap. Ed. 1.0, prepared by SMB Smart GridStrategic Group (SG3). June, 2010.

INSTITUTE OF ELECTRICAL ANDELECTRONIC ENGINEERS (IEEE). IEEE Std2030 – Guide for Smart Grid Interoperability ofEnergy Technology and Information TechnologyOperation with the Electric Power System (EPS),End-Use Applications, and Loads. September,2011.

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS ANDTECHNOLOGY (NIST). NIST Framework andRoadmap for Smart Grid InteroperabilityStandards , Release 2.0, 2012.

Abstract

This article lists and discusses the main challenges of telecommunications infrastructure for smart gridfaced in Brazil, a country with continental geography, different cultural aspects and population distributionin cities and rural areas. Nowadays, telecom operators operating in the country covering the municipalitieswith fixed telephony and mobile, but there are still gaps in terms of communication networks to achievethe requirements of the electric utility companies. For the development and use of a telecommunicationsinfrastructure for the purpose of smart grid applications, is essential to adopt standards, guidelines andbest practices. The paper presents a methodology to provide technical guidelines that can be used inbuilding a network of communication in electrical utility companies.

Key words: Communication networks. Project engineering. Smart grid. Standards. Telecommunicationnetwork topology.


Os desafios da implementação dosprojetos-piloto de smart grid no Brasil

Luiz Carlos Neves*, Alexandre Bagarolli

O conceito de smart grids (redes elétricas inteligentes) vem sendo amplamente discutido em âmbitonacional e internacional nos últimos anos. No Brasil, encontram-se em execução vários projetos-pilotonos quais aspectos relevantes das smart grids estão sendo avaliados. O objetivo deste trabalho éapresentar, a partir de uma visão dos projetos-piloto que estão em execução no Brasil, uma análise dosprincipais desafios referentes a tecnologias envolvidas, desenvolvimento de métricas para avaliação deresultados, envolvimento do consumidor e regulamentação.

Palavras-chave: Smart grid. Rede elétrica inteligente. Rede de distribuição de energia. Mediçãoavançada.

Introdução

A ideia de smart grid (rede elétrica inteligente) foicriada e introduzida a partir de um esforço parasuperar as necessidades futuras do mercado deenergia elétrica. A smart grid é capaz detransportar eletricidade dos fornecedores para osconsumidores, agregando tecnologia decomunicação digital bidirecional ao sistemaelétrico, para controlar efetivamente o consumode energia, reduzir o custo de geração etransmissão dessa energia e, ainda, aumentar odesempenho, a eficiência e a confiabilidade dosistema elétrico. A implementação de smart gridspossibilita uma gama de novos serviços criandopossibilidades de novos mercados. Dessa forma,smart grid se apresenta como uma das fortestendências de modernização do sistema elétricoem vários países.As principais funções de uma smart grid têm sidoaté agora bem definidas. Muitos especialistasconcordam que uma rede inteligente tem que sercapaz de ser autorregenerável, fornecer energiacom alta qualidade, acomodar geraçãodistribuída e opções de armazenamento, sermais eficiente e motivar os consumidores aparticipar ativamente do controle da demanda.Para realizar essas funções, investigaçõesavançadas estão sendo conduzidas pordiferentes universidades, entidades de pesquisa,concessionárias e fabricantes de equipamentos.Para cada nova função, a tecnologia de redeinteligente enfrenta uma série de desafios queestão sendo tratados por diferentes projetos deP&D.No Brasil, há projeções, em médio e longoprazos, de que as redes elétricas inteligentes setornem realidade com a participação doconsumidor no gerenciamento e na produção deenergia elétrica (CGEE, 2012).No plano nacional, as principais ações em smartgrid têm sido desenvolvidas através de parceriasentre concessionárias, universidades, centros de

pesquisa e fabricantes, para a realização deprojetos de desenvolvimento de tecnologias eprojetos-piloto de teste.

1 Projetos-piloto

Um sistema elétrico de potência é formado poruma complexa infraestrutura para garantir ofornecimento de energia elétrica. Esse sistema écomposto essencialmente por: geração, sistemade transmissão, rede de distribuição e usuáriosde energia elétrica. A geração é frequentementecentralizada em grandes usinas conectadas aosistema de transmissão, que por sua vezabastecem as redes de distribuição quealimentam consumidores industriais, comerciaise residenciais. No sistema elétrico convencional,o fluxo de energia é unidirecional e osconsumidores são meros agentes passivos nacadeia produtiva da energia elétrica. Por razõestecnológicas ou econômicas, a venda de energiaelétrica é feita por tarifas fixas e com interaçãolimitada com os consumidores, comorepresentado no diagrama da Figura 1.Considerando que os segmentos da geração edo sistema de transmissão possuem controlecentralizado, com um razoável nível decomunicação de dados, os projetos de smart gridtêm explorado as possibilidades demodernização da rede de distribuição e, emmenor amplitude, o envolvimento do consumidor.O elemento fundamental na implementação doprojeto-piloto é uma solução detelecomunicações que viabilize a comunicaçãode dados, estando presente na estruturação detodos os projetos-piloto. Outro elemento presentena maioria desses projetos é a avaliação de pelomenos uma tecnologia de medição eletrônicaavançada. Os demais elementos, comoreconfiguração automatizada, geraçãodistribuída, armazenamento de energia, gestãopelo lado da demanda ou veículos elétricos,variam de projeto para projeto.

*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].



Nos projetos-piloto de teste, as concessionáriastêm dado preferência ao uso de padrões técnicose aos testes de soluções. Essa tendência ébalizada pelo cuidado que as concessionáriastêm para evitar a utilização de tecnologias epadrões proprietários que dificultam as açõesessenciais de interoperabilidade nas smart grids.Além dos objetivos relativos a modernização ecriação de novos serviços para as redes elétricasdas concessionárias, os projetos-piloto devempromover a criação de diretivas para aimplantação de smart grid, o desenvolvimento dearquiteturas conceituais e a comprovação práticade interoperabilidade entre as tecnologias, bemcomo a elaboração de estratégias demanipulação segura das informações quecirculam nas redes elétricas inteligentes (CGEE,2012). Consequentemente, os projetos-pilotoabordam desde testes de novas tecnologias,novos produtos, novos sistemas para operaçãoda rede e novas funcionalidades dos sistemasexistentes até a interação com o consumidor deenergia elétrica.Considerando que projetos-piloto visamavaliações em ambientes reais de fornecimentode energia, os desafios referentes às tecnologiassão apenas uma parte do conjunto de desafiosrelacionados à implementação de umprojeto-piloto de smart grid. A seguir, os desafios, presentes nos projetos desmart grid que o CPqD tem conduzido ouparticipado, serão apresentados e discutidosneste trabalho.

2 Os desafios dos projetos-piloto

Os desafios de implementação dosprojetos-piloto de smart grid são de diferentesnaturezas, podendo-se citar os desafios relativosa:

a) tecnologias a serem usadas nos pilotos;b) métricas para avaliação de benefícios;c) envolvimento do consumidor e avaliação de

seu comportamento;d) regulamentação do fornecimento de energia

elétrica e da execução de projetos de P&Dda ANEEL.

2.1 Desafios relativos às tecnologias

A avaliação de tecnologias é frequentemente umdos principais objetivos dos testes-piloto.Discutiremos a seguir os desafios observadospara as principais tecnologias que compõem osprojetos-piloto, a saber: telecomunicações,infraestrutura avançada de medição (AdvancedMetering Infrastructure – AMI), automaçãoavançada, microgeração, armazenamento deenergia e veículos elétricos.

2.1.1 Telecomunicações

A rede de telecomunicações empregada paraatender às necessidades de um projeto-pilotopode utilizar várias tecnologias, entre elas PLC(Power Line Communication), fibra óptica,micro-ondas ou outra tecnologia de comunicaçãosem fio, como, por exemplo, WiMAX, RF Mesh,ZigBee, Wi-Fi, entre outras.As tecnologias de rede de comunicação devematender às restrições de tempo para a atuaçãode elementos de proteção e também deautomação. As concessionárias podem dispor devárias tecnologias de telecomunicações paracriar a sua própria rede de dados ou,dependendo da localidade, utilizar as redes dasoperadoras de telecomunicações que atuam nalocalidade. A opção por uma rede própria oualugada depende de fatores estratégicos de cadaconcessionária.As localidades do piloto possuem característicaspróprias que devem ser consideradas durante asfases de elaboração do projeto. Desse modo,pode-se ter uma rede de comunicação queempregue várias tecnologias, pois, dependendoda localidade escolhida, pode ser necessária, emuma parte da localidade, a utilização de fibraóptica e, em outra parte, uma tecnologia sem fio,devido à sua facilidade de implantação, quando orelevo permitir uma grande cobertura de área.Desse modo, cada localidade deve ser analisadapara que o projeto da rede de telecomunicaçõesseja o mais confiável e robusto possível para aoperação da rede elétrica, além de terimplantação economicamente viável no projeto.



2.1.2 AMI

As pesquisas com medidores inteligentes têmmantido foco na interoperabilidade da solução enas funcionalidades, com o objetivo de melhoraro nível de informação sobre o consumo, suportartarifas horárias diferenciadas e avaliar aqualidade do fornecimento de energia.A avaliação de soluções AMI tem estadopresente em praticamente todos osprojetos-piloto de smart grid, cuja grandemotivação tem sido a possibilidade de aamortização do investimento ser obtida pelaeconomia com a potencial redução de perdas.O principal desafio em relação aos projetosrefere-se à interoperabilidade plena do sistemade medição e da disponibilidade de soluçõeshomologadas pelo Instituto Nacional deMetrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro). Nocenário atual de 2013, o mercado nacional nãodispõe de solução com interoperabilidade paraser testada, sendo esse objetivo postergado namaioria dos projetos.Como os testes se desenvolvem utilizandoconsumidores, os medidores precisam serhomologados pelo Inmetro para possibilitar oexercício de todas as funcionalidadesavançadas, como tarifação diferenciada, previsãode gastos e fornecimento de energia pormicrogeração. Caso isso não seja possível, oteste deve ser conduzido com a instalação domedidor não homologado, mantendo-se,contudo, o medidor convencional. Essaalternativa permite avaliar o desempenho dasolução, mas limita os testes das funcionalidadesavançadas, além de exigir um grande esforçonecessário para a resolução das dificuldadespráticas de se instalar um segundo medidor.Outro desafio em relação à participação de AMIem projetos-piloto está relacionado ao Centro deMedição. Existem basicamente duas situações:um novo Centro de Medição é implantado para oprojeto ou o Centro de Medição é adaptado paraobter e armazenar as informações geradas pelosmedidores inteligentes e operacionalizar o seuuso.A implantação de um novo Centro de Mediçãodemanda esforço para a operacionalização e aintegração com outros sistemas existentes. Nocaso de adaptação do Centro de Mediçãoexistente, o desafio está em identificar todas asfuncionalidades necessárias para as soluções edispor de uma instância independente para testee validação das novas funcionalidades. Nos doiscasos, a coordenação de prazos para viabilizaros testes é o grande desafio.

2.1.3 Automação avançada

A possibilidade de a rede inteligente coletar

informações do estado da rede de distribuição edo consumidor, bem como possibilitar condiçõesde deslocar a demanda em situações deemergência, possibilita estabelecer planos paracorrigir eventuais distúrbios na rede ou recuperaro estado operacional em menor tempo,ampliando os benefícios da automatização darede de distribuição de energia. Assim,automação avançada é uma das áreas queevoluirão com a rede inteligente para aumentar aconfiabilidade e disponibilidade da rede dedistribuição. Assim como a AMI, a inclusão de automaçãoavançada é bastante frequente nosprojetos-piloto.Basicamente, os projetos testam dois tipos dearquitetura: centralizada ou descentralizada. Naarquitetura centralizada, as informaçõesadquiridas da rede elétrica convergem para umponto central de processamento, onde asaplicações de localização de faltas e recuperaçãoda rede são executadas e as manobras sãoenviadas para os equipamentos da rede viasistema SCADA (Supervisory Control And DataAcquisition). Na arquitetura descentralizada, areconfiguração é feita de forma dispersa na redeatravés da execução de lógicas previamentedefinidas.Os principais desafios estão em adequar a redecom equipamentos interoperáveis e dispor decomunicação com tempo de resposta econfiabilidade adequada para garantir que aqualidade do fornecimento não seja degradada,mesmo que a solução apresente desempenhoinferior ao esperado.Caso o projeto desenvolva aplicações paraarquitetura centralizada, a integração com ossistemas de operação legados é sempre umdesafio, dada sua criticidade.Em caso de arquitetura descentralizada, odesafio está no conhecimento do desempenhodos equipamentos e na realização de estudosprévios exaustivos sobre a mudança docomportamento da rede antes da implantação dasolução de automação.

2.1.4 Microgeração

A microgeração distribuída1 poderá contribuircom o sistema elétrico para que os aumentos decarga aconteçam de forma otimizada,reduzindo-se os picos de demanda, além defavorecer a solução de alguns entraves para ouso de novas tecnologias, como o abastecimentode uma frota de veículos elétricos e o uso deequipamentos inteligentes gerenciáveis viaInternet, criando serviços antes inexistentes eimpulsionando a eficiência energética.

________________________________1 A microgeração distribuída é definida como central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 100 kW(ANEEL, 2012).



Entretanto, esses potenciais benefícios somenteserão viabilizados com a implantação de redeselétricas inteligentes.A temática da “geração distribuída” tem estadopresente em um número significativo de projetosde P&D relacionados a smart grid. Segundolevantamento realizado pela CGEE (2012), foi otema que apresentou o maior investimento, omaior número de projetos e os maiores valoresunitários de projeto num conjunto de 178 projetoscadastrados na ANEEL. A participação damicrogeração distribuída deverá continuar sendofrequente nos projetos de smart grid, em funçãodo estímulo à sua difusão, por meio dapublicação da Resolução nº 482 daANEEL (2012).O principal desafio para a implantação demicrogeração distribuída está relacionado àparticipação dos consumidores, que possibilitaráa avaliação de benefícios e do comportamentodo consumidor. Considerando que a instalaçãode um microgerador depende de o imóvel terlocalização e condições apropriadas para recebera instalação, depende do interesse doconsumidor participar do teste e, o maisimportante, necessita equacionar a destinaçãodos ativos ao final do projeto.

2.1.5 Armazenamento de energia

Quando se acrescentam fontes renováveis paraa geração de eletricidade, é essencial integrarsistemas de armazenamento de energia a fim decompensar a variabilidade e a disponibilidade degeração solar e eólica. Os desafios relativos aossistemas de armazenamento de energia são osseguintes:

a) sistemas de armazenamento de energia sãocaros e pesquisas adicionais sãonecessárias para reduzir o custo do usodesses sistemas;

b) a adição de sistemas de armazenamento émuitas vezes seguida de uma análise muitocomplexa dos sistemas de potência. Cadasistema de armazenamento tem de serpersonalizado para o ponto da rede a queserá ligado. Isso aumenta ainda mais ocusto desses dispositivos;

c) o sistema de armazenamento de energia éprojetado para uma configuração de redeespecífica, não sendo facilmente adaptávela mudanças na rede. Os sistemas dearmazenamento de energia são concebidospara uma rede em particular e, portanto,eles não são flexíveis (BEIDOU et al., 2010).

2.1.6 Veículos elétricos

A presença de veículos elétricos emprojetos-piloto de smart grid ainda é bastante

limitada, provavelmente devido às perspectivasde, em curto prazo, utilizarmos no Brasil veículoshíbridos e não puramente elétricos. Dessa forma,os desafios estão relacionados à disponibilidadede veículos elétricos, que sejam homologadospara transitar no país e possuam característicasque permitam testes em condições similaresàquelas de uso real.Para avaliar de forma efetiva o impacto que arecarga de veículos elétricos pode causar nasredes, ou para pesquisar a possibilidade de osveículos elétricos desempenharem a função dearmazenar energia de geração eólica ou solar,além da dificuldade de obtenção de modelos deveículos elétricos, há o desafio da falta depadronização nacional de plugues e tomadaspara alimentação dos veículos.

2.2 Métricas para avaliação dos pilotos

A implantação de projetos de smart gridrepresenta uma oportunidade significativa decoleta de informações de campo para que sejapossível determinar os benefícios de redeselétricas inteligentes, comparar os benefícioscom os custos e construir casos de negóciosfuturos. Entretanto, a avaliação ampla edetalhada apresenta grandes desafios, dada ainter-relação entre os elementos que compõem arede inteligente e os benefícios proporcionadospor esses elementos. O desafio de estabeleceruma avaliação de um projeto pode ser mais bementendido pelo mapeamento realizado pelo EPRI,no qual 13 funções de elementos-chave de redesinteligentes foram associadas a 25 tipos debenefícios, conforme quadro apresentado naFigura 2, reproduzido do trabalho doEPRI (2010). Na figura, pode-se verificar queuma dada função pode gerar mais de umbenefício e este, por sua vez, pode ter acontribuição de várias funções presentes em umprojeto-piloto.As métricas de avaliação e de análise dosbenefícios de projetos-piloto de smart gridapresentam alguns grandes desafios. Essesdesafios consistem em:

a) permitir uma comparação justa entre odesempenho de uma smart grid e de umarede convencional de referência;

b) estruturar a coleta de dados adequadosquanto a frequência e granularidade;

c) determinar os benefícios sociais;d) avaliar economicamente os benefícios;e) extrapolar os resultados do piloto para

áreas maiores;f) interpretar a resposta da rede inteligente

às perturbações elétricas;g) ponderar as diferenças regionais em

relação a ambiente, consumidores econcessionária.



Figura 2 Mapeamento de funções x benefícios

2.3 Envolvimento do consumidor e avaliaçãode seu comportamento

Uma função fundamental da implementação deredes inteligentes é a participação ativa dosconsumidores. A rede inteligente pode incorporarcomunicação com os equipamentos dosconsumidores, monitorar e controlar o seucomportamento de uso. Isso permite aosconsumidores um maior controle sobre a formade uso e o consumo de equipamentosresidenciais e comerciais. Todavia, para osucesso dessa medida, são necessárias aaceitação, a participação e a colaboração doconsumidor. O envolvimento do consumidor nosprojetos de redes inteligentes apresenta,portanto, os seguintes desafios:

a) falta de comunicação de duas vias entreconsumidores e concessionária;

b) falta de acesso dos consumidores àInternet;

c) falta de equipamentos de micromediçãoadaptados aos padrões da rede elétrica doconsumidor (tensão de operação, pluguese tomadas);

d) manutenção da privacidade e dasegurança dos consumidores;

e) conscientização sobre o uso eficiente daenergia, o uso de aparelhos inteligentes eo gerenciamento de energia;

f) complexidade do processo de faturamento

e dificuldade em adaptar os sistemas parafornecer informações dos gastos, ficandolimitados ao fornecimento dos dadosrelativos à energia consumida.

2.4 Desafios relativos à regulamentação

Projetos-piloto de smart grid têm o propósito deavaliar tecnologias e soluções submetidas aocomportamento real da rede e de seusconsumidores. Isso só é alcançado aplicando-seas tecnologias e as soluções em condiçõesnormais de fornecimento de energia, de formaque toda a regulamentação para fornecimento deenergia elétrica seja exigida na rede-piloto. Aregulamentação existente não permite mudançados padrões de fornecimento de energia, mesmoque temporária e com anuência dosconsumidores. Essa condição constitui umgrande desafio para a inclusão, nos pilotos, deavaliações que impliquem riscos à redução daqualidade do fornecimento de energia.Outra questão que oferece desafios aos projetos-piloto está relacionada às regras de uso dosrecursos de P&D ANEEL, que são bastanteutilizados em projetos conduzidos pelasconcessionárias. As regras, elaboradas de formaajustada aos projetos de pesquisa edesenvolvimento, apresentam desafios aosprojetos-piloto, a saber:

a) impossibilidade de iniciar o projeto com umafase de planejamento do teste, a serelaborada após uma fase de levantamento


Fonte: EPRI (2010)


das condições detalhadas da rede onde sedesenvolverá o piloto, causando revisões eatrasos no projeto;

b) necessidade de manter os ativos nocontrole da concessionária ou da instituiçãode pesquisa, mesmo quando instalados noconsumidor, o que cria dificuldade emequacionar a participação dosconsumidores nesses pilotos.

3 Análise e discussão dos resultados

O desafio inicial para a implantação dosprojetos-piloto é a definição de uma arquiteturade comunicação que suporte as diversasaplicações envolvidas nos projetos. Devido àscaracterísticas de relevo e às diferentesaplicações envolvidas em cada projeto, até omomento não foi identificada uma única soluçãode telecomunicações que atendesse àscaracterísticas presentes nas diversas regiões doBrasil. Outro aspecto relevante é a dificuldade deencontrar, no mercado, soluções que garantam ainteroperabilidade dos sistemas de comunicação.Os aspectos de interoperabilidade também estãopresentes nas soluções AMI hoje disponíveis nomercado nacional, pois a grande maioria dassoluções ofertadas são proprietárias e nãopermitem a interoperabilidade dos sistemas demedição eletrônica.A implantação dos campos de teste tambémapresenta grandes desafios para osprojetos-piloto. Por se tratar de soluçõesrelativamente novas, há a necessidade de umaculturamento das tecnologias e aplicaçõesenvolvidas em todas as fases do processo, taiscomo: elaboração de especificações de compra,aceitação dos equipamentos, implantação emcampo, aceitação das soluções e avaliação deresultados. Muitas vezes esses pontos impactamo cronograma do projeto, levando a atrasos que,por sua vez, acabam reduzindo o período deavaliação das soluções em campo.Além desses desafios, outro ponto que temmerecido atenção, tanto em nível nacional comointernacional, devido às diversidadesencontradas nas empresas de energia elétrica, éa definição de um framework para análise edefinição dos benefícios do projeto.

Conclusão

Como se pôde observar neste trabalho, aimplantação em larga escala das redes elétricasinteligentes envolve uma série de desafios paraas empresas de energia elétrica.Do ponto de vista tecnológico, as questões deautomação da rede de distribuição,interoperabilidade e padronização são pontosimportantes para o avanço das redes elétricasinteligentes, sendo que uma atenção especialdeve ser dada à interoperabilidade dos sistemas

de comunicação, AMI e plugues para veículoselétricos.O envolvimento do consumidor também tem semostrado um fator importante para o sucessodos projetos-piloto, exigindo o desenvolvimentode soluções adaptadas às necessidades dosconsumidores locais e possibilidade dedisponibilização de informações que permitamaos consumidores um uso mais eficiente daenergia elétrica.A definição de métricas que permitam aavaliação dos benefícios, levando emconsideração as necessidades locais de cadaempresa de energia elétrica, se apresenta comoum dos fatores decisivos para o avanço dasimplantações de redes elétricas inteligentes. Oestabelecimento de um framework paraqualificação e quantificação de benefícios dosprojetos-piloto e a designação de uma entidadepara captar e compartilhar estudos de caso, asmelhores práticas e lições aprendidas deprojetos-piloto, a exemplo do trabalho realizadopelo Departamento de Energia dos EstadosUnidos (BOSSART; BEAN, 2011), são açõesfortemente recomendadas para que asorganizações aprendam com as diversasexperiências e possam apropriá-las emimplementações futuras de smart grid no Brasil. A geração de subsídios para a evolução dasregulamentações por parte das agênciasreguladoras também tem se revelado umimportante resultado da realização dosprojetos-piloto.Considerando todos esses desafios, a realizaçãode projetos-piloto de maior escala é, e continuarásendo por mais alguns anos, um importantepasso rumo à efetiva implantação das redeselétricas inteligentes.

Referências

AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA(ANEEL). Resolução Normativa n° 482.Brasília, 17 de abril de 2012. Seção: InformaçõesTécnicas. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/>. Acesso em: 08 abr.2013.

BEIDOU, F. et al. Smart Grid: Challenges,Research Directions and Possible Solutions. In:IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ONPOWER ELECTRONICS FOR DISTRIBUTEDGENERATION SYSTEMS, 2., 30-31 mar. 2010,HeFei, P.R. China. Proceedings... HeFei: IEEE,2010. p. 670-673.

BOSSART, J. S.; BEAN, J. E. Metrics andBenefits Analysis and Challenges for Smart GridField Projects. In: IEEE ENERGYTECH, 25-26maio 2011, Cleveland. Proceedings... Cleveland:IEEE, 2011. p. 1-5.

CENTRO DE GESTÃO E ESTUDOS



ESTRATÉGICOS (CGEE). Redes ElétricasInteligentes: contexto nacional. Documentotécnico. n. 16, p. 176, dez. 2012. Disponível em: <http://www.cgee.org.br/atividades/redirect/8050>. Acesso em: 14 abr. 2013.

ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE

(EPRI). Methodological Approach forEstimating the Benefits and Costs of SmartGrid Demonstration Projects. Product ID1020342. 2010. Disponível em:<http://my.epri.com/portal/server.pt?Abstract_id=000000000001020342>. Acesso em:15 abr. 2013.

Abstract

The Smart Grid concept has been broadly discussed recently both nationally and internationally. In Brazil,several pilot projects are in progress, in which pertinent aspects related to Smart Grid are beingevaluated. The objective of this paper is to provide, based on the ongoing pilot projects in Brazil, ananalysis of the main challenges facing the technologies involved, the development of standards toevaluate results, the consumer engagement, as well as the regulation.

Key words: Smart Grid. Distribution System. Advanced Metering. Distribution Automation.


Desafios para a interação com o consumidor:um panorama sociotécnico para a mudança

tecnológicaLara Schibelsky Godoy Piccolo*

Se aplicada para prover informação sobre consumo de energia de maneira adequada, a tecnologiaassociada ao conceito smart grid pode potencializar uma mudança na relação humana com a energiaelétrica, de forma a tornar a percepção e o comportamento no dia a dia mais conscientes. Consumidoresmais responsáveis e mais satisfeitos podem ser consequências dessa mudança. Essa interação com oconsumidor é influenciada por (e pode influenciar) uma complexa cadeia de stakeholders. Mapeá-los ecompreender suas principais preocupações e motivações representam os primeiros passos no estudo desoluções adequadas para a implantação de smart grids num determinado contexto. Este trabalhoapresenta uma análise preliminar de stakeholders relacionados à introdução dessa nova tecnologia,tendo a Semiótica organizacional como principal referencial teórico-metodológico.

Palavras-chave: Interação com o consumidor. Stakeholders. Semiótica organizacional.

Introdução

A relação dos indivíduos com a energia elétricaenvolve uma cadeia complexa de influências,que vão desde aspectos técnicos de geração,transmissão e consumo, até aspectoseconômicos, sociais e psicológicos.Na perspectiva da Psicologia, por exemplo,entender esse processo vai além docomportamento previsível, das intenções, umavez que usamos a energia elétrica muitas vezesde maneira inconsciente, seguindo padrões nãoraramente guiados mais pelo ambiente do que demaneira alinhada com as intenções pessoais(PIERCE; SCHIANO; PAULOS, 2010; JELSMA,2006). A frequência com que acendemoslâmpadas “automaticamente”, isto é, semrefletirmos sobre o ato, ilustra de maneirasimplista esse desafio.Tarifação, pressão social para adesão (ou não) acampanhas de redução, relação com o conforto,oferta e uso de eletrodomésticos que induzem àeconomia ou não, etc. são exemplos de outrosfatores que influenciam esse processo. Astecnologias de informação e comunicação(TICs), principalmente no cenário smart grid,podem exercer o papel de ferramenta informativae educacional no que diz respeito ao consumo deenergia. Se adequadamente projetados paraesse fim, monitores domésticos de consumo e degeração de energia podem catalisar umamudança de paradigma nessa relação, que hojetem como principal ponto de contato orecebimento e o pagamento da conta mensal deenergia, com pouco conhecimento de como aenergia é de fato utilizada.Os interesses de cada concessionária deenergia, ou mesmo de cada país, emdesenvolver ou implantar tecnologias de mediçãointeligente e/ou feedback de consumo e geração

podem ser diversos, desde a redução de custosde infraestrutura até questões ambientais, entreoutras (DARBY, 2010). No entanto, é consensoque, sem a apropriação do consumidor ao novoaparato que emerge no contexto smart grid, oprocesso de modernização não é efetivo.Conhecer o consumidor, ou o potencial usuárioda tecnologia, seus interesses, suas motivações,assim como as forças que atuam positiva ounegativamente na adesão da tecnologia torna-seentão essencial.Nesse contexto, este trabalho tem foco na etapade levantamento de stakeholders como parte deum estudo de interação com o consumidor deenergia elétrica na perspectiva da InteraçãoHumano-Computador (IHC), disciplina daComputação que se propõe a entender a relaçãoentre as pessoas e a tecnologia, de modo aprojetar soluções técnicas adequadas ao públicoao qual a tecnologia é direcionada.Nas próximas seções são descritas algumasparticularidades do cenário brasileiro para ainteração com o consumidor. O referencial daSemiótica organizacional é então apresentado,seguido pelo levantamento dos stakeholders e desuas principais preocupações e motivações.

1 Particularidades do cenário brasileiro

A diversidade sociocultural brasileira é destaqueao se analisar quem é o consumidor de energiaelétrica e o futuro usuário das tecnologias defeedback de consumo e de geração distribuída.Além das diferenças culturais internas, como, porexemplo, a aceitação social da fraude,evidenciadas em algumas regiões geográficas(FGV, 2006; PICCOLO; SCHARL;BARANAUSKAS, 2011), a familiaridade no usodas TICs – maior em áreas urbanas e de maiorrenda e escolaridade –, as diferenças na



Desafios para a interação com o consumidor: um pano rama sociotécnico para a mudança tecnológica

percepção do meio ambiente e no uso dosrecursos naturais, que diferem em áreas urbanase rurais, bem como as dificuldades dedistribuição de energia, intrínsecas dedeterminadas regiões, o Brasil apresenta outraspeculiaridades que impedem a apropriação desoluções construídas e disseminadas nomercado internacional, principalmente pelospaíses mais desenvolvidos (PICCOLO;BARANAUSKAS, 2012).Tal como evidenciado por Anderson e White(2009), a representação do consumo de energiaelétrica é baseada em conceitos abstratos, taiscomo watt, quilowatt e quilowatt-hora, o querepresenta um fator complicador noentendimento do consumo. Esse fator,observado mundialmente, é ainda mais evidenteno Brasil se considerarmos o nível dealfabetização da população adulta. De acordocom o INAF – Indicador de Alfabetismo Funcional– (IPM, 2011), 70% da população temalfabetização incompleta, podendo significartambém dificuldade na interpretação de gráficosou porcentagens, representações comumenteaplicadas para representar consumo de energia(PICCOLO; BARANAUSKAS, 2012).Além disso, quando o tema é conservação deenergia ou sustentabilidade, diretivas deinúmeros projetos no cenário internacional, noBrasil há uma distante associação entre meioambiente e geração/consumo de energia elétricapela população (PICCOLO; BARANAUSKAS,2012), de forma que esse aspecto não evoca ouevoca pouca motivação em potenciais usuários.A complexidade do cenário tarifário e daregulamentação também não favorece arepresentação do consumo de energia. Oconsumo em valores na moeda corrente é umarepresentação difundida em displays de energiapelo mundo, mas não diretamente aplicável nocenário brasileiro, uma vez que as tarifas variampor faixa e ao longo do mês. Na Figura 1, umconjunto de displays de mercado no Reino Unidoilustra a representação majoritariamentenumérica, com valores em kWh, CO2 e moedalocal.

Fonte: Anderson; White (2009)

Figura 1 Displays comerciais no Reino Unido

Tais exemplos evidenciam que para propor aoconsumidor soluções adequadas ao cenáriobrasileiro é necessário mapear as forçasatuantes mais relevantes no consumo de energiaelétrica e na sua percepção pelos indivíduos. Asseções subsequentes tratam então dolevantamento de stakeholders e de suasprincipais preocupações ou influências no tema.

2 Análise sociotécnica

Em um cenário smart grid, a simples introduçãode um dispositivo tecnológico para informar arespeito de consumo detalhado de energia ou dageração distribuída envolve um grande númerode partes interessadas, ou stakeholders, queinfluenciam ou que são influenciados por essamudança na relação do consumidor com aenergia. E essa influência pode ser positiva ounegativa, se não adequadamente considerada noprocesso de concepção de uma solução.A abordagem analítica proposta pela Semióticaorganizacional (SO) é aderente ao estudo dessecenário no Brasil no que diz respeito à introduçãotecnológica, uma vez que permeia aspectostécnicos, sociais e culturais a partir de diferentesperspectivas, tal como descrito a seguir.

2.1 Semiótica organizacional

A Semiótica organizacional (LIU, 2000) é umadisciplina que propõe meios para analisar uma“organização” (empresa ou sistemainformacional, por exemplo), tal como aintrodução de uma tecnologia, num determinadocontexto social, de forma subjetiva, ou seja,agregando diversos pontos de vista.Essa abordagem ajuda a compreender ainteração entre indivíduos de uma sociedade eentre as pessoas e a tecnologia, uma vez que nonúcleo de um contexto sócio-organizacionalexiste uma solução técnica, que é envolvidapelas camadas formais (regras, regulação) einformais (crenças, intenções). A solução técnicainfluencia os níveis formais e informais, etambém sofre a influência desses níveis, talcomo representado na Figura 2.


Técnico

Formal

Informal

Figura 2 Relação entre os níveis informal, formale técnico, de acordo com a Semiótica

organizacional


Essa abordagem sugere que um projeto deinovação pode ser falho se trabalhado somenteno nível técnico, pois pode não corresponder aosinteresses, aos valores, às expectativas ou àpolítica vigente. Na Semiótica organizacional existe um conjuntode métodos e ferramentas para análise derequisitos, especificação formal e implementaçãodenominado MEASUR (Methods for Eliciting,Analysing and Specifying User Requirements).Dentro dessa metodologia está o PAM (ProblemArticulation Methodology), usado na identificaçãode stakeholders e descrito a seguir.

3 Análise de stakeholders

Com base nessa estrutura de camadas da Figura2, o PAM define o Diagrama de partesinteressadas (KOLKMAN, 1993), uma ferramentapara mapeamento desses stakeholders, deacordo com o papel que eles desempenham na“organização”.Nessa ferramenta, os stakeholders sãoposicionados nas camadas, ou na fronteira entreelas, que melhor representam seu papel eresponsabilidades no domínio do problema emanálise, desde o núcleo técnico do problema atéo impacto na sociedade.

São elas:• Operação : núcleo técnico da organização

em análise.• Contribuição : atores responsáveis para

que a execução técnica aconteça.• Fonte : clientes e fornecedores mapeados.• Mercado : parceiros e eventuais

concorrentes. Aqui são identificadosaqueles stakeholders que, se não tratadosadequadamente, podem se tornarconcorrentes em vez de parceiros.

• Comunidade : espectadores, legisladorese todos aqueles outros papéis que diretaou indiretamente influenciam e sãoinfluenciados pelo problema.

A Figura 3, baseada em Piccolo e Baranauskas(2011), representa esse diagrama instanciadonuma visão macro do cenário brasileiro,considerando a introdução da medição inteligentepara o consumidor assim como a “organização”em análise. Nessa análise, estão sendoconsiderados tanto stakeholders internos àsempresas de energia, muitas vezesrepresentados por áreas ou departamentos,quanto externos. Os principais aspectos técnicos envolvidos estãona camada Operação : Tecnologia da

Figura 3 Análise de partes interessadas



Informação, fortemente conectada àinfraestrutura avançada de medição (AdvancedMetering Infrastructure – AMI), e redes decomunicação que suportam a transmissão dosdados entre unidades consumidoras e asconcessionárias. Os responsáveis por essasáreas estão na fronteira com a camadaContribuição , daqueles stakeholdersresponsáveis mais diretamente pela execução dosistema em análise. Nessa camada estão oseletricistas responsáveis pela instalação e pelamanutenção dos equipamentos, os projetistas edesenvolvedores de soluções técnicas, comodisplays de consumo, por exemplo, comércio einstalação de equipamentos de geraçãodistribuída, etc. Os canais de atendimento aocliente também pertencem a essa camada, umavez que é por meio deles que os consumidoresinteragem diretamente com a empresa.O atendimento ao consumidor também estárepresentado na terceira camada, denominadaFonte , na qual estão mapeados os clientes efornecedores, ou seja, aqueles que fazem uso oufornecem suprimentos, informações, permissões,etc., compartilhando tanto os benefícios quantoos eventuais impactos negativos da solução. Áreas responsáveis por recuperação de perdasforam consideradas clientes, uma vez quepodem fazer uso da introdução desse artefatotécnico para retomar o relacionamento com ocliente inadimplente e prevenir novos casos deinadimplência/fraude. Os consumidores tambémestão representados nessa camada; entre elesestão os grandes clientes, que são aqueles quepodem ter um envolvimento diferente com oprojeto por terem áreas comuns e diversosusuários com medidas individuais, tais comocondomínios de prédios e casas, centroscomerciais, entre outros, que podem inclusive terum canal de atendimento diferenciado norelacionamento com a empresa. Os fabricantesde medidores e displays comerciais de consumosão fornecedores, mas também parceiros nacamada Mercado.Na camada Mercado , por sua vez, estãomapeados: funcionários das concessionárias quepodem se tornar concorrentes ou competidoresse não forem efetivamente envolvidos nasolução, influenciando direta ou indiretamente oresultado. Nesse caso, estão também osprestadores de serviço, com destaque para osleituristas, que hoje fazem contato com osconsumidores finais e poderão ter seusempregos diretamente afetados pela solução;lojas de equipamentos elétricos, que instruem oconsumidor sobre o funcionamento de padrões(eventualmente indicando profissionais,chamados de “padronistas”, que fazem ainstalação de padrões novos); os eletricistas derua, que fazem reparos nas instalações dosconsumidores, inclusive atuando como uma

espécie de despachante entre o cliente final e asempresas de energia; e outras utilities, quepodem vir a oferecer soluções próprias de redesinteligentes para os bens que comercializam(e.g. água) ou se associar a programas de smartgrid, inclusive fornecendo visualização integradaaos consumidores.Tradicionalmente, os legisladores sãorepresentados na última camada do diagrama, aComunidade . Todavia, como esse cenário aindarequer inovações também no aspecto regulatório,esses órgãos também são representados comoparceiros na camada Mercado. Nesse caso,estão a ANEEL, o Ministério de Minas e Energiae a ABRADEE, um representante dasconcessionárias. Nessas duas camadas estãotambém os líderes comunitários que podem vir aser parceiros importantes para a solução, umavez que são pessoas formadoras de opinião epodem influenciar a adoção da tecnologia.Síndicos de condomínios, administradores,professores e diretores de escolas,representantes de ONGs, líderes de cooperativassão alguns exemplos. E, nessa última camada, estão também os outrosespectadores que representam a sociedade:demais distribuidoras, geradoras, o PoderLegislativo, que pode apoiar ou fazer oposição àsmudanças regulamentais, os órgãos queprotegem os direitos do consumidor PROCON eIDEC, os Correios, que atualmente têm papelfundamental no processo de entrega decobrança e relação com o consumidor final, e amídia, fundamental para formar a imagempositiva do projeto perante a sociedade. Dentro do referencial da Semióticaorganizacional, esse processo de análise avançapara o quadro de avaliação, a fim de detalharcomo se dá essa influência “de/para” osstakeholders.

4 Quadro de avaliação

O quadro de avaliação é uma ferramenta queauxilia na identificação de barreiras, interesses epreocupações que concernem a essas partesinteressadas, assim como no encaminhamentode possíveis soluções (BARANAUSKAS et al.,2005).Assim, o conjunto de tabelas a seguir sumarizaas questões relativas à introdução da mediçãointeligente e à disponibilização de informações deconsumo aos clientes das empresas de energia,desde a camada Contribuição (Tabela 1), Fonte(Tabela 2), Mercado (Tabela 3) e Comunidade(Tabela 4).Não há respostas para todas as perguntas. Emdeterminados casos, as respostas devem serinvestigadas dentro de cada cenário deimplantação da tecnologia, mesmo porque osconsumidores e interesses de cada implantaçãodiferem.



Tabela 1 Questões da camada Contribuição

Camada Contribuição

Principais questões Possíveis soluções

• Como identificar as informações que são defato relevantes para a realidade e o contexto devida dos consumidores de um determinadocenário?

• Como prover essas informações de maneirasegura e confiável para o consumidor?

• Como apresentar informações de maneira quesejam adequadas aos diversos grupos deusuários e que despertem os diferentesinteresses em adotar a tecnologia?

• Como agregar valores culturais e motivacionaisà tecnologia?

• Como instalar e manipular medidores edisplays?

• Como instruir o consumidor a interagir com osnovos equipamentos?

• Como informar os benefícios para o consumidora respeito da mudança tecnológica?

• Envolver representantes de usuário final para mapearnecessidades e expectativas no projeto e desenvolverinterfaces (workshops, visitas e entrevistas).

• Conhecer a realidade de diferentes perfis deconsumidores e representá-los no processo deimplantação da tecnologia por meio de workshops, visitasou entrevistas.

• Criar modelos de usuários que representem, para todosaqueles que concebem soluções técnicas, as diferentesnecessidades, expectativas e valores culturais.

• Considerar e valorizar as questões de segurança eprivacidade na apresentação dos dados de consumo.

• Prover capacitação técnica na nova tecnologia para asfunções de instalador (inclusive de sensores), instrutor eresponsáveis pela manutenção dos medidores e displaysinteligentes.

• Envolver representantes da classe (técnicos eletricistas)no projeto e criar mecanismos de incentivos para queesses profissionais difundam os benefícios da mudançatecnológica.

• Produzir material explicativo (vídeos e folders) sobre ainstalação, o funcionamento e o uso dos dispositivos.

• Capacitar toda a cadeia de atendimento ao consumidordas empresas de energia no esclarecimento de dúvidas,manuseio do equipamento, benefícios e tarifas.

Tabela 2 Questões da camada Fonte

Camada Fonte


• É interessante para o projeto em questão que aintrodução da tecnologia seja um incentivo pararegularizar a situação de fraude de um consumidor? Sesim, como abordar esse tema?

• Como determinar tipos de mídias e displays adequadospara o público em questão?

• Como usar o dispositivo para promover o consumoconsciente, incentivando que o consumidor,principalmente aquele de mais baixa renda, controle osgastos e evite situação de inadimplência?

• Como incentivar o consumidor a fazer uso dessesartefatos tecnológicos?

• É interessante promover valores ecológicos associadosao consumo consciente?

• Como captar a percepção dos consumidores a respeitoda nova tecnologia?

• Como promover a adoção da tecnologia fazendo usode informação em áreas comuns de condomínios,escolas e shopping centers?

• Como garantir a disponibilização de displays emedidores de forma que atendam às necessidades eexpectativas dos consumidores, inclusive financeiras?

• Criar mecanismos de acolhimento dosconsumidores inadimplentes/fraudadores,proporcionando uma oportunidade de retomar orelacionamento com a concessionária, tendo anova tecnologia como um incentivador noprocesso.

• Criar programas de educação do consumidor noque diz respeito ao uso da tecnologia paraprevenir inadimplência/fraude associadas à ofertada tecnologia.

• Vincular o uso do dispositivo a outras eventuaiscampanhas e programas existentes naconcessionária, na área de recuperação deperdas, educação, sustentabilidade, etc.



Tabela 3 Questões da camada Mercado

Camada Mercado


• Como envolver os padronistas e os técnicos eletricistasautônomos para que eles adotem a tecnologia epromovam benefícios para a sociedade?

• Como envolver as empreiteiras na mudançatecnológica?

• Quais os interesses das outras utilities na tecnologia?Como mapear esses interesses nos displays emedidores?

• Como educar e envolver os funcionários da empresa(inclusive leituristas) de forma a transformá-los emapoiadores do projeto?

• Como envolver líderes comunitários em atividades parapromoção da mudança tecnológica?

• Como promover as mudanças necessárias naregulamentação e legislação vigentes?

• Promover programas de atualização dosfuncionários da empresa no que diz respeito àmudança tecnológica.

• Promover eventos para atualização e formação detécnicos eletricistas autônomos, bem como defuncionários das empreiteiras.

• Promover eventos para envolvimento de líderescomunitários.

Tabela 4 Questões da Camada Comunidade

Camada Comunidade


• Como promover e divulgar adequadamente osbenefícios e implicações para o consumidor?

• Como construir e manter a imagem positiva daintrodução tecnológica perante a mídia e asociedade?

• Como divulgar os resultados para envolver asdemais concessionárias nas soluçõesalcançadas pelo projeto?

• Como amenizar a preocupação dos leituristasem manter seu emprego após a introdução dosmedidores inteligentes?

• Como garantir os interesses do consumidor?

• Como mapear as expectativas dos órgãos dedefesa do consumidor no projeto e envolvê-losna solução?

• Analisar a regulamentação de direitos do consumidor emvigor a fim de garantir o seu cumprimento.

• Promover material publicitário divulgando os benefíciosda mudança.

• Promover e publicar resultados para outrasconcessionárias via Website e visitas.

A identificação de stakeholders e das questõespertinentes a cada camada é um processo vivo,sujeito a evoluções durante o desenvolvimento ea implantação.Baseadas em análises e experiências prévias naimplantação de tecnologia, essas questõespreliminares podem ser apropriadas comodirecionadoras de novas iniciativas que focam oconsumidor e sua relação com a energia elétricae com o provedor de serviço.

Conclusão

Este trabalho apresentou uma análise preliminarde stakeholders, agrupados por camadasfundamentadas na Semiótica organizacional, esuas principais questões, bem como possíveissoluções no processo de interação com oconsumidor na implantação de uma novatecnologia relacionada a medição e feedback deconsumo de energia. Cada contexto deimplantação requer análises específicas que



permitam a elaboração e o desenvolvimentoadequados ao cenário sociocultural e à estratégiado projeto em questão.

Referências

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Abstract

When applied to provide information about energy consumption in a proper way, technology related to theSmart Grid may potentiate a change in the relationship between humans and the energy towards a moreconscious perception and behavior. As a consequence, consumers may become more responsible andmore satisfied with the services. The interaction with consumers influences and is influenced by amultitude of stakeholders. Map them and make sense of their main concerns and motivations representthe first steps of a study aiming at designing adequate solutions for a Smart Grid deployment context. Thiswork presents a preliminary analysis of stakeholders related to the introduction of this new technology,using the Organizational Semiotics as the main methodological and theoretical background.

Key words: Interaction with consumer. Stakeholders. Organizational Semiotics.


Soluções flexíveis de telecomunicação aplicadasao setor elétrico

Edson José Bonon*, Marcos Guimarães Castello Branco, Luis Cláudio Palma Pereira

O conceito de rede elétrica inteligente (smart grid) depende da viabilização de soluções de comunicaçãoversáteis, que possam atender a uma grande diversidade de aplicações e de dispositivos de medição eautomação, além dos requisitos de comunicação com as equipes de campo da concessionária. Nesteartigo, são apresentadas soluções de comunicação versáteis, desenvolvidas no escopo de projetos deP&D ANEEL, em parceria com as concessionárias Cemig e Light, aplicadas essencialmente aequipamentos gateway multi-interface e multitecnologia que permitem a interligação de diversoselementos (máquinas e pessoas), atendendo a suas diversas aplicações ao longo de toda a planta daconcessionária.

Palavras-chave: Gateway. Wi-Fi. ZigBee. Smart grid. GPRS.

Introdução

Atualmente, o setor elétrico passa por uma sériede transformações, particularmente, associadasao novo conceito de smart grid, ou redesinteligentes. Esse conceito visa a automatizaçãoe o aumento de eficiência dos processosoperacionais e envolve soluções apoiadas emuma rede de telecomunicação comcaracterísticas definidas para aplicações emsetores como o elétrico, de água e de gás.Esse movimento é responsável por uma fortedemanda de novos produtos e novas soluçõesassociados às telecomunicações.Ao mesmo tempo, no Brasil, a ABRADEE(Associação Brasileira de Distribuidores deEnergia Elétrica) (2011) realizou estudos queenglobam a definição das melhores arquiteturasde telecomunicações para smart grid para ocenário brasileiro.Em aplicações específicas, essa nova rede detelecomunicação poderá ser de propriedade deuma concessionária (utility) ou de umaprestadora de serviços de telecomunicações.Entretanto, é importante ressaltar que, para atuarnesses diversos tipos de redes, são cada vezmais necessários dispositivos mais flexíveis,compatíveis com diferentes funcionalidades eadequados aos diferentes ambientes de atuação.Este artigo apresenta os primeiros resultados dedois projetos de pesquisa e desenvolvimentorealizados com as concessionárias de energiaelétrica Cemig (MG) e Light (RJ). Os escoposdesses projetos compreendem odesenvolvimento de soluções de comunicaçãoversáteis e multitecnologia, implementadas emequipamentos com funcionalidades de gatewayse com múltiplas interfaces. Entre essesequipamentos, destaca-se o gateway decomunicação multi-interface, cuja principalfunção é interligar duas redes através doroteamento entre interfaces conectadas às redes

WAN (Wide Area Network) e NAN(Neighborhood Area Network), nas quais o ladoda rede WAN pode apresentar um ou mais tiposde interfaces. A especificação dessas interfacesdepende de estudos relacionados aoplanejamento da rede de comunicação, o qualinclui sua adequação aos tipos de aplicações eserviços compatíveis. A partir desses estudospoderão ser determinados parâmetros básicos,tais como:

a) capacidade de vazão (throughput);b) frequência;c) qualidade de serviço.

A análise da rede NAN também envolve essesparâmetros. Porém, fatores adicionais podem setornar mais importantes, como, por exemplo,custo e integração com dispositivos da redeelétrica. A seguir, nas Seções 1 e 2, sãodetalhados os tipos de gateways desenvolvidosno escopo dos projetos da Light (2010-2014) eda Cemig (2010-2014) e as topologias e oscenários de aplicação. Na Seção 3, sãoapresentados os protótipos para a validaçãoexperimental das soluções propostas. NaSeção 4, são descritas as principaiscaracterísticas dos protótipos em relação àstecnologias fornecidas pelo mercado e, por fim,são apresentadas as conclusões.

1 Gateway Light

1.1 Descrição da solução

No projeto realizado em parceria com a Light, oCPqD desenvolveu uma solução decomunicação baseada em gateway, que oferecetrês interfaces de comunicação sem fio:

a) Wi-Fi Mesh; b) GPRS (General Packet Radio Service);c) ZigBee.



Soluções flexíveis de telecomunicação aplicadas ao s etor elétrico

A interface Wi-Fi Mesh, em 900 MHz, é utilizadapara comunicação em longa distância com WAN,que provê backhaul para a rede NAN. Acapacidade de transmissão dessa interface é daordem de 10 Mbit/s. Para o segmento de rede NAN, é implementadano gateway uma interface ZigBee, que opera nafrequência de 2.4 GHz, responsável pelacomunicação com os medidores de energiaelétrica. A interface ZigBee do medidor tambémfoi desenvolvida no escopo do projeto. A rede ZigBee opera em modo mesh, no qual opapel de coordenador ou concentrador édesempenhado pelo gateway e funcionalidadesde roteamento são incorporadas aos módulosZigBee, que fazem a interface com osmedidores. O throughput apresentado pelainterface Zigbee na rede NAN é deaproximadamente 50 kbit/s.O gateway também conta com uma interfaceGPRS, que fornece backhaul redundante comoalternativa para a interface Wi-Fi. De fato, essainterface entra em operação somente quando ainterface Wi-Fi, considerada principal, apresentafalha ou encontra-se indisponível. É possívelatingir taxas de dados de 115 kbit/s para estainterface alternativa na WAN. A Figura 1 mostra o diagrama simplificado e emblocos do gateway.

Figura 1 Diagrama do gateway

Essa solução visa a implantação da prova deconceito de redes inteligentes, smart grids, emuma região ainda a ser definida na cidade do Riode Janeiro.

1.2 Topologia e cenário de aplicação

A arquitetura ilustrada na Figura 2 representa umcenário típico de aplicação, no qual o gateway éinserido. Nessa figura, são apresentadas asconexões entre os segmentos de rede, WAN eNAN, e com redes HAN (Home Area Network),que se encontram nas dependências dosusuários finais.Esse cenário é caracterizado pela utilização deum sistema de medição conhecido como SMC(Sistema de Medição Centralizada), em que osmedidores são instalados em bastidores, que sãofixados nos postes. A rede sem fio NAN propiciaacesso seguro entre o dispositivo de mediçãoresidencial, o medidor instalado em poste e ogateway. Uma das vantagens desse sistema é o

grau maior de restrição de acesso aosmedidores, que reduz a incidência de fraudes.Adicionalmente, a rede atende aos dispositivosdisplays instalados nas residências, que, além deapresentar informações de consumo em temporeal aos usuários, possibilitam a oferta de novosserviços.

Figura 2 Arquitetura de comunicação: redes NAN,WAN e HAN

Conforme ilustrado na Figura 2, a expansão darede também pode ser alcançada através dosegmento HAN. Esse segmento tambémpossibilita a introdução de novas aplicações,como o acompanhamento de consumo dedispositivos específicos, condicionadores de ar,por exemplo, com o emprego dos dispositivosdisplays. Tomadas de decisão quanto ao períodode funcionamento desses dispositivos podem serviabilizadas com a configuração do display,proporcionando uma melhor eficiência do uso doequipamento na residência e,consequentemente, a redução de custos para ousuário final. Para a concessionária de energia, oemprego da micromedição pode representar umprimeiro passo rumo à implantação da tarifabranca, que possibilita a otimização dos recursosenergéticos e a aplicação de tarifaçõesdiferenciadas em função do perfil de consumo dousuário final.

2 Gateway Cemig

2.1 Descrição da solução

Dentro do escopo do projeto criado em parceriacom a Cemig, estão sendo desenvolvidosequipamentos de comunicação do tipo gateways,com diferentes interfaces para redes detelecomunicação. Esses gateways apresentamconfigurações flexíveis para interfaces, comalguns módulos fixos e outros variáveis. Alémdisso, contam com uma interface adicional deredundância e um ponto de acesso sem fio parafornecer comunicação às equipes de campo



(Field Area Network – FAN). Os módulos comunsfixos incluem:

a) fonte de alimentação e bateria;b) switch – Controlador WAN;c) interface FAN / Wi-Fi PMP 2.4 GHz;d) interface WAN / GPRS (General Packet

Radio Service);e) interface Ethernet – RS232.

Os módulos variáveis WAN compreendem:

a) interface Wi-Fi Mesh 900 MHz; b) interface metro Ethernet / FO;c) interface modem HFC coaxial.

A interface Wi-Fi Mesh, em 900 MHz, é baseadano padrão Wi-Fi e apresenta as mesmascaracterísticas da interface mencionadaanteriormente na descrição do projeto da Light.Entretanto, essa classe de gateway conta comdois tipos adicionais de interface: a interfacemetro Ethernet, que converte o sinal óptico emelétrico, e a interface HFC, que opera commodem a cabo e converte o sinal proveniente deum cabo coaxial de uma operadora de TV acabo, para uma saída Ethernet.Esse gateway será empregado como prova deconceito de redes inteligentes, smart grids, naregião de Sete Lagoas, em Minas Gerais.A Figura 3 representa a arquitetura do gateway,que destaca a modularidade e as trêsconfigurações WAN possíveis: metro Ethernet /FO, Wi-Fi Mesh 900 MHz e modem HFC.

Figura 3 Gateway com interface Ethernet paraconexão com modem HFC

O concentrador AMI, indicado na Figura 3, é ummódulo fornecido por fabricantes de medidoresde energia elétrica para unidades consumidoras(UC). Ele foi instalado próximo aos consumidoresfinais de energia, com a finalidade de centralizarinformações e viabilizar um sistema de medição

avançada que forneça os dados coletados para osistema de contabilidade instalado no Centro deMedição e Controle da concessionária. Essesconcentradores, atualmente disponíveiscomercialmente, implementam uma variedade deprotocolos de comunicação.

Os protocolos de comunicação, abertos ouproprietários, devem permitir a utilização de umainterface padrão Ethernet 10/100 Mbit/s, comconector RJ45, para que possam ser integradosao gateway (GW), e com o modem HFC,conectado através de um módulo variável, comconexão Ethernet LAN. A Figura 4 oferece umexemplo típico da topologia do gateway HFCconectado na porta Ethernet, disponível paraesse tipo de configuração. O modem utilizado noprojeto é do tipo comercial.

Figura 4 Exemplo de topologia de aplicação dasgateways multi-interface

2.2 Topologia e cenários de aplicação

O equipamento gateway (GW) descrito na seçãoanterior tem aplicação em diversos cenários etopologias de rede inteligente (smart grid) emrazão de sua versatilidade e da disponibilidadede múltiplas interfaces de comunicação. Oscenários exemplificados na Figura 4 ilustram asseguintes situações:

a) utilização de gateways multi-interfaceinterconectados na rede da concessionáriapor meio de switches metro Ethernet;

b) utilização de gateways multi-interfaceconectados diretamente aosconcentradores AMI que, por sua vez, secomunicam com os medidores de energiade consumidores situados nas suasvizinhanças;

c) utilização de gateways multi-interfaceconectados diretamente, por interfaceserial local, aos dispositivos de automação



da rede elétrica, como, por exemplo,religadores e chaves automatizadas;

d) utilização de gateways multi-interfaceconectados por RF à rede GPRS dasoperadoras do serviço celular paraprovimento de redundância oucomunicação de longa distância (WAN).

A esses exemplos, somam-se diversasalternativas, com diferentes combinações derede WAN que utilizam as interfaces HFC (cabocoaxial), metro Ethernet (FO) e Wi-Fi Mesh900 MHz e oferecem o grau de versatilidadeindispensável para atender a inúmeras situaçõesdiárias das plantas de comunicação dasconcessionárias ou das prestadoras de serviçosde telecomunicações locais. Além disso, cadaum desses gateways provê também acessoFAN, através da interface Wi-Fi 2.4 GHz PMP,disponibilizando meios de comunicação para asequipes de campo da concessionária, ao longode toda a rede elétrica de distribuição. Essacomunicação pode ser facilitada com o empregode dispositivos de diversos tipos, tais comoPDAs, smartphones, tablets ou laptops, utilizadospor equipes em deslocamento, a pé ou emviaturas. Dessa forma, todo o conjunto deaplicações, dados de medição e dados deautomação se tornam disponíveis, de formasegura e redundante, nos diversos segmentos daplanta externa de distribuição, até o Centro deMedição e Operação da concessionária.

3 Protótipos para validação experimentaldas soluções de gateways

3.1 Protótipo Light

A Figura 5 ilustra o protótipo do gatewaydesenvolvido no escopo do projeto realizado emparceria com a Light, descrito na Seção 1.1.Esse protótipo foi desenvolvido para suportar ascondições de operação outdoor. Normalmente,esse tipo de gateway, assim como os demaistipos aqui apresentados, devem ser instaladosem postes das próprias concessionárias. O gateway oferece antenas distintas para asinterfaces rádio Wi-Fi, GPRS e ZigBee.Adicionalmente, conta com uma interfaceEthernet. O protótipo é alimentado através de umcabo de energia externo, conectado à linha debaixa tensão. O gateway também apresenta umsistema de redundância, com o uso de umabateria, com autonomia de aproximadamente30 minutos, e também com proteção contrasurtos nas antenas e interfaces com a redeelétrica.Planeja-se validar o protótipo executando-se osseguintes testes:

a) temperatura, uma vez que os equipamentosutilizados neste setor apresentam como

principal característica a capacidade desuportar temperaturas elevadas, que podemchegar a aproximadamente 60ºC;

b) estabilidade da rede;

c) capacidade em relação ao número máximode elementos conectados ao gateway;

d) robustez, com base na relação capacidade xtempo de operação;

e) pré-certificação; verificação das interfacesquanto ao cumprimento das exigências daANATEL (Agência Nacional deTelecomunicações).

Figura 5 Gateway e suas respectivas antenas

3.2 Protótipo Cemig

Com o objetivo de realizar a validaçãoexperimental do gateway descrito na Seção 2.1,num cenário de aplicação compatível com oscenários apresentados na Seção 2.2, foramdesenvolvidos e fabricados inúmeros protótiposem diferentes configurações e combinações deinterfaces WAN, para testes de campo noprojeto-piloto de redes inteligentes (smart grids)da Cemig, na região de Sete Lagoas, em MinasGerais.



Figura 7 Vista interna do protótipo do gatewaymetro Ethernet com módulos flexíveis

As Figuras 6 e 7 ilustram a forma deempacotamento e a mecânica utilizadas nosprotótipos e empregadas nos vários tipos degateways, compatíveis com montagem outdoor einserção em gabinete padrão do tipo rack. Essasolução mecânica facilita a remoção e asubstituição de módulos e partes, pelas equipesde manutenção em campo, e oferece tambémmaior flexibilidade de intercâmbio dos módulosde comunicação, viabilizando a adaptação daconfiguração do equipamento às diversassituações encontradas na rede. Essa mecânicaainda conta com um sistema de energiaautônomo, que compreende uma bateria paraproteção contra falhas ou quedas de energia porlongos períodos.Planeja-se validar o protótipo da Cemig por meiodos mesmos testes descritos para validação dogateway da Light, na Seção 3.1.

3.3 Testes de validação

Os protótipos dos gateways estão sendotestados no CPqD, visando a obtenção de umaprova de conceito. Esses testes englobamTestes de Integração de Produto (TIP) e Testesde Qualidade de Sistema (TQS). Os TIP visamverificar o desempenho de cada módulocomponente do gateway, software e hardwaredesenvolvidos, bem como sua integração eoperação conjunta. Os TQS visam qualificar oequipamento em ambiente controlado, avaliandoseu desempenho quanto ao aspecto sistêmico.Os equipamentos podem ser avaliadosindividualmente e em conjunto (mais de umaunidade), numa topologia experimental de redeque possa representar um cenário real deutilização. Nesses testes, os gateways passarampor avaliações de desempenho de rede emcondições climáticas adversas. A Figura 8 ilustraum dos cenários de teste que envolve atransferência de dados em função da variação

térmica. Nesse cenário, foi avaliada a taxa dedados trafegados, pela interface WAN Wi-FiMesh 900 MHz, entre duas unidades degateways desenvolvidos para o projeto Cemig.Uma das unidades operou dentro de umacâmara climática, num ciclo térmico, comtemperatura ambiente de aproximadamente55C.

Figura 8 Cenário de testes de taxa de dados entregateways, por interface Wi-Fi Mesh 900 MHz,

durante ciclo térmico em laboratório do CPqD

Os resultados dos testes laboratoriais em câmaraclimática estão ilustrados na Figura 9. Taisresultados confirmam a estabilidade dodesempenho da taxa de dados, pela interfaceWi-Fi Mesh 900 MHz, durante o ciclo deincremento da temperatura ambiente, de 23Caté aproximadamente 55C. Essa interface éuma das mais importantes do equipamentoporque é uma interface sem fio.

Os próximos passos previstos no projeto incluemnovos testes, que serão realizados antes edurante a prova de conceito com asconcessionárias, com o maior número possívelde cenários de uso e operações dosequipamentos.

4 Protótipos e soluções de mercado

As principais características dos protótiposdesenvolvidos, em comparação com astecnologias fornecidas pelo mercado, são:

a) capacidade de trabalhar com dois tipos deredes distintas do lado da rede WAN, coma possibilidade de redundância, casoocorra algum tipo de falha na rede



principal. Capacidade atribuída tanto parao protótipo da Light como para o daCemig;

b) flexibilidade, uma vez que podem serintegrados em diversas redes decomunicação. Essa integração é obtidaatravés da troca de módulos, escolhidospara cada tipo de rede. Neste caso, sópara o protótipo da Cemig;

c) acesso para equipe de campo, através deuma interface Wi-Fi. Essa interfaceconecta o profissional diretamente à rededa concessionária, através de dispositivosmóveis como PDAs, smartphones, tabletsou laptops. Essa interface também integrao protótipo da Cemig.

Conclusão

O conceito de rede elétrica inteligente (smartgrid) depende da viabilização de soluções decomunicação versáteis, que possam atender auma grande diversidade de aplicações e dedispositivos de medição e automação, além dosrequisitos de comunicação com as equipes decampo da concessionária. Neste artigo, foramapresentadas soluções de comunicaçãoversáteis, desenvolvidas no escopo de projetosde P&D ANEEL, em parceria com asconcessionárias Cemig e Light, aplicadasessencialmente a equipamentos gatewaymulti-interface e multitecnologia, responsáveispela interligação de diversos elementos(máquinas e pessoas), atendendo a suasdiversas aplicações ao longo de toda a planta daconcessionária.

Agradecimentos

Os resultados apresentados neste artigo foramfruto de um projeto de Pesquisa eDesenvolvimento, executado em parceria com asconcessionárias Cemig (MG) e Light (RJ), comrecursos de fundos de P&D da ANEEL. Osautores agradecem às concessionárias e a todaa equipe do CPqD envolvida nas atividades dedesenvolvimento e testes.

Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DEDISTRIBUIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA(ABRADEE). Projeto estratégico de P&D deredes elétricas inteligentes, junho de 2011.

CEMIG. Projeto Cemig - "D-423 -Desenvolvimento de Modelo Funcional SmartGrid através de Integrações Sistêmicas deSoluções Inteligentes para Automação da Redede Distribuição, Infraestrutura Avançada deMedição e Participação do Consumidor" -Cemig / ANEEL – 2010/2014.

LIGHT. Projeto Light – Contrato de P&D Nº4500248158 - Desenvolvimento de soluções demonitoramento e supervisão da rede subterrâneada empresa, além de trabalhar no sistema desoftware a ser utilizado. Desenvolvimento daarquitetura de telecomunicações das soluçõessmart grid, além de sua atuação no que concernea soluções de armazenamento de energia –tecnologias multimídia de participação doconsumidor que fornecerão informações sobre oseu consumo de energia – e a avaliações desatisfação dos clientes para as soluções testadas- 2010/2014.

Abstract

This paper describes some new telecommunication solutions developed to create a flexible smart gridnetwork to fit a broader set of applications for electric utility companies in the Brazilian scenario. Thedevelopment of such solutions results from a R&D project developed in partnership with Cemig and Lightand funded by ANEEL.

Key words: Smart Grid. GPRS. Wi-Fi. ZigBee. Gateway.


Infraestruturas avançadas de mediçãoRogério Botteon Romano*, Paulo Eduardo Sípoli Faria

Este artigo apresenta sucintamente o conceito básico, os benefícios, a análise técnica das principaisfuncionalidades e as expectativas da ANEEL sobre a infraestrutura avançada de medição – para a redeelétrica inteligente – smart grid. Adicionalmente, é apresentada uma visão geral das AMIs que estãosendo testadas, com a participação do CPqD, nas principais concessionárias distribuidoras de energiaelétrica no Brasil: Cemig-D, Eletrobras, Celpe, Eletropaulo e Light.

Palavras-chave: AMI. Medição inteligente. Prova de conceito em AMI.

Introdução

Basicamente, a infraestrutura avançada demedição (Advanced Metering Infrastructure –AMI) pode ser considerada um sistemacomposto por medidores de energia elétrica cominteligência computacional embarcada e providosde portas de comunicação de dados e demaisperiféricos. Tal sistema é suportado por umainfraestrutura de tecnologia da informação(telecomunicação, software e hardware) quepermite tanto a aquisição de dados em intervalosde tempo como o envio de informações ecomandos de forma remota.É importante observar que a introdução de umasolução AMI nas redes de distribuição brasileirasirá permitir a obtenção de informações individuaise precisas sobre consumo de energia elétricaque, apresentadas de modo inteligível, irãopossibilitar que o cliente exerça um efetivocontrole sobre seu consumo. Em alguns dosprojetos existentes em AMI, estão sendoavaliados os displays diretos e indiretos, quepermitem aos consumidores acessar asinformações de consumo de energia elétrica.Todos os dados que trafegam na AMInecessitarão, em uma de suas extremidades, deuma plataforma de medição (Meter DataManagement – MDM), que permitirá àconcessionária de energia elétrica realizaroperações de medição remota (leituras ecomandos), analisar e processar dados medianteintegração com os sistemas corporativos darespectiva concessionária, e efetuar a gestão deperdas.Em decorrência dos cenários regulatórios noBrasil e da disponibilidade técnica defornecedores de sistemas de medição inteligente,os testes com as soluções AMI, que estão sendoimplementados experimentalmente e avaliadosatravés de projetos de P&D ANEEL (AgênciaNacional de Energia Elétrica), são compostos porprodutos comerciais com protocolos decomunicação proprietários e abertos para oatendimento de cenários diferenciados, masrepresentativos das respectivas áreas deconcessão.

Neste artigo, serão apresentados os benefíciosda AMI, tanto para os consumidores como paraas concessionárias e a ANEEL. Além disso, esteartigo apresenta uma abordagem geral sobre osprincipais projetos de P&D em AMI, que foram ouestão sendo realizados no território nacional.

1 Benefícios da AMI

Uma solução AMI deveria abranger as seguintesfuncionalidades:

a) leitura remota dos medidores unidirecionaise bidirecionais de energia;

b) balanço energético para combate àsperdas;

c) corte e religamento a distância;d) tarifação diferenciada;e) levantamento da curva de consumo dos

clientes;f) monitoramento de carga pelo usuário;g) monitoramento das condições dos

transformadores.Com essa solução AMI, deve ser possível adisponibilidade das seguintes facilidades:

a) controle de perdas (técnicas e nãotécnicas);

b) interação com o consumidor;c) implementação da tarifa branca (tarifação

diferenciada);d) implementação de microgeração

distribuída incentivada para consumidoresdo grupo B;

e) disponibilização de informações maisdetalhadas para os processos dadistribuição (por exemplo, Faturamento ePerdas).

As principais evoluções previstas com ainstalação em massa de AMIs na área deconcessão serão:

a) um consumidor com display direto ouindireto poderá controlar melhor o consumode suas instalações;

b) os consumidores poderão se adaptar à




tarifação diferenciada, visando obter umaredução da conta de energia elétrica;

c) um consumidor com microgeraçãodistribuída poderá reduzir o consumo deenergia elétrica proveniente daconcessionária;

d) o trabalho do leiturista, que efetua a leiturade energia elétrica mensalmente, deixaráde ser necessário;

e) as leituras de consumo de energia poderãoser feitas a qualquer momento pelaconcessionária;

f) as operações de corte e religamento daenergia elétrica não serão efetuadaslocalmente por uma equipe de campodesignada pela concessionária;

g) a falta de energia elétrica em um medidorserá detectada antes que o respectivoconsumidor entre em contato com o callcenter da concessionária;

h) a resposta a uma reclamação de falta deenergia feita pelo consumidor será maisprecisa no que diz respeito à causa daocorrência e ao retorno às condiçõesnormais;

i) as áreas da concessionária com perdasserão detectadas mais rapidamente.

Adicionalmente, os benefícios de uma AMI paraas concessionárias podem ser os seguintes:

a) redução de custos operacionais;b) melhoria do fator de carga, com a redução

do pico de demanda;c) potencial postergação de investimentos de

expansão;d) gerenciamento de informações sobre o

sistema e sobre os consumidores emtempo real e de forma remota.

2 Análise das principais funcionalidades daAMI

As três principais funcionalidades/aplicações daAMI que podem ser destacadas são asseguintes:

2.1 Telemedição

Trata-se da transmissão de dados de consumode energia elétrica através da implementação deuma rede de comunicação entre o medidorlocalizado no cliente e o Centro de Medição. Épossível relacionar os seguintes resultados destaaplicação:

• Redução do custo de leitura – este resultadoé obtido através da automatização doprocesso operacional, em que o leiturista ésubstituído pela interface de comunicaçãoque transmite o valor do consumo domedidor.

• Redução de erros operacionais – esteresultado decorre diretamente daautomatização do processo de medição eaumenta consideravelmente a produtividadee a qualidade dos serviços prestados pelaconcessionária.

• Consistência e integridade da base deleitura – este resultado é obtido através dacapacidade integral e automatizada deleitura de toda a planta de medidores, quaseem tempo real, permitindo oarmazenamento, a verificação deconsistência e a integridade dos dados e orespectivo processamento para as demaisfunções associadas ao negócio daconcessionária.

• Redução do tempo gasto com acontabilidade do consumo – este resultadoimpacta diretamente o ganho financeiro daconcessionária, permitindo a rápidacontabilidade, de forma automatizada, dasfaturas correspondentes à mediçãorealizada.

2.2 Corte e religamento remoto

Esta aplicação é realizada através do disparo decomandos vindos dos sistemas de faturamentoda concessionária e encaminhados aosmedidores eletrônicos, acionando bobinas edisjuntores internos para o corte e o religamentode energia. Os resultados desta aplicação sãorelacionados a seguir:

• Redução da inadimplência – com aautomatização da coleta e da análise dasituação de pagamento do cliente, e apóstentativas de cobrança, a concessionáriapode rapidamente efetuar o corte dofornecimento da energia elétrica por meio darede de comunicação e do medidoreletrônico, assim como pode efetuar oreligamento quando da quitação domontante devido. Tais recursos estimulamum maior comprometimento por parte doconsumidor para com o pagamento em diada fatura de energia.

• Redução de custos operacionais – a partirdo comando de corte de energia dodomicílio, o medidor eletrônico éresponsável por efetuar o corte da energia epor seu posterior religamento, evitando odeslocamento da equipe de campo até oendereço do consumidor.

2.3 Balanço energético

Esta aplicação é realizada através da diferençaentre o total de energia fornecida no secundáriodo transformador de distribuição e o somatóriodos consumos registrados nos medidores da



respectiva área de atendimento do respectivotransformador. A seguir, são relacionados osresultados desta aplicação:

• Determinação de perdas técnicas ecomerciais – este resultado é obtido a partirda realização de cálculo e análise da citadadiferença, observando-se a ocorrência deperdas técnicas, principalmente notransformador e nos condutores, e aocorrência de perdas comerciais,possibilitando a identificação, por exemplo,de roubo de energia (“gatos”).

• Redução de roubo / furto de energia – éresultado da implementação de medidascoercitivas, mediante amparo legal, a saber:eliminação de fiações ilegais eimplementação da realização de balançoenergético no medidor eletrônico, no qual seregistram o valor da energia entregue aoconsumidor e o valor pago pelo consumidor,identificando furto da energia na residência.

• Redução de custos operacionais – a partirde indícios/constatação da fraude mediantea realização de balanço energético nomedidor eletrônico, é possível deslocar umaequipe de inspeção diretamente para a áreado domicílio do fraudador, evitando-se odeslocamento de múltiplas equipes deinspeção de campo para identificar a áreade fraude.

3 Expectativas da ANEEL sobre AMI

A ANEEL espera obter como resultados técnicosda implantação de AMIs no Brasil:

a) menor assimetria de informações;b) monitoramento de novos parâmetros de

qualidade da energia elétrica;c) tarifa refletirá o custo da energia em tempo

real.Em resumo, outros resultados esperados pelaANEEL são os seguintes:

a) mudança de hábitos dos consumidoresresidenciais e maior interatividade com aconcessionária;

b) aprimoramento da qualidade do produto eserviço prestado pelas concessionárias;

c) viabilização técnica da prestação de novosserviços pela concessionária;

d) uso mais eficiente do insumo energiaelétrica.

Entretanto, a ANEEL considera necessário agircom certa precaução em relação aosinvestimentos para a obtenção de AMIs. Algunsaspectos devem ser analisados criteriosamente,a saber:

a) disposição da sociedade em investir agorapara contabilizar benefícios no futuro;

b) relação custo/benefício;c) consumidores com diferentes capacidades

de pagamento.É importante salientar que a ANEEL consideraimportante o estudo do reconhecimento dosinvestimentos e seus impactos sobre amodicidade tarifária.A resolução 502 da ANEEL (2012) estabelece osrequisitos mínimos dos sistemas de medição deenergia elétrica instalados em unidadesconsumidoras do grupo B classificadas nosubgrupo B1 Residencial, não enquadradascomo Baixa Renda, e no subgrupo B3.

4 Projetos AMI nas principaisconcessionárias do Brasil

O CPqD está ou esteve participando dosprincipais projetos de P&D em AMI no Brasil. Aseguir, estão descritos de maneira sucinta osprojetos da Cemig-D, Celpe, Eletrobras,Eletropaulo e Light.

4.1 Cemig-D

Neste item, é apresentado um breve descritivoda Prova de Conceito (PoC) de AMI do ProjetoSmart Grid da Cemig-D, que está sendorealizada na região de Sete Lagoas (MG). Oescopo da PoC prevê, entre outras atividades, aavaliação de soluções de medição avançada ede relacionamento e interação com oconsumidor, além da avaliação da infraestruturade telecomunicações bidirecional necessáriapara suportar essas soluções. Ademais, estãoprevistos também o desenho e a execução detestes da aplicação de tarifas diferenciadas emum conjunto selecionado de consumidores.A região de Sete Lagoas foi escolhida paraabrigar a PoC por ser representativa no universode consumidores da Cemig-D, uma vez que nasáreas selecionadas há tanto consumidoresresidenciais urbanos quanto rurais, comerciais eindustriais. Essa região é composta de vinte equatro alimentadores, distribuídos em trêssubestações que atendem a treze municípios.A solução AMI será composta por ferramentascomputacionais (software) e equipamentoscomerciais e/ou protótipos em desenvolvimento,conforme indicado na Figura 1. Essa solução éresponsável pela medição do consumo deenergia, em tempo real ou em intervalosregulares, conforme solicitação do Centro deMedição ou diretamente do consumidor. Asinformações são enviadas para o centro degerenciamento de medições (Meter DataManagement – MDM), que armazena e processaos dados de medição, fornecendo informaçõesconsolidadas para os sistemas de operação daconcessionária e para os clientes. As medidassão coletadas por medidores inteligentes, quepossuem funcionalidades como coleta de dados



sobre a qualidade da energia, notificação defalhas e instabilidades, violações no medidor,corte e religamento remotos e balanceamentoenergético. Para garantir um melhoraproveitamento das informações providas pelomedidor e auxiliar no combate a fraudes e naoperação do sistema, será utilizada uma

ferramenta de georreferenciamento queapresenta informações consolidadas dasmedições e alarmes provenientes do Centro deMedição, permitindo análises espaciais paraauxiliar na formulação de ações preventivas esoluções para os problemas apontados.

Figura 1 Solução AMI para a PoC Cemig-D

Figura 2 Áreas de implantação da solução AMI para a PoC Cemig-D



A Figura 2 apresenta as áreas de interesse paraimplantação da PoC de AMI (ROMANO et al.,2011) na região de Sete Lagoas (MG):

a) Sete Lagoas (zonas urbana e rural)b) Prudente de Moraisc) Jequitibád) Baldime) Funilândiaf) Santana do Pirapamag) Santana do Riacho

Até o momento, a Cemig-D está instalando oprimeiro lote de medidores em Sete Lagoas(zona urbana), conforme mostra Figura 3.

4.1.1 Primeira implantação de AMI

A primeira implantação da PoC de AMI noProjeto Cemig-D apresenta as seguintescaracterísticas:

a) cidade de Sete Lagoas – no entorno daUniverCemig;

b) alimentador 06 da Subestação Sete Lagoas1;

c) tecnologias escolhidas: • RF Mesh para a NAN (Neighborhood

Area Network) na faixa de 900 MHz(Figura 4);

• ZigBee para a HAN (Home AreaNetwork) na faixa de 2,4 GHz.

d) possibilidade de aplicação de TOU (Timeof Use) na baixa tensão (BT);

e) dados integrados ao Centro de Medição;f) necessidade de roteadores para transmitir

os dados de medição até a UniverCemig eum concentrador de dados;

g) software de gestão para integração com osistema do Centro de Medição – MECE®da Senergy;

h) a instalação está sendo realizada peloserviço de campo da Cemig-D, querecebeu treinamento e acompanhamento.

O processo de aquisição do primeiro lote AMIteve três licitantes e o pregão foi vencido pelofornecedor Landis+Gyr.Este lote inicial teve:

a) 3.800 medidores de energia para BT –Todos os medidores do primeiro lotedevem dispor de placa ZigBee (comprotocolo Smart Energy Profile) com o IHD(In-Home Display);

b) 140 conjuntos de transformadores;c) módulos de comunicação

correspondentes;d) 05 roteadores;e) 01 concentrador de dados.

Figura 3 Área de cobertura da solução RF Mesh na Po C de AMI em Sete Lagoas (MG)



Figura 4 Configuração da solução RF Mesh em Sete La goas (MG)

4.2 Eletrobras

4.2.1 Descrição

O Projeto Eletrobras, que está sendodesenvolvido na cidade de Parintins (AM),planejou substituir todos os medidores deenergia elétrica dos consumidores do grupo B,de modo a oferecer tarifas diferenciadas ao longodo dia, estimulando o consumo fora dos horáriosde pico de demanda.Todos os medidores serão digitais, o quepossibilita maior confiabilidade do serviço deenergia elétrica. A cidade, com cerca de 15.000 medidores, foiinicialmente dividida em quatro grandes áreaspara receber diferentes tecnologias, permitindoassim que o projeto possa avaliar quais dessastecnologias seriam promissoras para adisseminação do sistema nas concessionárias dogrupo Eletrobras.Uma solução AMI pode utilizar diferentestecnologias de comunicação de dados. Atecnologia a ser empregada dependerá dasdistâncias entre os medidores e o ponto deconcentração de dados, do relevo do local, daquantidade de grandezas a serem medidas etambém do desempenho do sistema.

4.2.2 Áreas e quantitativo

Através de um estudo desenvolvido neste projeto(OLIVEIRA et al., 2012), foi possível construir um

mapa que representasse quais áreas serãoatendidas e por qual tecnologia (Figura 5).

4.2.3 Adequações realizadas

Projetos grandes de AMI possuem algunsdesafios, como, por exemplo, a integração entresistemas, opção por protocolos, escala deprodução dos medidores e riscos de segurançada informação, entre outros. Durante o desenvolvimento deste projeto deP&D, foi possível notar que o uso da frequênciade 450 MHz seria inviável em virtude das taxascobradas pela ANATEL para a utilização dessafrequência. A frequência foi descartada, poistornaria o custo de manutenção do sistema demedição muito alto para a Eletrobras. A partirdisso, optou-se pelo uso da frequência de900 MHz.A frequência de 2,4 GHz é a que mais sofreinterferência na cidade de Parintins. Assimmesmo, é possível a utilização dessa opção.Entretanto, o fator decisivo para que a frequênciade 2,4 GHz também fosse descartada foi agrande quantidade de concentradores necessáriapara a perfeita cobertura dos medidores, o queinviabiliza sua utilização/manutenção.Tendo em vista os dados citados, as áreas decobertura de Parintins foram alteradas para:

a) área 1 – Meshb) área 2+3 – 900 MHz c) área 4 – Aguardando definição pelo PLC ou

tecnologia RF.



Legenda: área 1: 450 MHz / área 2: 2,4 GHz / área 3: 900 MHz /área 4: PLC Figura 5 Proposta inicial da divisão de Parintins (A M)

Além desses problemas relacionados àsfrequências a serem utilizadas, também foramencontradas algumas dificuldades durante aimplantação, entre elas:

a) caixas de instalação dos medidores comdiversos padrões e tamanhos;

b) ramais de energia sem condições de uso;c) necessidade de padronização de ramais,

caixas e instalações;d) logística de entrega de materiais

complicada;e) falta de cabos concêntricos para ramais de

energia no mercado;f) poucos fornecedores de medidores

inteligentes certificados.

4.2.4 Definição para a rede PLC

A rede PLC ainda permanece indefinida quanto àsua utilização. Como uma das premissas doteste para a rede PLC seria a multiplicação paraáreas rurais com longas linhas de média tensão,a área 4 se mostrou aquém das necessidades doprojeto. Portanto, a aplicação ou não do lote comtecnologia PLC em Parintins ficou pendente dedefinição.

4.2.5 Considerações finais sobre aimplantação do campo de testes

A implantação do campo de testes em Parintinsteve como principais benefícios: o conhecimentodas tecnologias existentes para AMI; a oferta domedidor eletrônico, que é considerado de última

geração; e o conhecimento do modo de atuaçãoda ANATEL com relação às frequênciaslicenciadas.

4.3 Celpe

A PoC de AMI no Projeto Redes Inteligentes daCelpe (ROMANO et al., 2012) está sendoimplantada na ilha de Fernando de Noronha, em831 consumidores do grupo B, conforme aFigura 6.Os medidores inteligentes serão de trêsfornecedores: ZIV, Landis+Gyr e Sagemcom. A solução oferecida por esses fornecedoresapresenta as seguintes vantagens:

• Estar suportada por um protocolo de dadosDLMS (Device Language MessageSpecification), que é aberto e possui umaaliança ativa que sustenta sua evolução.

• Estar suportada por um padrão decomunicação aberto, normalizado pela IEC(International Electrotechnical Commission),e suportado pela PRIME Alliance(PoweRline Intelligent Metering Evolution)(2013). Esta aliança está focada nodesenvolvimento de uma solução detelecomunicações aberta, pública e nãoproprietária, o que deve permitir ainteroperabilidade entre os medidores econcentradores desses fabricantes.

• Ter vários fornecedores para osequipamentos, com dois deles instalados noBrasil (ZIV e Landis+Gyr), um terceiro queatualmente está homologando o medidor no



ITE (Instituto Tecnológico de la Energia –Espanha), a GE (General Electric), e umquarto, a Elster, também instalada no Brasil,que está homologando seu medidor naPRIME Alliance.

Entretanto, a solução tem alguns pontos quedevem ser avaliados por este projeto, a saber:

• Como os medidores não estãohomologados, o sistema de medição atualterá que ser mantido, com a nova mediçãoinstalada em série com a atual, sendonecessário que a medição para tarifação emFernando de Noronha seja totalmentemanual.

• Também a falta de homologação dosmedidores impedirá os testes defaturamento real com base na tarifa branca.De um modo geral, não existe nenhummedidor homologado para a tarifa branca,pois não existe regulamento técnico-metrológico do Inmetro para essamodalidade de tarifa. A RN 502/2012(ANEEL, 2012) estabelece um prazo de 18meses para essa adequação.

• Os medidores não possuem solução dedisplay direto para informação doconsumidor.

• O desconhecimento da existência de ruídointerferente para o PLC nas linhas de baixatensão representa um risco para ainstalação de medição eletrônica em todosos consumidores de Fernando de Noronha.

4.4 Eletropaulo

4.4.1 Objetivo

O objetivo do projeto de AMI da Eletropaulo eraimplementar soluções de medição remotaintegradas a outras soluções de automação,autorrecuperação, detecção de falhas e controlede carga; sendo que o sistema era suportado poruma infraestrutura de comunicação baseada emtecnologias avançadas.A região escolhida foi o Bairro Ipiranga, atendidopela Subestação Comandante Taylor, em SãoPaulo (SP). Essa região contém prédiosresidenciais típicos, que se mesclam comprédios comerciais, residências antigas ealgumas pequenas indústrias, o que contribuipara a diversificação dos problemas que foramencontrados.

4.4.2 Piloto para PoC

O circuito escolhido pela Eletropaulo foi oCTA-102, por conta dos clientes e dascaracterísticas elétricas demonstradas abaixo:

• Alimentador: 13,8 kV

• Circuitos secundários: 39• Extensão: 4,38 km• Câmara subterrânea: 1• Tipo: aéreo e subterrâneo • Clientes de baixa tensão: 1.820 • Clientes de média tensão: 6

A arquitetura do Projeto Eletropaulo estámostrada na Figura 7.O sistema é composto por uma infraestrutura detelecomunicações em Mesh para a rede demedição, corte/religa e balanço energético. Elese comunica com o Backhaul, que, por sua vez,envia os dados via GPRS (fornecedor: Elster) ouMesh (fornecedor: GE) para os prédios daEletropaulo, e então, via rede IP (InternetProtocol), esses dados são inseridos na redecorporativa da empresa, se integrando com ossistemas já existentes, como: SCADA, ATENDEe SGE.

4.5 Light

Na busca de resultados sustentáveis, está emimplantação na Light o Projeto NovasTecnologias, cujo escopo é o seguinte:

a) implantação de balanço energético;

b) instalação de medidores eletrônicos;

c) ampliação do Centro de Controle daMedição;

d) blindagem da rede.Os benefícios esperados pela Light podem serresumidos nos seguintes itens:

a) redução das perdas;

b) implantação dos serviços remotos;

c) aumento da satisfação dos clientes.O Centro de Controle da Medição (CCM)monitora em tempo real os consumidores atravésda telemedição. O principal objetivo do CCM égerir o Sistema de Telemedição, operandoremotamente os equipamentos de medição, deforma a garantir o controle e a efetividade dasações de campo no combate às perdascomerciais.Na Light, planeja-se a utilização de dois sistemasde medição:

a) o Sistema de Medição Individual (SMI) deveser utilizado nas áreas do tipo 1 –Condomínios horizontais de classe alta – edo tipo 2 – Renda média bem urbanizada;

b) o Sistema de Medição Centralizada (SMC)deve ser utilizado em três áreas:– tipo 3: renda baixa urbanizada;– tipo 4: renda baixa de urbanização

precária;– tipo 5: conjuntos habitacionais.



Consumidores com

Medidor com PLC-NB

MDM (Recife)

Rede VSAT

Figura 6 Configuração da arquitetura da AMI em Fer nando de Noronha

Figura 7 Configuração da arquitetura do Projeto Elet ropaulo

Conclusão

É esperado que o ritmo das experimentaçõespráticas em AMI, com o uso de verbasprovenientes de programas de P&D subsidiadose associados com investimento pelas empresas,seja incrementado, de forma a gerar e/ouaumentar o universo de informações e o nível de

conhecimento sobre o assunto para subsidiartanto as decisões técnicas quanto a necessáriaregulamentação para o setor.Finalmente, ficam algumas questões quedesafiam o futuro da AMI:

• Quais tecnologias estão prontas parareceber investimento agora, e quais devemser postergadas?



• Que métodos são necessários paraencorajar projetos comerciais de grandeporte?

• Qual é o esquema regulatório correto pararecuperação de investimentos (curto e longoprazo)?

• Como os consumidores vão aceitar einteragir com essas aplicações?

• Que tarifas e oferta de serviços sãonecessárias para máxima participação dosconsumidores?

• Como as normas vão conduzir àsinovações, mantendo segurança econfiabilidade?

É fundamental considerar sempre que ainteroperabilidade e a normatização (padrõesaceitos) serão vitais para a completa integraçãoda AMI aos outros sistemas corporativos dasconcessionárias.

Agradecimentos

Os trabalhos com as empresas Cemig-D,Eletrobras, Celpe, Eletropaulo e Light foramexecutados com recursos de P&D ANEEL.

Referências

AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA(ANEEL). Resolução Normativa n. 502 (RN502), Brasília, DF, 07 ago. 2012. 3p.

OLIVEIRA, C. H. R. et al. Projeto Piloto SmartGrid de Parintins. PD.33.11.23A.0005A/RT-16-AA. Campinas: CPqD, nov. 2012. (Relatóriotécnico).

PRIME ALLIANCE. 2013. Disponível em<http://www.prime-alliance.org/>. Acesso em:abr. 2013.

ROMANO, R. B. et al. Proposição dos Cenáriosdas Provas de Conceito - PoC e AnáliseRegulatória para PoC . PD.33.10.63A.0044A/RT-05-AB. Campinas: CPqD, ago. 2011. (Relatóriotécnico).

ROMANO, R. B. et al. Elaboração de umaArquitetura Preliminar de InfraestruturaAvançada de Medição .PD.33.11.23A.0008A/RT-03-AB. Campinas:CPqD, maio 2012. (Relatório técnico).

Abstract

This article summarizes the basic concept, benefits, technical analysis of the main features andexpectations of ANEEL on AMI - Advanced Metering Infrastructure - for the Smart Grid. Additionally, ispresented an overview of the AMI's being tested, with the participation of the CPqD, in the main electricitydistribution companies in Brazil: Cemig-D, Eletrobras, Celpe, Eletropaulo and Light.

Key words: AMI. Smart Metering. AMI Proof of Concept.


Técnicas para a determinação do diagrama de irradiação de antenas de microfita esféricas

circularmente polarizadasDaniel Basso Ferreira*

Neste trabalho, apresentam-se duas técnicas numericamente eficientes para a determinação dodiagrama de irradiação de antenas de microfita esféricas circularmente polarizadas. A primeira delas é omodelo de fenda, já bastante utilizado na análise de antenas de microfita planas e cilíndricaseletricamente finas; a outra técnica é o método da corrente elétrica superficial, que emprega as funçõesde Green no domínio espectral. Ambas as técnicas são associadas ao modelo da cavidade ressonantecom o objetivo de garantir sua eficiência computacional. Faz-se uso do Teorema da Reciprocidade paraderivar os campos do modelo de fenda e utiliza-se um modelo circuital de onda completa para avaliar asfunções de Green espectrais. Além disso, é introduzido um novo procedimento, que dispensa análisegráfica, para automatizar o cálculo e a ordenação das raízes da equação transcendental que define osmodos de ressonância que podem se estabelecer na cavidade equivalente. As antenas estudadas aolongo do artigo são simuladas no software CST como forma de validar os resultados obtidos com as duastécnicas de análise ora descritas.

Palavras-chave: Antenas de microfita esféricas. Polarização circular. Modelo de fenda. Método dacorrente elétrica superficial. Modelo da cavidade.

Introdução

O conceito de irradiadores de microfita foi primeiramente apresentado por Deschamps em 1953, durante o 3° Simpósio sobre Antenas patrocinado pela Força Aérea Americana (DESCHAMPS; SICHAK, 1953). Na ocasião, Deschamps propôs o uso de linhas de microfita, em vez de guias de onda – tradicionais à época –, para compor o circuito de alimentação de algumas redes de antenas, e destacou as suas principais vantagens. Entre elas, estavam o menor volume ocupado, o peso reduzido, o menor custo de fabricação e a possibilidade de as linhas de microfita assumirem várias formas e poderem ser empilhadas. Contudo, os elementos impressos da rede empregada por Deschamps não eram antenas de microfita, mas sim cornetas planas alargadas.Apesar do trabalho apresentado por Deschamps, o desenvolvimento efetivo das antenas de microfita só ocorreu cerca de 20 anos mais tarde, na década de 70, quando houve uma evolução dos modelos teóricos para a análise dessas antenas e também se tornaram disponíveis laminados para frequências de micro-ondas com baixas tangentes de perdas e com características mecânicas e térmicas atrativas (GARG et al., 2001). A primeira antena de microfita com a topologia que é hoje amplamente difundida foi introduzida por Munson em 1972, num trabalho apresentado no 22° Simpósio sobre Antenas, também patrocinado pela Força Aérea Americana. Esse trabalho foi seguido de um

artigo publicado em 1974 (MUNSON, 1974) na revista IEEE Transactions on Antennas and Propagation, sendo referência na área de irradiadores impressos e tratando de antenas de microfita com patch wraparound e com patch retangular, dedicadas, por exemplo, a aplicações em mísseis (VOLAKIS, 2007).A geometria mais simples de uma antena de microfita é composta por um patch metálico, em geral, com forma retangular, localizado sobre um substrato dielétrico que possui um plano de terra na sua face inferior, conforme ilustrado na Figura 1.

Plano de terra

Patch

Figura 1 Antena de microfita plana com patch retangular

Atualmente, existem antenas de microfita com estruturas de maior complexidade, porém mais versáteis, o que possibilita, por exemplo, sua utilização no campo aeroespacial, mais especificamente, como antenas para navegação de aeronaves, antenas de satélites, antenas de veículos espaciais, etc. Ademais, as antenas de microfita podem ser encontradas em telefones celulares, em radares de abertura sintética (SAR) aplicados em sensoriamento remoto, em


Cad. CPqD Tecnologia , Campinas, v. 9, n.1, p. 47-64, jan./jun. 2013

Técnicas para a determinação do diagrama de irradia ção de antenas de microfita esféricas circularmente polarizadas

receptores de navegação por satélite e até mesmo em irradiadores de aplicação biomédica. Esse amplo uso da antena de microfita se deve, entre outras razões, ao seu baixo peso, seu volume reduzido, sua compatibilidade com circuitos integrados em micro-ondas e também à sua conformabilidade às superfícies curvas, fato este que acaba lhe conferindo um baixo perfil aerodinâmico (GARG et al., 2001).Embora em muitas aplicações o uso de apenas uma única antena de microfita garanta o ganho e o diagrama de irradiação desejados, frequentemente, para se conseguir maiores ganhos e diagramas de irradiação com características particulares, é necessário o projeto de redes de antenas de microfita. Porém, uma característica das redes de antenas de microfita montadas sobre superfícies planas ou cilíndricas é o fato de apresentarem apontamento de feixe limitado. Já as redes de antenas de microfita conformadas sobre superfícies esféricas permitem apontar um ou mais feixes em direções arbitrárias, e por isso são candidatas a aplicações em serviços de comando para satélites de comunicações de órbitas baixas e médias, em telemetria e em rastreamento (SIPUS et al., 2006).Desse modo, vê-se que o desenvolvimento de técnicas para análise e síntese de antenas e de redes de antenas de microfita montadas sobre superfícies esféricas, que sejam numericamente eficientes, é bastante relevante, dado o seu potencial de uso. Além disso, caso esses irradiadores sejam utilizados nos enlaces com satélites de comunicações móveis, é interessante que eles sejam circularmente polarizados, de forma a evitar rastreio de polarização e a rotação Faraday (BASARI et al., 2010).Assim, a proposta deste trabalho é apresentar duas técnicas computacionalmente eficientes para a determinação do diagrama de irradiação de antenas de microfita esféricas circularmente polarizadas. Em particular, serão analisadas antenas alimentadas por duas e por quatro pontas de prova coaxiais com rotação e alimentação sequenciais.Na literatura, já existem alguns trabalhos dedicados à análise desses irradiadores. Por exemplo, no trabalho de SIPUS e autores (2006), utiliza-se o método dos momentos (MoM) para efetuar a análise de antenas e redes de antenas de microfita esféricas linearmente polarizadas. Embora a solução fornecida pelo MoM seja acurada, ela demanda elevado esforço computacional. Por isso, neste artigo, em vez de se usar o MoM, propõe-se empregar tanto o modelo de fenda (DERNERYD, 1978) quanto o método da corrente elétrica superficial (TAM; LUK, 1991), associados ao modelo da cavidade ressonante (LIMA; DESCARDECI; GIAROLA, 1991; LO; SOLOMON; RICHARDS, 1979), para

realizar a análise das antenas de microfita esféricas, dada a eficiência numérica que exibem e o fato de que também conseguem estimar, com relativo grau de acurácia, a irradiação traseira dessas antenas. Isso acontece porque as estruturas que compõem esses irradiadores não são truncadas, diferentemente do que ocorre nas antenas de microfita planas ou cilíndricas, cuja estrutura de terra, por exemplo, é truncada.No desenvolvimento do modelo de fenda, o Teorema da Reciprocidade (HARRINGTON, 1961) será utilizado para derivar, de maneira direta, os coeficientes presentes na expressão que descreve o campo eletromagnético irradiado pela antena. E no método da corrente elétrica superficial, propõe-se o uso de um modelo circuital de onda completa (GIANG, 2005) para a determinação da função diádica de Green espectral da estrutura multicamada que modela as antenas sob análise. Esse modelo circuital de onda completa também pode ser aplicado ao cálculo das funções de Green espectrais de outras topologias de antenas de microfita esféricas, como, por exemplo, aquelas que possuem uma camada dielétrica para a proteção do patch, ou seja, ele sistematiza o cálculo dessas funções. Como essas técnicas de análise serão associadas ao modelo da cavidade, neste artigo será introduzido um procedimento, que dispensa análise gráfica, para calcular e ordenar as raízes da equação transcendental que define os modos de ressonância que podem se estabelecer no interior da cavidade equivalente.Para verificar os resultados determinados com os métodos de análise propostos, as antenas estudadas no artigo também são simuladas no software comercial de análise de onda completa CST® (CST, 2012). Na Seção 2, apresentam-se os resultados dessas comparações.

1 Teoria

Nesta seção, serão descritas, em detalhes, as duas técnicas, propostas neste artigo, para a avaliação do campo elétrico distante irradiado por uma antena de microfita esférica. Primeiramente, deriva-se a expressão para o cálculo do campo elétrico distante, através do modelo de fenda e, em seguida, por meio do método da corrente elétrica superficial. Cabe destacar que a principal vantagem do modelo de fenda reside no fato de ele demandar baixo esforço computacional, conforme será constatado na seção de resultados. Já o método da corrente elétrica superficial é adequado quando se busca maior acurácia nos resultados obtidos.

1.1 Campo elétrico distante irradiado

Conforme exposto anteriormente, existem algumas formas para se avaliar o campo elétrico distante irradiado por uma antena de microfita

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Técnicas para a determinação do diagrama de irradia ção de antenas de microfita esféricas circularmentepolarizadas

esférica. Entre elas estão o modelo de fenda e o método da corrente elétrica superficial. Essas duas técnicas têm a vantagem de serem numericamente eficientes, frente aos métodos de análise de onda completa, e.g., o método dos momentos – MoM (GIANG, 2005), ao mesmo tempo em que proveem dados com relativo grau de acurácia, principalmente quando se analisam irradiadores eletricamente finos.A seguir, apresenta-se o formalismo proposto neste trabalho para determinar expressões em forma fechada, destinadas ao cálculo do campo elétrico distante irradiado por uma antena de microfita esférica, primeiro utilizando-se o modelo de fenda e, na sequência, empregando-se o método da corrente elétrica superficial. Vale ressaltar que, no desenvolvimento subsequente, foram selecionadas antenas de microfita esféricas com patch circular; todavia, o formalismo teórico descrito também é válido para outras formas geométricas regulares de patch, a exemplo das formas anular, retangular e triangular.Na Figura 2, visualiza-se a geometria geral de uma antena de microfita esférica. Essa antena é composta por uma esfera de terra (condutor elétrico perfeito) de raio a, recoberta por um substrato dielétrico de espessura h, permissividade elétrica complexa ε e permeabilidade magnética complexa µ. Na face externa desse substrato há um patch metálico que pode ser alimentado, por exemplo, por ponta de prova coaxial ou linha de transmissão de microfita – também impressa na face externa do substrato.

Figura 2 Geometria geral de uma antena de microfita esférica

1.1.1 Modelo de fenda

Do ponto de vista da irradiação, uma antena de microfita eletricamente fina pode ser tratada como um arranjo de fendas eletromagnéticas estreitas localizadas ao longo das bordas do patch da antena (DERNERYD, 1978; HAMMER et al., 1979). A validação desse modelo de fenda foi apresentada por Derneryd (1978), que

descreveu um experimento no qual uma tela de cristal líquido era colocada próxima ao patch retangular de uma antena de microfita plana, que operava no modo fundamental. Na tela, foram identificadas duas regiões semelhantes de campo intenso, localizadas ao longo dos lados não ressonantes do patch, as quais tinham uma largura próxima à espessura do substrato. Assim, o campo elétrico distante irradiado pela antena de microfita plana, com patch retangular e que operava no modo fundamental, pôde ser estimado a partir do campo irradiado por uma rede linear de duas fendas eletromagnéticas uniformemente iluminadas e separadas por uma distância igual ao lado que controlava a ressonância do patch. Para essa geometria de antena, o diagrama de irradiação estimado através desta técnica não prevê a irradiação na região traseira da antena, ou seja, parâmetros como a relação frente-costas não podem ser avaliados.Estendendo o modelo de fenda aplicado às antenas de microfita planas para as antenas de microfita esféricas, tem-se que, em termos de irradiação, estas também podem ser modeladas por meio de um arranjo de fendas eletromagnéticas estreitas localizadas ao longo das bordas do patch e posicionadas na superfície de uma esfera metálica perfeitamente condutora. É interessante notar que, no caso da geometria esférica, como não há truncamento do plano de terra e do substrato dielétrico da antena, o modelo de fenda permite estimar sua irradiação em todo o espaço, possibilitando, dessa forma, avaliar a relação frente-costas da antena, por exemplo.Cabe ressaltar que as larguras dessas fendas coincidem com as extensões dos campos de franja da antena. Além disso, suas distribuições de campo elétrico equivalem à projeção dos campos de franja na direção tangente à esfera condutora.Sendo assim, para determinar o campo elétrico distante irradiado por uma antena de microfita esférica, valendo-se do modelo de fenda, primeiro é necessário calcular o campo elétrico distante irradiado por uma fenda eletromagnética estreita posicionada na superfície de uma esfera perfeitamente condutora de raio b. Para tanto, lança-se mão da teoria de potenciais auxiliares (BALANIS, 1989), pois pode-se mostrar que uma onda eletromagnética que se propaga num meio linear, homogêneo e isotrópico, denominado meio simples, e livre de fontes (de origem elétrica e magnética) pode ter seus campos decompostos em parcelas do tipo TE e do tipo TM. Os vetores potenciais auxiliares Ae e Am

(símbolos em negrito indicam grandezas vetoriais), para um meio simples de características eletromagnéticas ε e µ, que originam os campos dessas parcelas, são dados por:

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z

a

x

y

Patch

h

Substrato dielétrico

Esfera de terrab


(1)

| |

(2) | |

H ( )

H ( ) P (cos ) ,

me n n

m n m

m m jmn n n

A kr

B kr e

∞ ∞

=−∞ =

φ

=

+ θ

∑ ∑A

r

(1)

(1)

| |

(2) | |

H ( )

H ( ) P (cos ) ,

mm n n

m n m

m m jmn n n

C kr

D kr e

∞ ∞

=−∞ =

φ

=

+ θ

∑ ∑A

r

(2)

onde Ĥn(1)(.) e Ĥn

(2)(.) representam as funções esféricas de Hankel do tipo Schelkunoff de ordem n, de 1ª e 2ª espécies, respectivamente. Pn

|m|(.) indica a função associada de Legendre de 1ª espécie, de grau n e ordem |m|, k = ω µ ε1/2

, os coeficientes An

m, Bnm, Cn

m e Dnm são dependentes

do contorno do problema, r > 0 e consideram-se variações harmônicas da forma e

j ω

t

.Como observado, os vetores Ae e Am são dependentes da função associada de Legendre de 1ª espécie e das funções esféricas de Hankel do tipo Schelkunoff. Por isso, é imprescindível ter boas rotinas numéricas para avaliar essas funções, de

modo a não comprometer a acurácia dos resultados e a não restringir o conjunto de antenas passíveis de serem analisadas. Neste trabalho, utilizou-se o pacote Mathematica® (Mathematica 8, 2012) para conduzir esses cálculos, uma vez que ele possibilita calcular essas funções para graus e ordens elevados.Tendo em vista os potenciais (1) e (2), expressa-se, em forma fechada, o campo eletromagnético que se estabelece no meio simples e sem fontes em questão (equações presentes na parte inferior desta página) (BALANIS, 1989). Uma vez conhecidas as expressões que descrevem esse campo, passa-se à determinação do campo eletromagnético distante irradiado por uma fenda localizada na superfície de uma esfera perfeitamente condutora de raio b.Para que as componentes de campo (3)-(8) estejam univocamente determinadas, é necessário avaliar os coeficientes An

m, Bnm, Cn

m e Dn

m , que são funções do contorno do problema.

Neste artigo, com o objetivo de realizar estes cálculos de forma direta, será empregado o Teorema da Reciprocidade, proposto por Lorentz (CARSON, 1929). De acordo com esse Teorema,

(1) (1) (2) (2) | |

| |

ˆ ˆ ˆ ˆH ( ) H ( ) H ( ) H ( ) P (cos )m m m jmr n n n n n n n

m n m

E j A kr kr B kr kr e∞ ∞

φ

=−∞ =

′′ ′′= − ω + + + θ ∑ ∑ (3)

(1) (2) | |

| |

| |(1) (2)

1 1 ˆ ˆH ( ) H ( ) (cos )

P (cos )ˆ ˆ H ( ) H ( )sen

m m mn n n n n

m n m

mm m jmnn n n n

dE A kr B kr P

r dj

mC kr D kr e

j

∞ ∞

θ=−∞ =

φ

′ ′= + θ θµε

θ + + ε θ

∑ ∑(4)

| |(1) (2)

| |

(1) (2) | |

P (cos )1 ˆ ˆH ( ) H ( )sen

1 ˆ ˆ H ( ) H ( ) (cos )

mm m nn n n n

m n m

m m m jmn n n n n

mE A kr B kr

r

dC kr D kr P e

d

∞ ∞

φ=−∞ =

φ

θ ′ ′= + θµε

+ + θ ε θ

∑ ∑(5)

(1) (1) (2) (2) | |

| |

ˆ ˆ ˆ ˆH ( ) H ( ) H ( ) H ( ) P (cos )m m m jmr n n n n n n n

m n m

H j C kr kr D kr kr e∞ ∞

φ

=−∞ =

′′ ′′= − ω + + + θ ∑ ∑ (6)

| |(1) (2)

| |

(1) (2) | |

P (cos )1 ˆ ˆH ( ) H ( )sen

1 ˆ ˆ H ( ) H ( ) (cos )

mm m nn n n n

m n m

m m m jmn n n n n

jmH A kr B kr

r

dC kr D kr P e

dj

∞ ∞

θ=−∞ =

φ

θ = + µ θ

′ ′+ + θ θµε

∑ ∑(7)

(1) (2) | |

| |

| |(1) (2)

1 1 ˆ ˆH ( ) H ( ) (cos )

P (cos )ˆ ˆ H ( ) H ( )sen

m m mn n n n n

m n m

mm m jmnn n n n

dH A kr B kr P

r d

mC kr D kr e

∞ ∞

φ=−∞ =

φ

= − + θ µ θ

θ ′ ′+ + θµε

∑ ∑(8)



para dois campos quaisquer (E1, H1 e E2, H2) de mesma frequência, livres de fontes e que satisfazem as equações de Maxwell num dado volume V, vale a igualdade:

1 2 2 1 ,V V

dS dS∂ ∂

× ⋅ = × ⋅∫ ∫E H n E H n (9)

onde ∂V representa a superfície do volume V e n é um versor normal a essa superfície, orientado para o exterior de V.Para o problema em questão, o volume V corresponde à região externa à esfera condutora (espaço livre de características eletromagnéticas µ0 e ε0) e, portanto, é limitado por superfícies esféricas de raio b (Si) e de raio ∞ (Se), tal como representado na Figura 3. Considerando que o campo E1, H1 tenha componentes transversais

dadas por (4), (5) e (7), (8), e que E2, H2 seja o campo eletromagnético de um modo TE ou TM de coeficiente unitário, que pode se estabelecer em V, a igualdade (9) se reduz a:

( )

( )

1 2 1 2

2 1 2 1 ,

Si

Si

E H E H dS

E H E H dS

φ θ θ φ

φ θ θ φ

−

= −

∫

∫(10)

onde já foi levado em conta que os campos E1,

H1 e E2, H2 satisfazem às condições de

irradiação de Sommerfeld (ELLIOTT, 2003). Dessas condições, também resulta que An

m = 0 e

Cnm

= 0 na região do espaço livre, ou seja, nesse meio, há apenas a onda que se propaga no sentido positivo de r.Como a superfície Si coincide com a superfície da esfera condutora onde está localizada a fenda eletromagnética, tem-se que em r = b valem as igualdades:

1 ,aE Eθ θ= (11)

1 ,aE Eφ φ= (12)

em que Eaθ e Eaφ são as componentes nas direções θ e φ, respectivamente, do campo elétrico presente na fenda.Adotando que E2 , H2 seja o campo eletromagnético de um modo TENM esférico de coeficiente unitário, que se estabelece em r > b (espaço livre), e efetuando as integrações de (10), o coeficiente Dn

m fica expresso por (13), apresentado

na parte inferior desta página.Agora, considerando que E2 , H2 seja o campo eletromagnético de um modo TMNM esférico de coeficiente unitário, presente em r > b (espaço livre), e realizando as integrações de (10), chega-se ao coeficiente Bn

m, descrito pela equação (14), localizada na parte inferior desta página.Desse modo, o campo elétrico irradiado por uma fenda eletromagnética posicionada na superfície de uma esfera condutora de raio b está univocamente determinado. Para calcular o campo distante, basta utilizar a seguinte aproximação assintótica:

0(2) 10H ( ) .jk rn

n rk r j e−+

→∞→ (15)

Vale destacar que o formalismo teórico anterior não particularizou a forma geométrica da fenda, nem a distribuição de campo elétrico nela presente, e por isso pode ser aplicado na análise de antenas de microfita esféricas com patches circulares, anulares, retangulares, triangulares, etc. Na Seção 2, será exemplificado o cálculo do diagrama de irradiação de antenas de microfita esféricas com patch circular, e será possível verificar a sua elevada eficiência computacional.

Figura 3 Volume para aplicação do Teorema da Reciprocidade

1.1.2 Método da corrente elétrica superficial

Outra forma numericamente eficiente de avaliar o campo elétrico distante irradiado por uma antena de microfita esférica se dá por meio do método da corrente elétrica superficial (TAM; LUK, 1991).

2 | || |0

(2)0 0 0

P (cos )(cos ) sen

ˆ sen2 S( , )H ( )

mm m jmnn a n a

n

b dD jm E P E e d d

dn m k b

π π− φ

θ φ

φ= θ=

ε θ= + θ θ θ φ θ θπ

∫ ∫ (13)

2 | |0 0 | |

(2)0 0 0

P (cos )(cos ) sen

ˆ sen2 S( , )H ( )

mm m jmnn n a a

n

jb dB P E jm E e d d

dn m k b

π π− φ

θ φ

φ= θ=

µ ε θ= θ − θ θ φ θ θ′π

∫ ∫ (14)



Essa técnica permite contabilizar, sem aproximações, o efeito que o substrato dielétrico desempenha na estrutura, diferentemente do modelo de fenda apresentado na seção anterior. Por isso, o método da corrente elétrica superficial fornece resultados mais acurados, por exemplo, na análise de antenas de microfita esféricas eletricamente espessas, desde que haja uma boa estimativa para a densidade de corrente elétrica superficial que se estabelece sobre o patch. Além disso, como nessa antena nem o substrato dielétrico nem a esfera de terra são truncados, este método, tal como o modelo de fenda, também provê uma boa estimativa para a irradiação traseira da antena, possibilitando, por exemplo, a estimativa da sua relação frente-costas.Para o método da corrente elétrica superficial, a antena de microfita da Figura 2 é modelada com base em uma estrutura de três camadas – mais especificamente, camada da esfera de terra, camada do substrato dielétrico e camada do espaço livre. Além disso, na interface entre as camadas do substrato dielétrico e do espaço livre, há uma densidade de corrente elétrica superficial, para levar em conta a presença do patch metálico da antena.A análise dessa estrutura de três camadas será iniciada com a determinação das componentes transversais do campo eletromagnético presente na camada do substrato dielétrico. Sendo assim, adotando que a permissividade elétrica do substrato dielétrico seja εs , a sua permeabilidade magnética seja µ0 , e tendo em vista que o campo eletromagnético (3)-(8) também pode representar o campo existente nessa camada, sendo que, no presente caso, os coeficientes An

m e Cnm são não

nulos – diferentemente do campo na região do espaço livre –, pois há uma onda estacionária nessa camada, as componentes transversais em (3)-(8) são reescritas na seguinte forma compacta:

| |

( , , ) ( , ) ,jmt t

m n m

L n m r n e∞ ∞

φ

=−∞ =

= θ ⋅∑ ∑ ɶE (16)

| |

( , , ) ( , ) ,jmt t

m n m

L n m r n e∞ ∞

φ

=−∞ =

= θ ⋅∑∑ ɶH (17)

onde ks = ω µ0 εs1/2, t (r, n) e t (r, n) são expressos em (19) e (20), localizadas na parte inferior desta página, a ≤ r ≤ b, o subscrito t indica que o referido vetor possui apenas componentes transversais, segundo as direções θ e φ, e:

| || |

| || |

P (cos )P (cos )

sen .P (cos )

P (cos )sen

mm n

n

mmn

n

djm

dLd

jmd

θθ − θ θ = θ

θ θ θ

ɶ (18)

As formas compactas (16) e (17) suscitam a definição de um par de transformadas de Legendre vetorial (SIPUS et al., 2006), apresentado a seguir, que viabiliza a solução das antenas de microfita esféricas no domínio espectral – tal como é feito para as antenas de microfita planas (POZAR, 1986) e cilíndricas, nas quais se emprega a transformada de Fourier:

| |

( , , ) ( , , ) ( , ) ,jm

m n m

r L n m r n e∞ ∞

φ

=−∞ =

θ φ = θ ⋅∑ ∑ ɶX (21)

2

0 0

1( , ) ( , , )

2 S( , )

( , , )sen ,jm

r n L n mn m

r e d d

π π

φ= θ=

− φ

= θπ

⋅ θ φ θ θ φ

∫ ∫ ɶ

X

(22)

onde X (r, θ , φ) representa uma grandeza vetorial no domínio espacial, que tem somente componentes transversais segundo as direções θ e φ, (r, n) representa a grandeza correspondente no domínio espectral e:

2 ( 1)( | |)!S( , ) ,

(2 1)( | |)!

n n n mn m

n n m

+ +=+ −

(23)

que também figura em (13) e (14). Portanto, (19) e (20) denotam os campos elétrico e magnético espectrais na camada do substrato dielétrico, respectivamente. A vantagem de se trabalhar no domínio espectral reside no fato de que as funções de Green associadas à estrutura da antena são escritas em forma fechada, diferentemente das funções correspondentes no domínio espacial, que são representadas através

(1) (2)

(1) (2)

ˆ ˆH ( ) H ( )

( , )1 ˆ ˆH ( ) H ( )

m mn n s n n s

st

m mn n s n n s

s

A k r B k rjk r

r n

C k r D k rr

ω ′ ′+ =

+ ε

(19)

(1) (2)

(1) (2)

0

ˆ ˆH ( ) H ( )

( , )1 ˆ ˆH ( ) H ( )

m mn n s n n s

st

m mn n s n n s

C k r D k rjk r

r n

A k r B k rr

ω ′ ′+ =

− + µ

(20)



de integrais e/ou somatórios, dependendo da geometria em questão. Vale lembrar que as funções de Green podem ser interpretadas como as funções de transferência do problema, ou seja, o campo eletromagnético que se estabelece na estrutura se relaciona com as densidades de corrente presentes nessa mesma estrutura através das funções de Green.Para simplificar e sistematizar o cálculo das funções de Green espectrais, neste trabalho, lança-se mão de um modelo circuital de onda completa (GIANG, 2005), que permite avaliar os campos espectrais transversais nas interfaces da estrutura multicamada que modela a antena em questão. O uso do referido circuito evita, por exemplo, os erros associados à determinação das funções de Green efetuada manualmente, visto que a solução do circuito pode ser realizada com o auxílio de um computador. Além disso, o modelo circuital pode ser utilizado na análise de estruturas que tenham mais de três camadas – por exemplo, as antenas de microfita que possuem uma cobertura dielétrica para proteção do patch.Uma vez que a camada do substrato dielétrico possui duas interfaces, uma em r = a e outra em r = b, ela é representada no modelo circuital por meio de um quadripolo (duas portas), cuja matriz de transmissão (ou matriz (ABCD)) seja conhecida. Para determinar essa matriz, primeiro se avaliam (19) e (20) na interface r = b, de onde se derivam os coeficientes An

m, Bnm, Cn

m e Dnm em

função dos campos transversais em r = b. Em seguida, calculam-se as componentes de campo transversais espectrais em r = a, de forma que:

( , ) ( , ),

( , ) ( , )t t

t t

a n b nV Z

a n b nY B

= ⋅

ɶ ɶ

ɶ ɶ

(24)

onde

02

,

02

n

n

bp

j aV B

br

j a

= =

ɶ ɶ (25)

02 ,

02

sn

sn

bq

aZb

sa

η =

η

ɶ (26)

02

,

02

ns

ns

bq

aY

bs

a

− η =

− η

ɶ (27)

sendo:(2) (1) (1) (2)ˆ ˆ ˆ ˆH ( )H ( ) H ( )H ( ),n n s n s n s n sp k b k a k b k a′ ′= − (28)

(2) (1) (1) (2)ˆ ˆ ˆ ˆH ( )H ( ) H ( )H ( ),n n s n s n s n sq k a k b k a k b′ ′ ′ ′= − (29)

(2) (1) (1) (2)ˆ ˆ ˆ ˆH ( )H ( ) H ( )H ( ),n n s n s n s n sr k a k b k a k b′ ′= − (30)

(2) (1) (1) (2)ˆ ˆ ˆ ˆH ( )H ( ) H ( )H ( ),n n s n s n s n ss k b k a k b k a= − (31)

com ηs = µ0 / εs1/2 denotando a impedância intrínseca do substrato dielétrico.Assim, a matriz de transmissão do quadripolo (Figura 4(a)) que representa circuitalmente a camada do substrato dielétrico é expressa por:

( ) .V Z

ABCDY B

=

ɶ ɶ

ɶ ɶ(32)

De forma semelhante ao procedimento adotado anteriormente, escreve-se a seguir, em forma compacta, o campo eletromagnético espectral transversal no espaço livre:

(2)0

00

(2)0

0

H ( )

( , ) ,

H ( )

mn

n

t mn

n

Ek r

jk rr n

Fk r

r

ω ′ = ε

(33)

(2)0

00

(2)0

0

H ( )

( , ) ,

H ( )

mn

n

t mn

n

Fk r

jk rr n

Ek r

r

ω ′ = − µ

(34)

em que as condições de irradiação de Sommerfeld (ELLIOTT, 2003) já foram consideradas e os coeficientes En

m e Fnm estão

associados à onda que se propaga no sentido positivo de r.Como a região do espaço livre possui uma única interface, localizada em r = b, os campos elétrico e magnético transversais espectrais (33) e (34) são relacionados nessa interface, de onde decorre que:

0 0 0( , ) ( , ) ,t tb n Y b n= ⋅ɶ (35)

onde(2)

0(2)

0 00 (2)

0

(2)0 0

H ( )0

H ( ),

H ( )0

H ( )

n

n

n

n

k b

j k bY

k b

j k b

′

η = ′η

ɶ (36)

sendo η0 = µ0 / ε01/2 a impedância intrínseca do espaço livre.Então, como (35) pode ser associada à Lei de Ohm, a camada do espaço livre é modelada através de uma admitância de carga Ỹ0 (Figura4(b)) no modelo circuital para o cálculo da função diádica de Green espectral transversal.Por outro lado, tendo em vista que o campo elétrico tangente à superfície da camada da esfera de terra (condutor perfeito) deve ser nulo, i.e., Egt (a, θ , φ) = 0, vem que gt (a, n) = 0. Logo, no modelo circuital a camada da esfera de terra é



representada por meio de um curto-circuito (Figura 4(c)). E, como a condição de contorno para o campo magnético (BALANIS, 1989) em r = b exige que:

( )0( , , ) ( , , ) ,sb b× θ φ − θ φ =r H H J (37)

onde Js é a densidade de corrente elétrica superficial sustentada pelo patch, tem-se que a relação entre os campos magnéticos transversais transformados na interface r = b fica:

0 ( , ) ( , ) .t t s sb n b n φ θ− = − θ φθ φθ φθ φ (38)

Portanto, uma vez que (38) pode ser relacionada à Lei dos Nós, a densidade de corrente elétrica superficial que se estabelece sobre o patch é representada através de uma fonte de corrente ideal (Figura 4(d)) no circuito de onda completa.Então, combinando-se os elementos da Figura 4, chega-se ao modelo circuital de onda completa (Figura 5) para o cálculo da função diádica de Green espectral transversal da estrutura multicamada esférica que modela a antena da Figura 2.Resolvendo o circuito da Figura 5, determina-se o campo elétrico transversal transformado na interface r = b, em função da densidade de corrente elétrica superficial transformada, i.e.:

( ) 110 0( , ) ,s

ts

b n Y Z V− φ−

θ

= + ⋅ ⋅ −

ɶ ɶ ɶ

(39)

ou seja, a função diádica de Green procurada é dada por:

( ) 110( , )

,

G b n Y Z V

G G

G G

−−

θφ θθ

φφ φθ

= + ⋅

− = −

ɶ ɶ ɶ ɶ

(40)

em que:(2)

0 0

(2) (2)0 0

H ( ),

ˆ ˆH ( ) H ( )

n n

rs n n n n

j q k bG

p k b q k bθθ

′− η=

′ε +(41)

(2)0 0

(2) (2)0 0

H ( ),

ˆ ˆH ( ) H ( )n n

rs n n n n

j s k bG

r k b s k bφφ

η=

′ε +(42)

0,G Gθφ φθ= = (43)

sendo εrs = εs / ε0 .Cabe ressaltar que, no presente desenvolvimento, apenas as funções de Green transversais foram avaliadas, dado que a densidade de corrente elétrica superficial Js , localizada na interface r = b, possui somente componentes nas direções θ e φ. Ademais, deve-se notar que, pela forma como a transformada de Legendre vetorial foi definida, as componentes θ e φ da função diádica Green espectral estão desacopladas, diferentemente do que ocorre no estudo das estruturas planas correspondentes, nos quais se utiliza a transformada dupla de Fourier (POZAR, 1986).

A partir de (39), derivam-se os coeficientes Enm e

Fnm, que figuram em (33) e (34), em função de sθ

e sφ . Então, transformando (33) para o domínio espacial – usando (21) – e levando em conta que r → ∞, determina-se uma expressão para avaliar o campo elétrico distante irradiado pela antena de microfita esférica, mais especificamente:

0

0

| |

( , , ) ,jk r

jms

m n m

eL n m A G e

r

∞ ∞ −φ

=−∞ =

≅ θ ⋅ ⋅ ⋅∑ ∑ ɶ ɶɶE (44)

em que:

(2) 1

0

1 (2) 10

ˆ[H ( )] 0,

ˆ0 [H ( )]

nn

nn

j b k bA

j b k b

−

+ −

′ =

ɶ (45)

.ss

s

φ

θ

= −

(46)

Desse modo, conhecida a densidade de corrente elétrica superficial Js sustentada pelo patch, automaticamente o campo irradiado está determinado. Na próxima seção, essa densidade Js será estimada a partir do modelo da cavidade ressonante. Cabe ainda destacar que a formulação anterior possui caráter geral, pois a forma geométrica do patch, que está atrelada a Js , não foi particularizada.

1.2 Modelo da cavidade ressonante

Uma maneira eficiente de estimar a densidade de corrente elétrica superficial que se estabelece no patch das antenas de microfita esféricas eletricamente finas, bem como a distribuição de campo necessária à aplicação do modelo de fenda, é empregar o modelo da cavidade ressonante (LIMA; DESCARDECI; GIAROLA, 1991; LO; SOLOMON; RICHARDS, 1979), bastante utilizado na análise de antenas de microfita planas e cilíndricas.Antes de aplicar o modelo da cavidade às antenas de microfita esféricas, será feita uma breve revisão das principais características desse modelo, quando utilizado na análise de antenas de microfita planas eletricamente finas. Fazendo referência à antena de microfita da Figura 1 e supondo que ela seja eletricamente fina (h << λ (comprimento de onda no dielétrico)), tem-se que:

a) a proximidade entre o patch e o plano de terra sugere que o campo elétrico presente entre essas estruturas tem apenas a componente z e, por conseguinte, o campo magnético associado é paralelo ao plano xy;

b) o campo eletromagnético presente entre o patch e o plano de terra é independente da coordenada z para o intervalo de frequências



(a) (b)

(c) (d)Figura 4 Elementos que constituem o modelo circuita l de onda completa

Figura 5 Modelo circuital de onda completa

de interesse, pois a antena é considerada eletricamente fina;

c) o vetor densidade de corrente elétrica superficial no patch não deve ter componente normal à borda do patch em qualquer ponto da borda – isso implica uma componente de campo magnético tangente à borda desprezível.

Assim, a região entre o patch e o plano de terra pode ser tratada como uma cavidade ressonante limitada por paredes magnéticas no perímetro do patch e por paredes elétricas nas partes inferior e superior. Cabe salientar que, na construção da antena, a extensão do patch é reduzida em relação à da cavidade equivalente, visto que esta leva em conta o campo de franja da antena em função do que é afirmado na alínea (c).Estendendo as assertivas anteriores para a antena de microfita esférica com patch circular da Figura 6, e considerando que o interior da cavidade equivalente é um meio simples na ausência de fontes, as equações de Maxwell para o problema em questão são escritas como a seguir:

0,∇ ⋅ =E (47)

0,∇ ⋅ =H (48)

0 ,j∇ × = − ωµE H (49)

.sj∇ × = ωεH E (50)

Uma vez que o campo elétrico no interior da

cavidade equivalente possui apenas a componente radial e esta é invariante com r, de (49) e (50) segue que Hr = 0; portanto, os modos presentes na cavidade são do tipo TMr e a equação de onda para a componente Er fica:

2 2 2

22

2

1 1sen

sen sen

0,

r

rs r

E

a a

Ek E

∂∂ θ + ∂θ ∂θθ θ

∂× + =∂φ

(51)

que na forma compacta é escrita segundo:2 2 0,t r s rE k E∇ + = (52)

A equação (51) pode ser resolvida pelo método de separação de variáveis (BUTKOV, 1973), de onde resulta que:

( , ) [ P (cos ) Q (cos )]

[ cos( ) sen( )],n n

m mrE A B

C m D m

θ φ = θ + θ

× φ + φℓ ℓ (53)

sendo que A, B, C e D são coeficientes a determinar, dependentes das condições de contorno associadas à cavidade equivalente e da alimentação dessa mesma cavidade, Qℓn

m(.) indica a função associada de Legendre de 2ª espécie de grau ℓn e ordem m, e:

2( 1) .n n sk a+ =ℓ ℓ (54)

A partir de (54), derivam-se as frequências de ressonância fnm dos modos TMr

nm que podem se estabelecer na cavidade equivalente:



0

( 1).

2n n

nm

s

fa

+=

π µ εℓ ℓ (55)

z

y

1θ

a

x

h

Figura 6 Antena de microfita esférica com patch circular

Até este ponto do formalismo teórico não se particularizou a forma geométrica do patch da antena; por isso, a expressão (55) para o cálculo das frequências de ressonância tem caráter geral. Neste trabalho, conforme já afirmado, o foco será a análise das antenas de microfita com patch circular (Figura 6). Todavia salienta-se novamente que a abordagem empregada pode ser facilmente estendida para antenas com patch anular, retangular ou triangular, por exemplo.Para a antena com patch circular da Figura 6, supondo que o seu alimentador esteja posicionado no plano xz, (53) se reduz a:

( , ) P (cos )cos( ),mr nm n

E E mθ φ = θ φℓ

(56)

sendo Enm um coeficiente dependente da alimentação da antena, 0 ≤ θ ≤ θ1c e 0 ≤ φ < 2π, com θ1c (θ1c > θ1) denotando a dimensão da cavidade equivalente segundo a direção θ.A função associada de Legendre de 2ª espécie não figura em (56), pois é ilimitada em θ = 0°, coordenada presente no domínio da cavidade equivalente da antena com patch circular da Figura 6. Em termos numéricos, essa característica é bastante interessante, pois as rotinas para o cálculo dessa função exibem convergência lenta.Ainda de acordo com o modelo da cavidade, em θ = θ1c , há uma parede magnética, portanto, o campo magnético tangente a ela deve se anular, logo:

1P (cos ) 0,mcn

′ θ =ℓ

(57)

sendo m = 0, 1, 2, … , dada a simetria circular da cavidade em questão, e n = 1, 2, 3,...Para calcular e ordenar as raízes ℓn de (57), sem

a necessidade de traçar o gráfico de Pℓnm' (cos θ1c)

para definir os valores de partida da rotina numérica de busca de raízes, já que se trata de uma equação transcendental, adotou-se a seguinte estratégia neste artigo: primeiro, determinam-se as raízes ℓn' da equação:

11P (cos ) 0.

n

mc

+′ θ =ℓ

(58)

Para tanto, os valores de partida da rotina de busca de raízes empregada são estimados a partir da seguinte fórmula aproximada (GRADSHTEYN; RYZHIK, 2007), que é válida para ângulos θ1c próximos a 0°:

2 1

1

2

2

sen1 212 62sen

2

4 11 ,

c

nn

c

n

z

n

z

θ

′ ≅ − + −θ

−× −

ℓ

(59)

onde zn é a n-ésima raiz positiva da função de Bessel de 1ª espécie e ordem m + 1, Jm + 1 (z), que pode ser aproximada por (GRADSHTEYN; RYZHIK, 2007):

( ) ( )

( )

2

2 2

3

4( 1) 14 2 1

4 2 4 2 1

[4( 1) 1][28( 1) 31].

6 4 2 1

n

mz n m

n m

m m

n m

π + −≅ + + −π + +

+ − + −− + + π

(60)

Conhecidas as raízes ℓn' de (58), estas são utilizadas como estimativa inicial da rotina de busca de raízes empregada para resolver (57). Assim, não é necessário realizar nenhuma inspeção gráfica para o cálculo e a ordenação das raízes ℓn . Vale mencionar que o procedimento de cálculo de raízes proposto anteriormente também poderia ser utilizado no estudo de antenas de microfita esféricas embutidas com patch circular (flush-mounted spherical-circular microstrip antennas), sendo realizado através do MoM, pois, neste caso, é necessário determinar os índices dos modos TEr

e TMr presentes no interior de uma cavidade de paredes laterais metálicas, e esses modos são regidos por equações características semelhantes a (57) e (58).Outra forma de gerar os valores de partida da rotina de busca de raízes para a solução de (57) poderia ser através do emprego de polinômios de interpolação, tal como é apresentado por Ferreira e Lacava (2010). Apesar de também dispensar inspeções gráficas, essa alternativa de cálculo demanda relativo esforço para a construção dos referidos polinômios. Por isso, o seu tempo de codificação é maior.Tendo em vista o campo (56) e a Lei de Faraday



expressa por (49), chega-se a uma aproximação para a densidade de corrente elétrica superficial que se estabelece no patch da antena, mais especificamente:

.s = − ×J r H (61)

E a partir das considerações feitas para o desenvolvimento do modelo de fenda, as componentes transversais do campo elétrico Ea

presente na fenda anular são aproximadas por:

1P (cos )cos( ),Ma NM cN

E E Mθ = θ φℓ

(62)

0,aE φ = (63)

supondo que a cavidade equivalente opera no modo TMr

NM e que ele está suficientemente afastado dos demais modos de operação, ou seja, é um modo dominante.Todavia, seja para o uso de (61) seja para o de (62), necessita-se de uma expressão para quantificar a dimensão θ1c da cavidade equivalente e, por conseguinte, a extensão θ1c – θ1 do campo de franja. Neste trabalho, seguindo Kishk (1993), utilizou-se uma equação (64) derivada daquela empregada na análise de antenas de microfita planas com patch circular, a qual exibe bons resultados, conforme será constatado na próxima seção:

1 11

21 ,c

rs

hF

bθ = θ +

π θ ε(64)

em que:

1

1

1,41 1,772

(0,268 1,65).

rs

rs

bF n

h

h

b

θ = + ε +

+ ε +θ

ℓ

(65)

2 Resultados

Na Seção 1, foram apresentadas duas técnicas para o cálculo do campo elétrico distante irradiado por uma antena de microfita esférica com patch circular. Nesta seção, os resultados derivados anteriormente serão utilizados para determinar as características de irradiação de duas configurações de antenas de microfita esféricas circularmente polarizadas; na primeira delas, a antena é alimentada por duas pontas de prova e, na outra, por quatro pontas de prova excitadas sequencialmente.Para avaliar o desempenho de uma antena circularmente polarizada, lança-se mão de algumas figuras de mérito. Entre elas, estão a razão axial, o diagrama de irradiação spinado (diagrama de irradiação obtido por meio da técnica do dipolo girante) e os diagramas de irradiação circularmente polarizados. A razão axial (RA) é a figura de mérito que exprime a relação entre os semieixos maior e menor da elipse de polarização da onda irradiada pela

antena. Neste trabalho, a razão axial das antenas analisadas será calculada por meio da seguinte expressão (BALANIS, 2005):

20 0

20 0

1 | / |,

1 | / |

E E TRA

E E Tφ θ

φ θ

+ +=

+ −(66)

onde:

4 20 0 0 0

1/ 2

1 | / | 2 | / |

cos(2 ) ,

T E E E Eφ θ φ θ= + +

× ζ(67)

com ζ denotando a defasagem entre as componentes de campo E0φ e E0θ .Alternativamente, a razão axial de uma antena, num dado plano φ constante, pode ser expressa através do diagrama de irradiação traçado segundo a técnica do dipolo girante, também chamado de diagrama de irradiação spinado (HECKLER, 2003). Nesta técnica, um dipolo elétrico (antena linearmente polarizada), que opera como antena transmissora, gira com uma velocidade ωd em torno de um eixo virtual que é normal à sua estrutura e passa pelo seu centro. A antena de teste, por sua vez, gira com uma velocidade angular ω µ (ωd >> ω µ) em torno de um eixo fictício normal ao plano φ constante (onde se deseja traçar o diagrama), que passa pelo seu centro. A magnitude Ed do campo elétrico medido valendo-se desse procedimento se relaciona com as componentes de campo E0θ e E0φ através de:

2 20

2 2 1/ 20

( , ) | ( , ) | cos ( )

| ( , ) | cos ( ) ,

d d

d

E E t

E t

θ

φ

θ φ = θ φ ω

+ θ φ ω + ζ(68)

em que θ = ω µ t e t é o tempo.Por fim, o desempenho de uma antena circularmente polarizada pode ser caracterizado através dos diagramas de irradiação circularmente polarizados, visto que toda onda elipticamente polarizada pode ser decomposta em uma onda circularmente polarizada à esquerda (L) e em outra circularmente polarizada à direita (R) (BALANIS, 1989). O campo elétrico das referidas ondas circularmente polarizadas é expresso em termos das componentes de campo E0θ e E0φ , de acordo com:

0

0

1( , ) (| ( , ) |

2

| ( , ) | )( ),

L

j

E

j E e j

θ

ζφ

θ φ = θ φ

− θ φ +

E

θ φθ φθ φθ φ(69)

0

0

1( , ) (| ( , ) |

2

| ( , ) | )( ),

R

j

E

j E e j

θ

ζφ

θ φ = θ φ

+ θ φ −

E

θ φθ φθ φθ φ(70)

onde EL e ER representam o campo elétrico da onda circularmente polarizada à esquerda e à direita, respectivamente. Assim, se uma antena é projetada para irradiar uma onda circularmente polarizada à esquerda, por exemplo, o campo ER



é interpretado como a polarização cruzada desta antena.Cabe mencionar que, nos radioenlaces onde se utilizam antenas circularmente polarizadas, o descasamento de polarização causado pela razão axial tem de ser levado em consideração no dimensionamento dos radioenlaces. Geralmente, o projeto desses irradiadores é feito para se obter uma razão axial inferior a 3 dB (BASARI et al., 2010), de modo que esse descasamento não degrade o desempenho do enlace. Por isso, esse limiar será adotado na análise das antenas, na seção subsequente.

2.1 Diagramas de irradiação

A primeira antena de microfita esférica circularmente polarizada a ser analisada nesta seção é alimentada através de dois conectores SMA de 50 Ω de impedância característica (diâmetro do condutor interno = 1,27 mm; diâmetro do condutor externo = 4,25 mm; dielétrico PTFE), cujos centros estão localizados nos planos xz e yz, com x > 0 e y > 0 (Figura 6), e são excitados por correntes de mesma magnitude e defasadas de 90°, sendo que a excitação do conector no plano yz está adiantada em relação à do conector no plano xz. Assim, este é um irradiador circularmente polarizado à esquerda. Além disso, a esfera de terra dessa antena tem raio a = 120,0 mm, e o substrato dielétrico empregado possui εrs = 2,5, tangente de perdas = 0,0019 e h = 0,762 mm. Essa antena foi projetada para operar na faixa de frequências de 3400 a 3410 MHz (faixa destinada pela Anatel ao serviço limitado privado – administração pública), no modo fundamental – TMr

11 , de acordo com o procedimento de síntese proposto em Ferreira e Lacava (2011). Dessa forma, seu patch metálico exibe a dimensão θ1 = 7,46° e as pontas de prova foram posicionadas segundo θp1 = θp2 = 2,01°. O campo elétrico distante irradiado por essa antena foi avaliado tanto pelo modelo de fenda (MF) quanto pelo método da corrente elétrica superficial (MCES) e, em ambos os casos, esse cálculo foi realizado superpondo-se os campos irradiados devidos a cada uma das pontas de prova, considerando-as isoladas.Essa antena esférica também foi simulada no software CST®, com o propósito de validar os resultados determinados a partir das duas técnicas supracitadas, uma vez que o modelo de fenda é um procedimento de análise empírico e o método da corrente elétrica superficial é semiempírico, ao passo que o CST® utiliza uma técnica de análise de onda completa para resolver as estruturas. A geometria simulada no CST® está ilustrada na Figura 7. Deve-se notar que as partes esféricas foram modeladas através de poliedros convexos multifacetados, para evitar problemas durante a etapa de discretização (mesh) da antena, dado que no CST® foi adotada

uma malha de discretização tetraédrica para a resolução deste conjunto.Na Figura 8, encontra-se o gráfico da razão axial RA dessa antena, avaliada na frequência central da faixa de operação – f0 = 3405 MHz, no plano xz, para x > 0, determinada através do modelo de fenda (MF), do método da corrente elétrica superficial (MCES) e da simulação conduzida no CST®. Como observado, há uma boa concordância entre as curvas calculadas das três maneiras distintas, principalmente nas vizinhanças da direção broadside (θ = 0°), onde a antena é circularmente polarizada. Na Tabela 1, foram registradas as larguras de feixe de RA = 3 dB no plano xz, para a frequência f0 , determinadas por meio das três maneiras citadas. Como se constata nesta tabela, os valores fornecidos pelas técnicas desenvolvidas neste artigo exibem pequeno desvio em relação à previsão dada pelo CST®.

Figura 7 Antena esférica simulada no CST ®

0 30 60 90 120 150 1800

15

30

45

60

RA

(d

B)

θ (graus)

MF MCES

CST®

Figura 8 Razão axial da antena com duas provas – Plano xz – x > 0



Tabela 1 Largura de feixe de RA = 3 dB no plano xz

Técnica Largura de feixe de RA = 3 dB

Desvio relativo

MF 130° 3%

MCES 136° 8%

CST® 126° –

Nas Figuras 9 a 11 são apresentados os diagramas de irradiação spinados da antena, bem como os diagramas de irradiação das componentes de campo E0θ e E0φ , traçados no plano xz e calculados na frequência f0 . Conforme já afirmado, os diagramas spinados são uma forma alternativa para caracterizar a razão axial da antena, e isso pode ser constatado nessas figuras. Ademais, os diagramas avaliados das três formas distintas também exibem elevada correlação. Na Tabela 2, são relacionadas as larguras de feixe de -3 dB dos diagramas de irradiação das componentes de campo E0θ e E0φ , no plano xz e em f0 , determinadas através das três formas de análise tratadas nesta seção. Nota-se nessa tabela que as larguras de feixe fornecidas, tanto pelo modelo de fenda quanto pelo método da corrente elétrica superficial, são bem próximas àquelas dadas pelo CST®, validando mais uma vez o uso das técnicas de análise empírica e semiempírica para as antenas de microfita esféricas.

Tabela 2 Largura de feixe de -3 dB no plano xz

Técnica Diagrama da componente E0θθθθ

Diagrama da componente E0φφφφ

MF 97° 83°

MCES 96° 83°

CST® 97° 82°

-40

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-40

-30

-20

-10

0

Dia

gra

ma

no

rma

liza

do

(d

B)

E0θ

E0φ

Ed

Figura 9 Diagrama spinado da antena com duas provas – Plano xz – MF

-40

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-40

-30

-20

-10

0

Dia

gra

ma

no

rma

liza

do

(d

B)

E0θ

E0φ

Ed

Figura 10 Diagrama spinado da antena com duas provas – Plano xz – MCES

-40

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-40

-30

-20

-10

0

Dia

gra

ma

no

rma

liza

do

(d

B)

E0θ

E0φ

Ed

Figura 11 Diagrama spinado da antena com duas provas – Plano xz – CST®

Por fim, na Figura 12, são ilustrados os diagramas de irradiação circularmente polarizados dessa antena de microfita esférica com patch circular, determinados sob as mesmas condições que os gráficos precedentes. Desta figura, constata-se que, realmente, a antena é circularmente polarizada à esquerda (L) na direção broadside, e que o efeito das pontas de provas no campo irradiado – que não foi contabilizado nem pelo MF, nem pelo MCES, mas foi considerado pelo CST® – faz com que haja uma componente de polarização cruzada reduzida, -27 dB, nessa mesma direção. Novamente, os diagramas obtidos com o MF, o MCES e o CST® estão concordantes, confirmando a validade das técnicas estudadas.A outra antena de microfita esférica com patch circular analisada nesta seção possui as mesmas características de construção que a antena anterior. Todavia, foram acrescentados mais dois alimentadores, simétricos àqueles já presentes no irradiador. Os novos alimentadores foram excitados por correntes com a mesma amplitude



-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-30

-20

-10

0

L-MF R-MF L-MCES R-MCES

L-CST®

R-CST®

Dia

gra

ma

no

rma

liza

do

(d

B)

Figura 12 Diagramas de irradiação circularmente polarizados da antena com duas provas – Plano xz

que a dos outros dois conectores e com fase progressiva (180° e 270°). Assim, os quatro conectores são excitados com a seguinte sequência de fases: 0°, 90°, 180° e 270°. Esta técnica de alimentação foi primeiramente utilizada em antenas de microfita planas (CHIBA; SUZUKI; MYIANO, 1982) para reduzir o nível de polarização cruzada nos planos principais. Como será constatado a seguir, essa redução também se verifica nas antenas de microfita esféricas, quando estas são alimentadas por quatro pontas de prova coaxiais com rotação e alimentação sequenciais.Nas Figuras 13 a 17 são apresentados os gráficos da RA, os diagramas spinados e os diagramas circularmente polarizados dessa antena, calculados na frequência f0 e no plano xz. Observa-se que o campo circularmente polarizado à direita é bastante reduzido na direção broadside e nas suas vizinhanças, devido à disposição e às excitações dos alimentadores da antena. Na Tabela 3, registram-se as larguras de feixe de RA = 3 dB no plano xz, para a frequência f0 , e, na Tabela 4, são relacionadas as larguras de feixe de -3 dB dos diagramas de irradiação das componentes de campo E0θ e E0φ , também no plano xz e em f0 . Conforme observado, tanto nas figuras quanto nas tabelas, os dados provenientes do MF e do MCES exibem ótima correspondência com aqueles fornecidos pela simulação desse irradiador no CST®, o que reforça a validade dos procedimentos de análise desenvolvidos neste trabalho.

Tabela 3 Largura de feixe de RA = 3 dB no plano xz

Técnica Largura de feixe de RA = 3 dB

Desvio relativo

MF 132° 0%

MCES 136° 3%

CST® 132° –

0 30 60 90 120 150 1800

15

30

45

60

RA

(d

B)

θ (graus)

MF MCES

CST®

Figura 13 Razão axial da antena com quatro provas – Plano xz – x > 0

-40

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-40

-30

-20

-10

0

E0θ

E0φ

Ed

Dia

gra

ma

no

rma

liza

do

(d

B)

Figura 14 Diagrama spinado da antena com quatro provas – Plano xz – MF

-40

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-40

-30

-20

-10

0

E0θ

E0φ

Ed

Dia

gra

ma

no

rma

liza

do

(d

B)

Figura 15 Diagrama spinado da antena com quatro provas – Plano xz – MCES



-40

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-40

-30

-20

-10

0

E0θ

E0φ

Ed

Dia

gra

ma

no

rma

liza

do

(d

B)

Figura 16 Diagrama spinado da antena com quatro provas – Plano xz – CST®

-30

-20

-10

00°

30°

60°

90°

120°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

-30

-20

-10

0

L-MF R-MF L-MCES R-MCES

L-CST®

R-CST®

Dia

gra

ma

no

rma

liza

do

(d

B)

Figura 17 Diagramas de irradiação circularmente polarizados da antena com quatro provas – Plano xz

Tabela 4 Largura de feixe de -3 dB no plano xz

Técnica Diagrama da componente E0θθθθ

Diagrama da componente E0φφφφ

MF 97° 83°

MCES 96° 82°

CST® 99° 82°

Antes de encerrar esta seção, será apresentado um comparativo entre os tempos demandados pelo MF, pelo MCES e pelo CST®, para determinar o diagrama de irradiação das antenas de microfita esféricas com patch circular. Para tanto, a antena com dois conectores analisada anteriormente será tomada como referência. O computador utilizado para executar os códigos do MF e do MCES, implementados no pacote Mathematica®, possui um processador Intel®

CoreTM i7 e memória instalada de 16,0 GB. Para rodar o CST®, empregou-se uma workstation com dois processadores Intel® Xeon® (6 núcleos cada) e memória instalada de 48,0 GB.

Para avaliar um ponto do diagrama de irradiação, o código do MF gasta cerca de 30 ms (componente E0θ ou E0φ); já o código do MCES requer cerca de 550 ms (componente E0θ ou E0φ). Assim, considerando que o diagrama de irradiação – num dado plano e para uma certa frequência – seja traçado com passo de 1,0°, o MF executaria essa tarefa em torno de 10 s e o MCES, num período próximo a 3 min.Por outro lado, para analisar a antena na frequência f0 , o CST® levou 1h10min. Por isso, a eficiência computacional, tanto do MF quanto do MCES, é bem maior do que a dos métodos de análise de onda completa, ou seja, o uso dessas duas técnicas como direcionadores dos projetos é bastante relevante para a economia de tempo e de custo, sendo que este último fator se deve ao fato de os métodos dispensarem, por exemplo, máquinas com elevada capacidade de processamento e armazenamento para rodarem.

Conclusão

Neste artigo, foram apresentadas duas técnicas computacionalmente eficientes para traçar o diagrama de irradiação de antenas de microfita esféricas circularmente polarizadas. Primeiramente, estabeleceu-se o formalismo teórico para o modelo de fenda, baseado no emprego do Teorema da Reciprocidade. Esse mesmo formalismo pode ser estendido à análise de antenas de microfita esféricas embutidas (flush-mounted spherical microstrip antennas), realizada através do MoM. Neste caso, o Teorema da Reciprocidade é aplicado em duas regiões: no volume externo à antena, semelhante ao desenvolvimento feito neste trabalho, e no interior da cavidade da antena.Na sequência, descreveu-se o método da corrente elétrica superficial. Essa técnica faz emprego das funções de Green espectrais e, a partir dela, pode-se construir a solução do MoM para as antenas de microfita esféricas. Em particular, para o cálculo das funções de Green espectrais, utilizou-se um modelo circuital de onda completa, cuja estratégia de construção pode ser aplicada a outras topologias de estruturas multicamadas esféricas, evitando, dessa forma, os erros associados aos cálculos executados manualmente.Para estimar a distribuição do campo de franja do patch da antena, na direção tangente à esfera de terra, bem como a densidade de corrente elétrica superficial sustentada pelo patch, empregou-se o modelo da cavidade ressonante, dada a sua simplicidade numérica. Introduziu-se um novo procedimento – que dispensa inspeção gráfica – para o cálculo e a ordenação das raízes da equação característica transcendental que define os modos que podem se estabelecer na cavidade equivalente. Esse procedimento também é passível de ser



utilizado na análise de antenas de microfita esféricas embutidas com patch circular (flush-mounted spherical-circular microstrip antennas), para enumerar os modos TE e TM presentes na cavidade da antena.Duas configurações de antenas circularmente polarizadas foram analisadas: uma alimentada por duas pontas de prova e outra alimentada por quatro pontas de prova, excitadas sequencialmente. Conforme observado, a configuração com maior número de alimentadores exibiu menor nível de polarização cruzada na direção broadside.Os resultados fornecidos pelo MF e pelo MCES foram validados por meio da comparação de seus dados de saída com aqueles gerados em simulações conduzidas no software CST®. Como notado, há elevada correlação entre eles. Todavia, o tempo computacional demandado tanto pelo modelo de fenda quanto pelo método da corrente elétrica superficial é bem menor do que aquele requerido pelo CST® para analisar os irradiadores em questão. Além disso, os códigos implementados não necessitam ser executados em computadores com grandes capacidades de processamento e armazenamento, diferentemente dos simuladores de onda completa, como é caso do CST®. Por isso, contribuem para a redução do tempo e do custo de projeto.

Agradecimentos

O autor agradece o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do Projeto Antenas Adaptativas e Módulos de Radiofrequência para Redes Sem Fio Banda Larga Aplicadas à Segurança Pública, que contou com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações – FUNTTEL, do Ministério das Comunicações, através do Convênio nº 01.09.0634.00 com a Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP/MCTI.

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Abstract

This paper presents two numerically efficient techniques for evaluating the radiation pattern of circularly-polarized spherical microstrip antennas. The first technique consists of the aperture model – widely usedfor the analysis of electrically thin planar and cylindrical microstrip antennas –; the other is the electricsurface current method, which uses the Green's functions in the spectral domain. Both techniques areassociated with the cavity model in order to guarantee their computational efficiency. The ReciprocityTheorem is employed to derive the aperture model equations, as well as a full-wave circuital model isused to evaluate the spectral Green's functions. Besides, a new procedure – which avoids graphicalinspection – is introduced to accelerate the calculation of the roots of the transcendental characteristicequation that establishes the resonant modes in the equivalent cavity. The antennas studied along thepaper are also simulated in the CST package to validate the results obtained with the techniquesaddressed.

Key words: Spherical microstrip antennas. Circular polarization. Aperture model. Electric surface currentmethod. Cavity model.



Nesta seção, são apresentados os resumos dos pedidos de patente

depositados pelo CPqD no Instituto Nacional da Propriedade Industrial

(INPI), no segundo semestre de 2012 (de 10 a 31 de dezembro) e no

primeiro semestre de 2013 (até 31 de maio), e o resumo de uma patente

concedida pelo INPI.



1 Resumos dos pedidos de patente depositados no INPI no segundo semestre de 2012 (de 1 o a31 de dezembro).

(54) APARATO E SISTEMA DE MONITORAÇÃO DE CHAVES SECCIONADORAS.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2012 030753 7 (em cotitularidade com a Cemig Distribuição S.A.)(22) 03/12/2012(57) Aparato e sistema de monitoração de chaves seccionadoras. Refere-se a presenteinvenção a um aparato (17) e sistema (100) para monitoração remota de chavesseccionadoras (1) baseado no uso de técnicas de óptica de espaço livre, alimentaçãoremota e transmissão do sinal por fibra óptica, radiofrequência e/ou uso de câmera devídeo para controle da posição do braço (7) e da qualidade do contato elétrico (9) dechaves seccionadoras (1) em redes elétricas.(72) Altair Leoncio de Melo (Cemig) / Carlos Alexandre Meireles do Nascimento (Cemig) /Giovani Cezar Luiz de Souza (Cemig) / Maurissone Ferreira Guimarães (Cemig) / CláudioAntônio Hortêncio / Antônio Donizete Coral / João Batista Rosolem / Rivael StrobelPenze / Cláudio Floridia / Fernando Rocha Pereira / Glauco César Crystal Pereira Simões /Lívia Ribeiro Alves / Fábio Renato Bassan / Ariovaldo Antônio Leonardi.



(54) MÉTODO DE AVALIAÇÃO DE QOE (QUALITY OF EXPERIENCE) EM SERVIÇOSINTERATIVOS.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2012 031195 0(22) 07/12/2012(57) Método de avaliação de QoE (Quality of Experience) em serviços interativos quequantifica a subjetividade da avaliação de um serviço interativo antes e depois de suaimplantação no mercado. No primeiro caso, a avaliação é realizada por representantes deseu público-alvo e a QoE obtida fornece insumos para a tomada de decisão quanto àdisponibilização do serviço ao mercado tal como se encontra ou após a realização demelhorias necessárias. Após a disponibilização ao mercado, o serviço pode continuarsendo monitorado pelo método, a partir de avaliações periódicas de usuários reaisrealizadas em vários pontos do ciclo de vida do serviço, obtendo-se valores de QoE quepodem subsidiar tomadas de decisão quanto à realização de melhorias ou como indicaçãode que a operação do serviço deve ser finalizada.(72) Graziella Cardoso Bonadia.



(54) MÉTODO DE PROTEÇÃO DE SENHAS ICÔNICAS ESCOLHIDAS PELO USUÁRIO A PARTIR DEREPERTÓRIOS DINÂMICOS.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2012 032916 6(22) 21/12/2012(57) Método de proteção de senhas icônicas escolhidas pelo usuário a partir de repertóriosdinâmicos. A invenção consiste em um método de proteção de senhas icônicas queenvolve uma pluralidade de técnicas, procedimentos e medidas de segurança, cujaaplicação conjunta e ordenada leva ao aumento tanto da segurança matemática quantoda segurança sistêmica de um método de autenticação icônica, compreendendo etapasde: configuração do esquema de autenticação icônica; construção da curva depopularidade dos ícones; manutenção da qualidade da senha em novos cadastros esenhas novas de cadastros antigos; refinamento contínuo do repertório icônico;armazenamento seguro da senha icônica; e verificação segura da senha icônica.(72) Ismael Mattos Andrade Ávila / Alexandre Melo Braga / Claudia de Andrade Tambascia/ Rafael de Simone Cividanes / Ewerton Martins de Menezes.



(54) ARQUITETURA DE HARDWARE PARA ADEQUADOR DE TAXA DE CÓDIGO PARA REDESLTE AVANÇADAS 4G.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2012 032917 4 (22) 21/12/2012(57) Arquitetura de hardware para adequador de taxa de código para redes LTE avançadas4G, que compreende um primeiro grupo (500) de buffers de memória (501) dearmazenagem dos fluxos de entrada, compreendendo um buffer armazenador do fluxo debits sistemáticos (dk(0)) e dois buffers armazenadores dos fluxos de bits de paridade (dk

(1),dk(2)), seguido por um entrelaçador de sub-blocos (507), um coletor de bits entrelaçados(508) e um selecionador de bits (509); o coletor de bits entrelaçados (508) compreendetrês memórias (501), que armazenam os vetores dos fluxos (vk(0), vk(1) e vk(2)) entrelaçadospelo entrelaçador de sub-blocos (507), os quais são recebidos em paralelo e são lidossequencialmente pelo dito selecionador de bits (509), quando da geração do fluxo de saída(ek) do adequador de taxa. (72) Karlo Gusso Lenzi / José Arnaldo Bianco Filho / Felipe Augusto Pereira de Figueiredo.



(54) MÉTODO E SISTEMA PARA OTIMIZAÇÃO DE AVALIAÇÕES DE PROCESSOS DEGESTÃO.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2012 032918 2 (22) 21/12/2012(57) Método e sistema para otimização de avaliações de processos de gestão que verificao grau de aderência de processos de gestão de uma organização a requisitos de normas ede modelos da qualidade, fornecendo insumos para tomadas de decisão quanto ainvestimentos assertivos de recursos humanos e financeiros na melhoria contínua dessesprocessos. Esta invenção também proporciona escalabilidade e visibilidade de padrões deproblemas recorrentes, levando à geração de produtos e de serviços alinhados àsnecessidades e requisitos dos clientes. Inicialmente é realizada a definição dos escoposdas avaliações (1), em que são definidos os projetos existentes na organização a seremavaliados. Para cada um desses projetos, é realizado um planejamento de avaliações (2),em que podem ser programadas avaliações completas (3) ou avaliações que verificam osproblemas mais frequentes (4). A partir dessas avaliações, são identificadas as causas-raizdos problemas e a tendência do comportamento dos processos (5). É gerado um relatóriocom análises dos resultados obtidos (6) que, além de orientar a melhoria dos processosavaliados, é armazenado em um repositório de avaliações (10), subsidiando futuros ciclosde avaliações de processos da organização.(72) André Luiz de Castro Villas Boas / Maria Emília Pincke Coutinho Julião / Priscilla deBarros Basso Pagliuso / Silvia Raymundo Lopes / Patrícia Silva Ribeiro / Valquíria MalavasiFagundes / Valmir Martins / Vívian Sígolo Lona Gouveia.



(54) SISTEMA E MÉTODO DE INTEGRAÇÃO DE ANTENAS DE DIAGRAMA DE RADIAÇÃOCONFIGURÁVEL COM CABEÇA DE RÁDIO REMOTA.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2012 033323 6(22) 27/12/2012(57) Sistema e método de integração de antenas de diagrama de radiação configurávelcom cabeça de rádio remota consistindo em um sistema composto de partes integradasentre si e com os demais componentes da estação radiobase (11) através de interfacesseriais específicas (19a/19b, 23a/23b), compreendendo um bloco de controle (13), pelomenos uma antena (21a/21b) com diagrama de radiação configurável, pelo menos umacabeça de rádio remota (14a/14b) e software compreendendo aplicativos de controle daantena e de gerenciamento (12), e correspondente método, aplicáveis em sistemascelulares fixos, nomádicos ou com mobilidade. (72) Luís Cláudio Palma Pereira / Fabrício Lira Figueiredo / Fabrício Poloni dos Santos /Fernando Ribeiro / Daniel Basso Ferreira / Daniel Olinto Alves.



(54) ARQUITETURA DE HARDWARE E PROCESSO DE SEGMENTAÇÃO DE BLOCO DECÓDIGO E CÓDIGO DE BLOCO ANEXO DE CRC PARA REDES LONG TERM EVOLUTIONAVANÇADAS – 4G.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2012 033324 4 (22) 27/12/2012(57) Arquitetura de hardware e processo de segmentação de bloco de código e código debloco anexo de CRC para redes Long Term Evolution avançadas – 4G trata-se de umasolução inventiva na área de tecnologia de informação, notadamente no setor detecnologias de acesso sem fio, e mais especificamente encontrando aplicação emtecnologia avançada de redes de comunicação Long Term Evolution (LTE). A solução dequarta geração (4G) aqui apresentada, a ser preferencialmente empregada em circuitosFPGAs ou ASICs comerciais, tem como objetivo realizar a já conhecida segmentação dobloco de código, definido pelo padrão 3GPP-ETSI, sendo diferenciada de soluçõesantecipadas pelo estado da técnica por apresentar como resultado final um hardware(FPGA ou ASIC) capaz de atingir uma frequência da operação adequada ao padrão 3GPP,com uso reduzido de recursos lógicos para sua implementação, dispondo de uma lógicaque torna factível o almejado procedimento de segmentação de blocos de código, graçasà redução da complexidade computacional proporcionada aos algoritmos sugeridos pelopadrão 3GPP-ETSI. (72) Karlo Gusso Lenzi / José Arnaldo Bianco Filho / Felipe Augusto Pereira de Figueiredo.



2 Resumos dos pedidos de patente depositados no INPI no primeiro semestre de 2013 (de 1 o dejaneiro a 31 de maio) .

(54) MÉTODO PARA ESTIMAR A DISPERSÃO CROMÁTICA EM SISTEMAS DECOMUNICAÇÕES ÓPTICAS COERENTES.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 004639 6(22) 27/02/2013(57) Método para estimar a dispersão cromática em sistemas de comunicações ópticascoerentes, dispensando a utilização de sequências de treinamento, compreendendo aestimação da CD com base no detector de erros de temporização de Gardner (3, 12, 13,14, 15). A estimação da CD compreende uma varredura em pequenos passos dos valoresdesejados de CD, através de um controlador (22) sendo que, em cada passo é calculadafunção de custo (20) e determinado seu valor mínimo (21), obtendo-se o valor de CD totalestimado, correspondente ao mínimo da variância dos valores fornecidos pelo ditorecuperador de temporização de Gardner.(72) Vitor Bedotti Ribeiro / Júlio César Medeiros Diniz / Eduardo Cavalcanti Magalhães /Stênio Magalhães Ranzini.



(54) MÉTODOS, SISTEMAS E APARATOS PARA USO EM REDES DE ACESSO ÓPTICAS COMSINAIS AUTOALIMENTADOS E MULTIPLEXADOS EM COMPRIMENTO DE ONDA.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 004640 0 (22) 27/02/2013(57) Métodos, sistemas e aparatos para uso em redes de acesso ópticas com sinaisautoalimentados e multiplexados em comprimento de onda que proveem meios paragerar um conjunto de sinais autoalimentados, meios para remodular esse conjunto desinais autoalimentados, meios para transmitir esse conjunto de sinais para a rede PON emeios para detectar ambos os sinais de subida e descida. O uso dos referidos métodos,sistemas e aparatos para uso em redes de acesso ópticas com sinais autoalimentados emultiplexados em comprimento de onda oferece como vantagens a eliminação do uso docompartilhamento de uma fonte BLS no OLT, o funcionamento/operação dostransmissores refletivos independentemente da condição dos aparatos localizados naestação central, bem como o funcionamento/operação independente/individual de cadatransmissor refletivo. Adicionalmente, permite a alocação espectral de um mesmocomprimento de onda para o par de sinais subida/descida por usuário. Além disso, osaparatos propostos têm como objetivo reduzir os requisitos ópticos e elétricos parafuncionamento da técnica de autoalimentação, garantindo um desempenho ópticosatisfatório em termos de taxas e distâncias de cobertura.(72) Antônio Donizete Coral / João Batista Rosolem / Rivael Strobel Penze / FernandoRocha Pereira / Ulysses Rondina Duarte / Fernando Felipe Padela.



(54) ANTENA PARA REDES MÓVEIS INTEGRADA À LUMINÁRIA.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 007186 2 (22) 27/03/2013(57) Antena para redes móveis integrada à luminária, para aplicação em sistemas detransmissão de dados e voz, notavelmente em “Femtocells” e em DAS (DistributedAntenna Systems), com ganhos técnicos e de urbanismo, pois a dita antena passa a serum equipamento imperceptível na paisagem urbana, além de manter os requisitos deeficácia operacional comumente especificados para este tipo de sistema de telefoniamóvel, sendo que a dita antena integrada à luminária [lu] apresenta conceito construtivoformado por uma carenagem superior [1], conformada por ao menos um par de aletas[1a] e [1b] separadas entre si por elementos dielétricos [1c], e no interior da ditacarenagem superior [1] é montado um componente refletor interno [6], cuja superfícieinterna é refletiva e superfície externa apresenta uma camada de material tambémdielétrico, sendo que após essa montagem é definido um espaço livre [7] ao qual tambémpodem ser integrados sistemas de rádio.(72) Delson Meira / Fábio Tadashi Nazima / Ricardo Hiroshi Minoda.



(54) DISPOSITIVO E MÉTODO PARA REDUNDÂNCIA DE INTERFACE AÉREA DERADIOFREQUÊNCIA EM REDES DE ACESSO SEM FIO UTILIZANDO TECNOLOGIA WIMAX.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 007449 7(22) 28/03/2013(57) Dispositivo e método para redundância de interface aérea de radiofrequência emredes de acesso sem fio utilizando tecnologia WiMAX. A presente invenção provê umdispositivo para redundância de interface aérea de radiofrequência em redes de acessosem fio utilizando tecnologia WiMAX (10) que compreende: um módulo de rede (11), doismódulos WiMAX (12 e 13), duas interfaces MII (14), uma interface (15) para um sistemasatélite externo e uma interface (16) para uma rede local LAN externa. A partir dessedispositivo (10) proposto na presente invenção, é possível também implementar ummétodo para redundância de interface aérea de radiofrequência em redes de acesso semfio utilizando tecnologia WiMAX (100), que decide pela utilização do enlace alternativo viasatélite (contingenciamento) ou pela utilização do enlace preferencial WiMAX – comdesignação dos módulos 1 e 2 (redundância) – através das seguintes etapas: inicialização(110), decisão de nível bgp (120), decisão de nível 1 (130) e decisão de nível 2 (140).(72) Luís Cláudio Palma Pereira / Jorge Seki.



(54) MÉTODO E SISTEMA DE INFERÊNCIA DE UNIDADES CONSUMIDORAS NÃOINSPECIONADAS PARA DETECÇÃO DE PERDAS NÃO TÉCNICAS.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 009314 9 (em cotitularidade com a Elektro – Eletricidade e Serviços S.A.)(22) 17/04/2013(57) Método e sistema de inferência de unidades consumidoras não inspecionadas paradetecção de perdas não técnicas que emprega dois modelos estatísticos para prever aprobabilidade de fraude de energia elétrica em unidades consumidoras segundo um perfiltanto de unidades inspecionadas como de unidades não inspecionadas. O primeiro modeloé desenvolvido sobre um conjunto de unidades consumidoras inspecionadas, comresposta de inspeção conhecida como fraude ou regular, e o segundo modelo édesenvolvido a partir de uma combinação de unidades consumidoras inspecionadas, comresposta de inspeção conhecida como fraude, e de unidades consumidoras nãoinspecionadas, consideradas regulares. Esses modelos são combinados e aplicados sobreo público-alvo, que é classificado, determinando-se o percentual do público-alvo elegível aser inspecionado por essa combinação. (72) Ana Paula Azevedo Travassos / Adriana Petrielli.



(54) MÉTODO DE CODIFICAÇÃO FEC PARA SISTEMAS DE TRANSMISSÃO OTN COM ALTATAXA DE TRANSMISSÃO.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 009315 7 (22) 17/04/2013(57) Método de codificação FEC para sistemas de transmissão OTN com alta taxa detransmissão que utiliza um algoritmo Reed Solomon para inserção de redundâncias,detecção e correção de erros em sistemas de transmissão em redes ópticas, paraquaisquer valores de n, m e k, sendo a entrada uma sequência de dados que representaum polinômio com k bytes, os dados distribuídos para as entradas de m blocos, paraprocessador de paridade paralelo, o qual realiza a divisão do polinômio da entrada por umpolinômio gerador, gerando um sinal de redundância de comprimento n-k.(72) Arley Henrique Salvador.



(54) FONTE DE ALIMENTAÇÃO POR INDUÇÃO COM USO E APLICAÇÃO EM CONDUTOR DEPOTÊNCIA ENERGIZADO.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 009726 8 (22) 22/04/2013(57) Fonte de alimentação por indução com uso e aplicação em condutor de potênciaenergizado, caraterizado por constituir-se por um núcleo bipartido [2] que envolve umcondutor de potência [1], através do qual circula uma corrente elétrica. A circulação decorrente submete o núcleo [2] a um campo eletromagnético, provocando uma indução decorrente em um enrolamento [3] que se encontra inserido ao núcleo [2]. Esseenrolamento [3] é dimensionado de forma a fornecer tensão com uma potência suficientepara alimentar dispositivos eletrônicos. A fonte de indução conta com circuitos deproteção [4], retificação [5], regulação [6], controle de carga e um banco de bateriasrecarregável [7] para garantir uma alimentação com o mínimo de transiente possível aoconsumidor, mesmo em momentos que não houver circulação de corrente pelo condutorprincipal.(72) Flávio Eduardo Nallin / Valdir Cardinalli Júnior.



(54) MÉTODO PARA DEFINIÇÃO DE ARQUITETURA DE REDES DE COMUNICAÇÃO EMAPLICAÇÕES SMART GRID.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 009882 5(22) 23/04/2013(57) Método para definição de arquitetura de redes de comunicação em aplicações smartgrid mediante uma abordagem sistemática para o planejamento e implantação demodificações nos sistemas smart grid, compreendendo etapas de levantamento de cenáriode comunicação, concepção de uma arquitetura tecnológica, elaboração de um planodiretor, planejamento da engenharia de rede, implantação do sistema e aceitação doprojeto. Os critérios técnicos que servem de referência para classificação dos dados ecomo subsídio na construção de modelos de arquiteturas das redes de comunicaçãocompreendem a categoria de uso, o alcance, o tempo de transferência da informação, ointervalo de tempo entre dados, o método de divulgação dos dados, a prioridade e alatência, entre outros.(72) Nelson Mincov.



(54) ANTENA SETORIAL COM CONTROLE DA LARGURA DE FEIXE EM AZIMUTE.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 010691 7(22) 30/04/2013(57) Antena setorial com controle da largura de feixe em azimute (10), que opera na faixade micro-ondas e compreende: uma estrutura metálica traseira (12) que tem as funçõesde refletor e de sustentação; pelo menos um conjunto de elementos irradiadores (14); euma radome dielétrica (16) contendo um dispositivo posicionador (18) para transladar aradome na direção normal ao refletor (12) da antena (10), alterando a distância d entre aparte superior da dita radome (16) e o dito refletor (12), e consequentemente variandoproporcionalmente a largura de feixe em azimute. Alternativamente, é possível efetuaruma derivação que consiste em manter a radome (16) fixa e, na região entre osirradiadores (14) e a radome (16), colocar uma placa dielétrica móvel (não ilustrada nasfiguras) cuja posição em relação aos elementos irradiadores (14) possibilita o controle dalargura de feixe em azimute, de forma análoga ao mecanismo proposto neste documento.(72) Cristiano Borges de Paula / Daniel Basso Ferreira.



(54) PROCESSO DE ESTABILIZAÇÃO DE GERADORES ÓPTICOS DE MÚLTIPLASPORTADORAS ATRAVÉS DA MANUTENÇÃO DA POLARIZAÇÃO NO ANEL ÓPTICO.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 012267 0 (22) 17/05/2013(57) Processo de estabilização de geradores ópticos de múltiplas portadoras através damanutenção da polarização no anel óptico, trata-se de uma solução inventiva aplicada asistemas de comunicação óptica e, mais particularmente, ao campo de geradores demúltiplas portadoras de frequência óptica (OFCGs) na forma de um aperfeiçoamento datécnica para obtenção de operação estabilizada, cujo resultado prático converge em lógicaoperacional provida de estabilidade no tempo da geração de sinais desses geradores. Adita estabilidade é factível pela manutenção da polarização no anel de fibras (OFCG),notadamente com elevada pureza espectral e baixo ruído, mesmo quando considerada ainevitável ocorrência de variações de temperatura, estresse mecânico, envelhecimento deseus componentes dentre outras variáveis reconhecidamente presentes em “geradorescomb” que podem ser responsáveis por mudanças no estado de polarização do sinaldentro desse gerador.(72) Daniel Moutinho Pataca / Fábio Donati Simões.



(54) LINHA ARTIFICIAL PARA AVALIAÇÃO DE TRANSMISSÃO DE SINAIS DE COMUNICAÇÃODE UMA LINHA ELÉTRICA.

Dados do pedido:

(21) BR 10 2013 013057 5 (22) 27/05/2013(57) Linha artificial para avaliação de transmissão de sinais de comunicação de uma linhaelétrica representada por uma solução inventiva no setor industrial de comunicação emlonga distância, e mais especificamente na área de aferição de qualidade de um sistemafísico de transmissão de sinais de comunicação em uma rede de energia elétrica (PLC),proporcionando subsídio à adequada especificação de projeto do transceptor ou paraseleção de modelos de transceptores comerciais apropriados a um determinado tipo derede. Para tornar factível tal objetivo, dita linha artificial para PLC tem o modelo decircuito básico diferenciado por prever a condutância paralela [G], cuja implementaçãoteve como parâmetros a determinação da largura de banda de frequências, bem comoprevisão de que a linha artificial PLC pode ser energizada com tensão de 60 Hz. Talimplementação deve necessariamente ser realizada com o uso de gabinetes metálicospara o confinamento dos campos eletromagnéticos, assim como de cabos coaxiais para asconexões.(72) Célio Fonseca Barbosa.



2 Resumo da patente concedida pelo INPI no primeiro semestre de 2013 (de 1 o de janeiro a 31de maio).

(54) REFLETOR PASSIVO MODULAR PARA FORMAÇÃO DE CÉLULAS EM SISTEMAS DERADIOCOMUNICAÇÃO.

Dados da concessão:

(21) PI 9900358-9(22) 28/01/1999(45) 19/03/2013(51) H01Q 19/10 (2006.01), H01Q 15/14 (2006.01)(57) Refletor passivo modular para formação de células em sistemas derádiocomunicação. Compreende uma ou mais superfícies curvas refletoras de energiaeletromagnética, dispostas de forma contígua ou separada, cada uma dessas ditassuperfícies refletoras constituída de pelo menos um painel, cada um desses ditos painéisintegrado pela associação de uma pluralidade de módulos padronizados. Esta concepçãoconstrutiva configurável torna possível simultaneamente redirecionar os sinais de rádio eajustar o diagrama de radiação, possibilitando gerar e formatar uma determinada regiãoseletivamente iluminada pelos sinais de rádio, resultando na formação de uma célula.(72) Luís Cláudio Palma Pereira.



3 Códigos do INPI para Identificação de Dados Biblio gráficos (INID) contidos nos documentosde patentes.

(21) Número do pedido

(22) Data do depósito

(45) Data da concessão da patente

(51) Classificação internacional

(54) Título

(57) Resumo

(72) Nome do inventor


ISS

N 1

809-

1946

www.cpqd.com.br

R. Dr. Ricardo Benetton Martins, s/nParque II do Polo de Alta Tecnologia CEP 13086-902 – Campinas – SP

Vol. 9 • n. 1 • janeiro/junho 2013

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Tecnologia

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TecnologiaEdição Especial: Smart GridEdição Especial: Smart Grid

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O desafio das infraestruturas de telecomunicações para smart gridNelson Mincov

Os desafios da implementação dos projetos-piloto de smart grid no BrasilLuiz Carlos Neves, Alexandre Bagarolli

Desafios para a interação com o consumidor: um panorama sociotécnico para a mudança tecnológicaLara Schibelsky Godoy Piccolo

Soluções flexíveis de telecomunicação aplicadas ao setor elétrico Edson José Bonon, Marcos Guimarães Castello Branco, Luis Cláudio Palma Pereira

Infraestruturas avançadas de mediçãoRogério Botteon Romano, Paulo Eduardo Sípoli Faria

Técnicas para a determinação do diagrama de irradiação de antenas de microfita esféricas circularmente polarizadasDaniel Basso Ferreira


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