BR102014030937A2 - remote sensing equipment system using a switched array of directional antennas for data transfer between an operating center and remote controlled automotive devices - Google Patents

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Abstract

sistema de sensoriamento remoto de equipamentos utilizando um arranjo chaveado de antenas diretivas para transferência de dados entre um centro de operação e dispositivos de automação telecomandados. trata a presente patente de invenção um arranjo de antenas inteligentes, chaveado, para sistemas de supervisão tipo scada (supervisory control and data acquisition, traduzido para sistemas de supervisão e aquisição de dados), proporcionando uma comunicação confiável, via rádio, entre o centro de operação integrada — coi, com os dispositivos de automação telecomandados, utilizados em proteção em redes de distribuição de energia elétrica. o sistema proposto controla a direção do lóbulo principal do diagrama de radiação do arranjo variando a fase da alimentação individual das antenas, aumentando o ganho da potência transmitida, evitando assim que sejam instaladas estações repetidoras entre o coi e o dispositivo alvo. sistemas scada são tipicamente usados em concessionárias de serviços de distribuição de energia, gás, água, entre outros, que tenham a necessidade de usar telemetria para conectar equipamentos separados por grandes distâncias.remote equipment sensing system utilizing a switched array of directive antennas for data transfer between an operating center and remotely controlled automation devices. This patent describes a switched, smart antenna array for supervisory control and data acquisition systems, providing reliable radio communication between the integrated operation - coi, with remote controlled automation devices, used for protection in power distribution networks. The proposed system controls the direction of the main lobe of the array radiation diagram by varying the phase of the individual antenna feeds, increasing the gain of transmitted power, thus preventing repeater stations from being installed between the coi and the target device. Scada systems are typically used in utilities that distribute power, gas, water, and others that need to use telemetry to connect equipment over long distances.

Description

SISTEMA DE SENSORIAMENTO REMOTO DE EQUIPAMENTOS UTILIZANDO UM ARRANJO CHAVEADO DE ANTENAS DIRETIVAS PARA TRANSFERÊNCIA DE DADOS ENTRE UM CENTRO DE OPERAÇÃO E DISPOSITIVOS DE AUTOMAÇÃOREMOTE EQUIPMENT SENSING SYSTEM USING A KEY ARRANGEMENT OF DATA TRANSFER DIRECTIONS BETWEEN AN OPERATING CENTER AND AUTOMATION DEVICES

TELECOMANDADOS CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF INVENTION FIELD

[001] A presente invenção descreve um sistema de sensoriamento remoto de equipamentos utilizando um arranjo chaveado de antenas para transferência de dados entre um centro de operação e dispositivos de automação telecomandados. Mais especificamente compreende um arranjo de antenas inteligentes, chaveado, para sistemas de supervisão tipo SCADA (Supervisor/ Control And Data Acquisition, traduzido para Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados), proporcionando uma comunicação confiável, via rádio, entre o Centro de Operação Integrada (COI), com os dispositivos de automação telecomandados, utilizados em proteção em redes de distribuição de energia elétrica, evitando assim que sejam instaladas estações repetidoras entre o COI e o dispositivo alvo. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO[001] The present invention describes a remote sensing equipment system utilizing a switched antenna array for data transfer between an operating center and remotely controlled automation devices. More specifically, it comprises a smart, switched antenna array for Supervisor / Control And Data Acquisition (SCADA) type supervision systems, providing reliable radio communication between the Integrated Operation Center (IOC) with remote control automation devices used for protection in power distribution networks, thus preventing repeater stations from being installed between the IOC and the target device. BACKGROUND OF THE INVENTION

[002] Nas operações de telemetria, a conexão entre os equipamentos separados por grandes distâncias é realizada através de Sistemas SCADA, tipicamente usados em concessionárias de serviços de distribuição de energia, gás, água, entre outros. Nestes sistemas, são utilizados softwares para monitorar e supervisionar as variáveis e os dispositivos de sistemas de controle conectados através de controladores específicos.[002] In telemetry operations, the connection between the equipment separated by long distances is made through SCADA Systems, typically used in utilities of distribution of energy, gas, water, among others. In these systems, software is used to monitor and supervise the variables and devices of control systems connected through specific controllers.

[003] Devido à dificuldade de comunicação entre o Centro de Operação Integrada (COI) e os dispositivos de automação telecomandados via rádio, o COI deixa de enviar teie-sinais e receber telecomandos, contribuindo para a redução da Qualidade de Serviço (QoS, em inglês, Quality of Service) do fornecimento de energia elétrica, Desligamentos na rede elétrica, programados ou não, associados à falta de comunicação do Centro de Operação com as chaves reíigadoras localizadas na região acarretam uma elevação do tempo para restabelecimento das condições normais de fornecimento de energia elétrica, incorrendo em prejuízos para a empresa de distribuição e para os consumidores.[003] Due to communication difficulties between the Integrated Operation Center (IOC) and radio-controlled automation devices, the IOC is no longer sending web signals and receiving remotes, contributing to the reduction of Quality of Service (QoS). Quality of Service), Scheduled or unplanned power outages associated with failure to communicate from the Operation Center with the reigger switches located in the region lead to increased time to restore normal power supply conditions. electricity, causing losses to the distribution company and consumers.

[004] Quando os dispositivos de automação telecomandados, via rádio, se encontram em regiões aonde a vegetação, edificações ou outros obstáculos venham prejudicar as comunicações com o COI, uma solução descrita no estado da técnica para efetivar a comunicação é utilizar a linha discada, celular, satélite ou fibra óptica. No entanto, as três primeiras alternativas têm custo mensal fixo, visto que devem ser utilizados serviços de concessórias de telecomunicação. A colocação de fibra óptica é uma solução de custo inicial elevado e proibitivo para acessar um dispositivo alvo único.When radio-controlled automation devices are located in areas where vegetation, buildings or other obstacles may impair communications with the IOC, a state-of-the-art solution for effective communication is to use dial-up, cellular, satellite or fiber optic. However, the first three alternatives have a fixed monthly cost, as telecommunication concession services must be used. Fiber optic placement is a high cost prohibitive start-up solution for accessing a single target device.

[005] Uma segunda solução é a implantação de estações repetidoras para transmitir o sinal até o dispositivo alvo. No entanto, essa solução exige um estudo para verificar a relação custo-benefício, levando em consideração a topologia e a disponibilidade de terreno para a estação repetidora.[005] A second solution is the deployment of repeater stations to transmit the signal to the target device. However, this solution requires a cost-effective study to take into account the topology and ground availability for the repeater station.

[006] No Brasil, todas as empresas concessionárias de energia elétrica utilizam Sistemas SCADA, com a comunicação via enlace de rádio em regiões menos desenvolvidas e não supridas por fibras ópticas.[006] In Brazil, all utilities use SCADA systems, with communication via radio link in less developed regions and not supplied by optical fibers.

[007] O documento PI0617129 descreve um método e aparelho para transmissão e recepção de dados em sistema de comunicação sem fio que possuí antenas inteligentes, compreendendo uma séria de unidades de transmissão e recepção sem fio e pelo menos um ponto de acesso.Document PI0617129 describes a method and apparatus for transmitting and receiving data in a wireless communication system having smart antennas comprising a series of wireless transmitting and receiving units and at least one access point.

[008] O documento PIÜ511368 descreve um método e sistema de uso de antenas inteligentes no estabelecimento de rede de retorno, onde cada antena inteligente é configurada para gerar uma séria de feixes direcionais.[008] Document PIÜ511368 describes a method and system for using smart antennas in the return network establishment, where each smart antenna is configured to generate a series of directional beams.

[009] No entanto, as alternativas previstas no estado da técnica ainda apresentam interferências e interrupção do sinal ou área de sombra, afetando fortemente a comunicação entre o COI e o dispositivo alvo e, consequentemente, a qualidade de serviço (QoS) da concessionária, medida pelo indicadores (a) Tempo Médio de Atendimento (TMA), que reflete o tempo médio que uma determinada concessionária gasta para restabelecer o fornecimento de energia após a ocorrência de um defeito; (b) Duração Equivalente por Consumidor (DEC), que reflete o tempo que cada consumidor de um certo grupo ficou, em média, sem atendimento de eletricidade; e (c) Frequência Equivalente por Consumidor (FEC), que exprime o número de interrupções, em média, que cada consumidor sofreu.However, state-of-the-art alternatives still present interference and interruption of the signal or shadow area, strongly affecting the communication between the IOC and the target device and, consequently, the dealer's quality of service (QoS), measured by indicators (a) Average Service Time (TMA), which reflects the average time a given utility spends to restore power after a malfunction occurs; (b) Equivalent Duration per Consumer (DEC), which reflects the average time spent by each consumer in a certain group without electricity; and (c) Equivalent Frequency per Consumer (FEC), which expresses the number of interruptions, on average, that each consumer suffered.

[0010] A distância, o relevo, a vegetação e as construções no percurso entre os dispositivos e a base podem prejudicar a comunicação via rádio, deixando esses dispositivos em regiões de sombra. Um aumento na intensidade do sinal muitas vezes é suficiente para vencer os diversos obstáculos do percurso e restabelecer a comunicação, eliminando as regiões de sombra. Porém, os rádios utilizados, tanto na base, como nos dispositivos, já se encontram operando em potência máxima. Além disso, deseja-se evitar a instalação de novas estações repetidoras de sinal.The distance, relief, vegetation, and constructions in the pathway between the devices and the base can all impair radio communication, leaving these devices in shady regions. An increase in signal strength is often sufficient to overcome the various obstacles in the course and restore communication by eliminating the shadow regions. However, the radios used in both the base and the devices are already operating at full power. In addition, it is desired to avoid the installation of new signal repeater stations.

[0011] Dessa forma, é objeto da presente invenção um sistema de sensoriamento remoto de equipamentos utilizando antenas diretivas para transferência de dados entre um centro de operação e dispositivos de automação telecomandados através de enlace de rádio, estabelecendo uma comunicação confiável e segura entre o centro de operação e os dispositivos de automação nas regiões de sombra, impactando diretamente na melhoria dos índices de Tempo Médio de Atendimento (TMA), Duração Equivalente por Consumidor (DEC) e Frequência Equivalente por Consumidor (FEC). Um arranjo de antenas diretivas, dessa forma, permite o controle da direção do lóbulo principal do seu diagrama de radiação. Com isso, o alcance de transmissão do sinal se torna bem maior, o que dispensa a instalação de estações repetidoras do sinal.Accordingly, it is the object of the present invention a remote sensing equipment system using directional antennas for data transfer between an operating center and radio-controlled automation devices, establishing reliable and secure communication between the center. and automation devices in the shadow regions, directly impacting the improvement of Average Time of Attendance (TMA), Equivalent Duration by Consumer (DEC) and Equivalent Frequency by Consumer (FEC). An array of directional antennas thus allows you to control the direction of the main lobe of your radiation diagram. Thus, the signal transmission range becomes much larger, which does not require the installation of signal repeater stations.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0012] A figura 1 apresenta a representação esquemáíica do sistema chaveado de antenas inteligentes realizando a comunicação entre o COI e os dispositivos de automação.Figure 1 shows the schematic representation of the switching system of smart antennas making the communication between the IOC and the automation devices.

[0013] A figura 2 apresenta o diagrama de blocos do sistema chaveado de antenas inteligentes na comunicação entre o COI e um dispositivo de automação.[0013] Figure 2 shows the block diagram of the smart antenna switching system in communication between the IOC and an automation device.

[0014] A figura 3 apresenta a representação esquemática do sistema de antenas inteligentes.Figure 3 shows the schematic representation of the smart antenna system.

[0015] A figura 4 apresenta o fluxograma do método de controle do arranjo de antenas.Figure 4 shows the flowchart of the antenna array control method.

[0016] A figura 5 apresenta a antena diretiva do tipo Yági-Uda de sete elementos reproduzida no ambiente gráfico do software CST STUDIO SUITE 3D EM e a figura 5A apresenta o padrão de radiação da antena diretiva Yági-Uda de sete elementos simulada no software CST STUDIO SUITE 3D EM, [0017] A figura 6 apresenta o diagrama de radiação do arranjo simulado para 81 = 03 = 0o e 02 = 04 = -180°.[0016] Figure 5 shows the seven element Yági-Uda directive antenna reproduced in the graphic environment of the CST STUDIO SUITE 3D EM software and Figure 5A shows the simulated seven element Yági-Uda directive antenna radiation pattern in the software. CST STUDIO SUITE 3D EM, [0017] Figure 6 shows the simulated array radiation diagram for 81 = 03 = 0o and 02 = 04 = -180 °.

[0018] A figura 7 apresenta Diagrama de radiação do arranjo simulado para 01 = 04 = 0o, 02 = -120° e 03 = -240°, [0019] A figura 8 apresenta o diagrama de radiação do arranjo simulado para 01 = 0o, 02 = -60°, 03 = -120° e 04 = -180°.[0018] Figure 7 shows the Simulated Array Radiation Diagram for 01 = 04 = 0o, 02 = -120 ° and 03 = -240 °, [0019] Figure 8 shows the Simulated Array Radiation Diagram for 01 = 0o , 02 = -60 °, 03 = -120 ° and 04 = -180 °.

[0020] A figura 9 apresenta o diagrama de radiação do arranjo simulado para 01= 02= 03= 04 = 0o.Fig. 9 shows the radiation diagram of the simulated arrangement for 01 = 02 = 03 = 04 = 0 °.

[0021] A figura 10 apresenta o diagrama de radiação do arranjo simulado para 01 = 0o, 02 = 60°, 03 = 120° e 04 = 180°.Figure 10 shows the radiation diagram of the simulated array for 01 = 0 °, 02 = 60 °, 03 = 120 ° and 04 = 180 °.

[0022] A figura 11 apresenta o diagrama de radiação do arranjo simulado para 01 = 84 = 0o, 02 = 120°, 03 = 240° DESCRIÇÃO detalhada da invenção [0023] O sistema de sensoriamento remoto de equipamentos utilizando um arranjo chaveado de antenas para transferência de dados entre um centro de operação e dispositivos de automação telecomandados, objeto da presente invenção, compreende antenas inteligentes (A) atualmente voltadas a radares e comunicações móveis, para o sensoriamento remoto de dispositivos de automação telecomandados (DA^ DA2, ...DAn) dispostos em uma região, utilizados tanto para proteção como para medição, dito sistema que controla a direção do lóbulo principal do diagrama de radiação das antenas (A), aumentando o alcance de transmissão e elevação do nível de potência do sinal, dispensando a instalação de estações repetidoras, [0024] O sistema objeto da presente invenção está orientado à aplicação na automação de sistemas de distribuição/transmissão de energia elétrica, preferentemente, mas aplicável a empresas de distribuição de gás e de água, ditos sistemas de telemetria que necessitam de um sistema de comunicação digital de dados confiável entre os dispositivos de automação e o Centro de Operação Integrada (COI) para fornecer o serviço aos consumidores, atendendo aos índices de desempenho exigidos que, no caso da energia elétrica, podem ser citados: níveis de tensão máximos e mínimos, número de interrupção do fornecimento e duração da interrupção do fornecimento.[0022] Figure 11 shows the simulated array radiation diagram for 01 = 84 = 0 °, 02 = 120 °, 03 = 240 ° Detailed Description of the Invention [0023] The equipment remote sensing system using a switched antenna array for data transfer between an operating center and remotely controlled automation devices, object of the present invention, comprises smart antennas (A) currently aimed at radars and mobile communications, for remote sensing of remotely controlled automation devices (DA ^ DA2, ..). .DAn) arranged in a region, used for both protection and measurement, said system that controls the direction of the main lobe of the antenna radiation diagram (A), increasing the transmission range and raising the signal power level, dispensing with. the installation of repeater stations, [0024] The system object of the present invention is application oriented in the automation of transmission systems. electricity distribution / transmission, preferably, but applicable to gas and water distribution companies, said telemetry systems that require a reliable digital data communication system between automation devices and the Integrated Operation Center (IOC) to provide service to consumers, meeting the required performance indices which, in the case of electricity, may be cited: maximum and minimum voltage levels, number of supply interruption and duration of supply interruption.

[0025] O sistema consiste em uma estação radiobase (RB) que se comunica com todos os dispositivos de automação telecomandados (DA-i, DA2, ...DAn) da região, concentra as informações e as envia para o centro de operação (COI), conforme apresentado na figura 1.The system consists of a base station (RB) that communicates with all remote controlled automation devices (DA-i, DA2, ... DAn) in the region, concentrates the information and sends it to the operating center ( As shown in Figure 1.

[0026] Na estação radiobase (RB) normalmente é utilizada uma antena (A) do tipo colinear de dipolos dobrados com diagrama de radiação omínídirecional e ganho máximo em torno de 6 dBi.At base station (RB) a collinear dipole type antenna (A) is normally used with omni-directional radiation diagram and maximum gain around 6 dBi.

[0027] Nos dispositivos de automação (DA) preferentemente é empregada antena (A) do tipo diretiva.In automation devices (DA) preferably antenna (A) of the directive type is employed.

[0028] O sistema chaveado de antenas inteligentes (A) permite o controle na direção de radiação do sinal, proporcionando um alcance de transmissão bem maior se comparado ao sistema atualmente utilizado - sistema adaptativo, onde a ponderação das fases e amplitudes de alimentação das antenas é realizada de forma dinâmica, com o sistema inteligente decidindo baseado em diversas variáveis qual a ponderação necessária para realizar o controle da direção do feixe.The smart antenna switching system (A) allows control in the direction of signal radiation, providing a much wider transmission range compared to the system currently used - adaptive system, where the weighting of the phases and feeding amplitudes of the antennas It is performed dynamically, with the intelligent system deciding based on various variables what the weighting is required to perform beam direction control.

[0029] O sistema chaveado proposto é composto por um arranjo de antenas diretivas (A), defasadores (def) controlados digitalmente, um divisor/combinador (div) e um microcontrolador (mic), conforme apresentado na figura 2.The proposed switching system consists of an array of directive antennas (A), digitally controlled phasers (def), a divider / combiner (div) and a microcontroller (mic) as shown in Figure 2.

[0030] O arranjo de antenas compreende antenas do tipo diretiva (A) dotadas de elemento refletor (Ref), excitador (Exc) e diretores (dir). As antenas (A) são posicionadas lateralmente, com um espaçamento entre duas antenas consecutivas de um quarto de comprimento de onda da frequência central da banda de operação.The antenna array comprises directive type antennas (A) having reflective element (Ref), exciter (Exc) and directors (dir). The antennas (A) are positioned laterally, with a spacing between two consecutive quarter-wavelength antennas of the center frequency of the operating band.

[0031] Os circuladores (C) permitem que o sistema funcione nos dois sentidos de comunicação, ou seja transmissão da estação radiobase (RB) para a chave reiigadora (Crelíg) e recepção [da chave relígadora (Creltg) para a radiobase (RB)].Circulators (C) allow the system to operate in both directions of communication, ie transmission from the base station (RB) to the re-key (Crelig) and reception [from the relay key (Creltg) to the base (RB) ].

[0032] Cada circulador (C) apresenta faixa de frequência de operação de 400 a 470 MHz, isolação típica maior que 15 dB, VSWR típico menor que 1,5:1, perda por inserção típica menor que 1 dB, potência máxima de operação maior que 100 W, com os conectores sendo do tipo N-fêmea (50 oh ms) ou SMA-fêmea (50 ohms).Each circulator (C) has operating frequency range 400 to 470 MHz, typical isolation greater than 15 dB, typical VSWR less than 1.5: 1, typical insertion loss less than 1 dB, maximum operating power greater than 100 W, with the connectors being N-female (50 ohms) or SMA-female (50 ohms) type connectors.

[0033] Os amplificadores (amp) são responsáveis pelo ajuste do ganho do sinal no sentido da transmissão e recepção. Cada amplificador (amp) deve apresentar faixa de frequência de operação de 400 a 470 MHz, potência de saída maior que 5 W e ganho maior que 20 dBi.The amplifiers (amp) are responsible for adjusting the signal gain in the direction of transmission and reception. Each amp should have an operating frequency range of 400 to 470 MHz, output power greater than 5 W and gain greater than 20 dBi.

[0034] Os defasadores (def) permitem o controle digital da fase das correntes de alimentação das antenas (A) e devem ser dispositivos bidirecionais, ou seja, as duas portas devem funcionar como entrada ou saída. Cada defasador (def) apresenta faixa de frequência de operação entre 400 a 470 MHz, perda por inserção menor que 11 dB, VSWR menor que 2:1, velocidade de chaveamento de 500 ns, potência de operação de 100 mW, potência máxima de entrada (pico) de 1 W e número de bits de 8.The phasers (def) allow digital control of the phase of the antennas supply currents (A) and must be bidirectional devices, ie both ports must function as input or output. Each phaser (def) has an operating frequency range from 400 to 470 MHz, insertion loss less than 11 dB, VSWR less than 2: 1, 500 ns switching speed, 100 mW operating power, maximum input power (peak) 1 W and number of bits 8.

[0035] O divisor/combinador (div) opera na faixa de UHF e tem 4 saídas/entradas balanceadas, ou seja, divide o sinal de entrada em 4 partes iguais, ou combina 4 sinais de entrada para formar apenas um.The divider / divider operates in the UHF range and has 4 balanced outputs / inputs, ie divides the input signal into 4 equal parts, or combines 4 input signals to form only one.

[0036] O divisor/combinador (div) apresenta faixa de frequência de operação entre 400 a 470 MHz, fator de divisão de 1 :4 (6 dB), VSWR menor que 1,5 :1, perda por inserção menor que 1 dB. perda total em cada porta de saída menor que 7 d8, isolamento entre as portas de saída maior que 15 dB e potência de operação em cada porta maior que 10 W.The divider / combiner (div) has an operating frequency range of 400 to 470 MHz, 1: 4 (6 dB) split factor, VSWR less than 1.5: 1, insertion loss less than 1 dB . total loss on each output port less than 7 d8, isolation between output ports greater than 15 dB and operating power on each port greater than 10 W.

[0037] O rádio UHF (Ruhf) é responsável pela modulação/demodulação em radiofrequência dos dados durante o processo de comunicação entre a estação radiobase (RB) e as chaves religadoras (Crelig).UHF (Ruhf) radio is responsible for radio frequency modulation / demodulation during the communication process between the base station (RB) and the recloser switches (Crelig).

[0038] O microcontrolador (míc) faz a interpretação do dispositivo de destino e gera o controle digital a ser enviado para os defasadores (def), dito microcontrolador (mic) dotado de memória, oscilador interno de 16 MHz; conversores AD de 10 bits; comparadores analógicos e conversores DA.The microcontroller (mic) interprets the target device and generates the digital control to be sent to the phasers (def), said memory-equipped microcontroller (mic), internal 16 MHz oscillator; 10-bit AD converters; analog comparators and DA converters.

[0039] O controlador do Arranjo de Antenas (CAT) tem a função de fornecer saídas digitais para os defasadores (def) (8 bits cada saída), utilizados no formato de feixe, com base na análise do endereço destino das chaves, que é obtido através do quadro DNP 3.0, conforme apresentado na figura 4. Após o direcionamento do lóbulo formado pelo arranjo de antenas (A) para a chave destino contido no endereço analisado, o quadro com as informações enviadas pelo COI é transmitido na direção da chave religadora (Crelig). Após receber o quadro DNP3 com as informações, a chave religadora (Crelig) envia a resposta (outro quadro DNP3) para o Centro de Operação (COI). Este mesmo quadro irá passar pelo Controle do Arranjo de Antenas (CAT), seguindo para o Centro de Operação (COI). O sistema atuará como um repetidor das informações passadas pela chave.The Antenna Array Controller (CAT) has the function of providing digital outputs to the phasers (def) (8 bits each output), used in the beam format, based on the analysis of the key destination address, which is obtained through the DNP 3.0 frame, as shown in figure 4. After the lobe formed by the antenna array (A) is directed to the destination key contained in the analyzed address, the table with the information sent by the IOC is transmitted towards the recloser switch. (Crelig) After receiving the DNP3 frame with the information, the recloser switch (Crelig) sends the response (another DNP3 frame) to the Operation Center (IOC). This same frame will go through the Antenna Arrangement Control (CAT), going to the Operation Center (COI). The system will act as a repeater of the information passed by the key.

[0040] Para a simulação do diagrama de radiação do arranjo de antenas foi utilizado o software CST STUDIO SUITE 3D EM. Uma antena do tipo Yági-Uda de 7 elementos foi reproduzida no ambiente gráfico do software e seu diagrama de radiação foi simulado, conforme apresentado na figura 5. A antena (A) está posicionada com seus elementos na vertical e sua orientação em relação ao diagrama polar da Fig. 5A é 90°. Ainda na Fig. 5A é possível verificar que o arranjo simulado apresenta uma diretividade de 10,8 dBi e um ângulo de meia potência de 51,8° para uma frequência de 426,475 MHz.For the simulation of the antenna array radiation diagram the CST STUDIO SUITE 3D EM software was used. A 7-element Yági-Uda antenna was reproduced in the software's graphic environment and its radiation diagram was simulated as shown in figure 5. Antenna (A) is positioned with its elements upright and their orientation relative to the diagram. The polar pole of Fig. 5A is 90 °. Still in Fig. 5A it can be seen that the simulated arrangement has a directivity of 10.8 dBi and a half power angle of 51.8 ° for a frequency of 426.475 MHz.

[0041] Quatro antenas idênticas foram posicionadas lateral mente com um espaçamento entre duas consecutivas de meio comprimento de onda da frequência central da banda de operação (426,475 MHz) para formar o arranjo. Mantendo-se as amplitudes de alimentação das antenas constantes e iguais, variando-se apenas as fases, é possível apontar o feixe principal do arranjo para sete direções diferentes. Denominando a fase de alimentação da primeira antena do arranjo de 91, a da segunda de 92, a da terceira de 93 e a da quarta de 94, e simulando o diagrama de radiação no CST para 91= 93= 0o e 92 = 94 = -180o, obtém-se o resultado da Fig. 6, que evidencia um diagrama de radiação com dois lóbulos principais, cada um com ganho de 9,3 dBi e ângulo de meia potência de 27,8°, o primeiro tem uma direção de 16° e o segundo de 164°.Four identical antennas were positioned laterally with a spacing between two consecutive half wavelengths of the center frequency of the operating band (426.475 MHz) to form the array. Keeping the antenna amplitudes constant and equal, varying only the phases, it is possible to point the main beam of the array in seven different directions. Denoting the power phase of the first array antenna of 91, the second of 92, the third of 93, and the fourth of 94, and simulating the CST radiation diagram for 91 = 93 = 0o and 92 = 94 = -180o, we get the result of Fig. 6, which shows a radiation diagram with two main lobes, each with a gain of 9.3 dBi and a half power angle of 27.8 °, the first one has a direction of 16 ° and the second 164 °.

[0042] Fazendo agora 91 = 94 = 0o, 92 = -120° e 93 = -240°, e simulando o diagrama de radiação do arranjo no CST, chega-se ao resultado da Fig, 7. Esse resultado apresenta um lóbulo principal com diretividade de 11,1 dBi, ângulo de meia potência de 21° e direção de 45°.Now doing 91 = 94 = 0 °, 92 = -120 ° and 93 = -240 °, and simulating the CST array radiation diagram, we get the result from Fig. 7. This result has a main lobe. with 11.1 dBi directivity, 21 ° half power angle and 45 ° direction.

[0043] Simulando o diagrama de radiação no CST para Θ1 =0°, Θ2 = -60°, Θ3 = -120o e Θ4 = -180°, obtém-se o resultado da Fig, 8. O diagrama de radiação do arranjo da Fig. 8 apresenta um lóbulo principal com diretividade de 15,6 dBi, ângulo de meia potência de 23,3° e direção de 75°.Simulating the CST radiation diagram for Θ1 = 0 °, Θ2 = -60 °, Θ3 = -120o, and Θ4 = -180 ° gives the result of Fig. 8. The radiation diagram of the arrangement of Fig. 8 presents a main lobe with directivity of 15.6 dBi, half power angle of 23.3 ° and direction of 75 °.

[0044] Realizando a simulação no CST do diagrama de radiação do arranjo para Θ1 = Θ2 = Θ3 - Θ4 = 0o, obtém-se o resultado apresentado na Fig. 9. Esse diagrama do arranjo apresenta um lóbulo principal com ganho de 16,9 dBi, ângulo de meia potência de 23,7° e direção de 90° [0045] Simulando, agora, para é?1 = 0o, Θ2 = 60°, 03 = 120° e 04 = 180°, obtém-se o diagrama de radiação mostrado na Figura 10. Esse resultado de simulação apresenta um lóbulo principal com ganho de 15,6 dBi, ângulo de meia potência de 23,3° e direção de 105°.Performing the CST simulation of the array radiation diagram for Θ1 = Θ2 = Θ3 - Θ4 = 0o gives the result shown in Fig. 9. This arrangement diagram shows a main lobe with gain of 16.9 dBi, half power angle 23.7 ° and 90 ° direction Now simulating for is? 1 = 0o, Θ2 = 60 °, 03 = 120 ° and 04 = 180 °, the diagram is obtained. This simulation result has a main lobe with a gain of 15.6 dBi, a half power angle of 23.3 ° and a direction of 105 °.

[0046] E por último, fazendo Θ1 = 0o, 02 = 60°, 03 = 120° e 04 =180°, obtém-se o resultado da Fig. 11 para o diagrama de radiação do arranjo. A Figura 11 apresenta um lóbulo principal com ganho de 11,1 dBi, ângulo de meia potência de 21° e direção de 135°.And lastly, making Θ1 = 0 °, 02 = 60 °, 03 = 120 ° and 04 = 180 ° gives the result of Fig. 11 for the array radiation diagram. Figure 11 shows a main lobe with 11.1 dBi gain, 21 ° half power angle and 135 ° direction.

[0047] A simulação realizada permite verificar que, variando-se apenas as fases de alimentação das antenas do arranjo, é possível apontar o lóbulo principal do sistema de antenas inteligentes para sete direções diferentes (16°, 45°, 75°, 90°, 105°, 135° e 164°) com uma diretividade pelo menos 3 dB maior que a diretividade do arranjo de antenas colineares utilizado usualmente nas estações radiobase, Isso significa que se houvesse 7 dispositivos de automação localizados nessas direções, o sistema de antenas inteligentes proposto seria capaz de realizar uma comunicação com alto ganho e domínio sobre a orientação do lóbulo principal da radiação. Os piores casos encontram-se nas direções 16° e 164°, que apresentaram um ganho de 9,3 dBi, mas ainda assim, 3 dB maior que o ganho do arranjo de antenas colineares de 6 dBi empregado usuafmente.The simulation performed shows that, by varying only the feeding phases of the array antennas, it is possible to point the main lobe of the smart antenna system in seven different directions (16 °, 45 °, 75 °, 90 ° 105 °, 135 ° and 164 °) with a directivity of at least 3 dB greater than the directivity of the collinear antenna array commonly used in base stations. This means that if there were 7 automation devices located in these directions, the intelligent antenna system proposed would be able to communicate with high gain and mastery over the orientation of the main lobe of radiation. The worst cases are in the 16 ° and 164 ° directions, which had a gain of 9.3 dBi, but still 3 dB greater than the gain of the commonly used 6 dBi collinear antenna array.

Claims (6)

1. SISTEMA DE SENSORIAMENTO REMOTO DE EQUIPAMENTOS UTILIZANDO UM ARRANJO CHAVEADO DE ANTENAS DIRETIVAS PARA TRANSFERÊNCIA DE DADOS ENTRE UM CENTRO DE OPERAÇAO E DISPOSITIVOS DE AUTOMAÇÃO TELECOMANDADOS caracterizado por compreender: a) Um centro de operação (COI) que transmite um quadro DNP3 para a chave religadora (Crelig); b) Uma chave religadora (Crelig) que envia um quadro DNP3 de resposta ao centro de operação (COI); c) dispositivos de automação telecomandados (DA) preferentemente dotados de antena (A) do tipo diretiva; d) uma estação radiobase (RB) com antena (A) preferentemente do tipo colinear de dipolos dobrados com diagrama de radiação ominidirecional e ganho máximo em torno de 6 dBi que se comunica com os dispositivos de automação (DA1( DA2) ...DAn), concentra as informações e as envia para o centro de operação (COI); e) um arranjo de antenas do tipo diretiva (A) dotadas de elemento refletor (Ref), excitador (Exc) e diretores (dir), ditas antenas (A) posicionadas lateral mente, com um espaçamento entre duas antenas consecutivas de um quarto de comprimento de onda da frequência central da banda de operação; f) circuladores (C) que realizam a transmissão da estação radiobase (RB) para a chave religadora (Crelig) e recepção da chave religadora (Crelig) para a radiobase (RB); g) uma rádio UHF (Ruhf) responsável pela modulação/demodulação em radiofrequência dos dados durante o processo de comunicação entre a estação radiobase (RB) e as chaves reiígadoras (Crelíg); h) amplificadores (amp) para o ajuste do ganho do sinal no sentido da transmissão e recepção dos dados durante o processo de comunicação entre a estação radiobase (RB) e as chaves reiígadoras (Crelig); i) defasadores bidirecionais (def) para o controle digital da fase das correntes de alimentação das antenas (A) j) um divisor/combinador (div) k) um mícrocontrolador (mic) que faz a interpretação do dispositivo de automação (DA) de destino e gera o controle digital a ser enviado para os defasadores (def), l) um controlador do Arranjo de Antenas (CAT) que fornece saídas digitais para os defasadores (def) com base na análise do endereço destino das chaves.1. REMOTE EQUIPMENT SENSING SYSTEM USING A KEY ARRANGEMENT OF DATA TRANSFER DIRECTIONS BETWEEN A OPERATING CENTER AND AUTOMATION DEVICES characterized by: (a) an operating center (IOC) transmitting a DNP3 switchboard recloser (Crelig); (b) a recloser switch (Crelig) which sends a DNP3 response frame to the operation center (IOC); c) remote controlled automation devices (DA) preferably provided with directive antenna (A); d) a base station (RB) with antenna (A) preferably of collinear dipole type bent with omni-directional radiation diagram and maximum gain around 6 dBi which communicates with automation devices (DA1 (DA2) ... DAn ) concentrates the information and sends it to the operating center (IOC); e) an array of directive type antennas (A) having reflective element (Ref), exciter (Exc) and directors (dir), said laterally positioned antennas (A), spaced between two consecutive quarter-quarter antennas. wavelength of the center frequency of the operating band; f) circulators (C) transmitting the base station (RB) to the recloser switch (Crelig) and receiving the recloser key (Crelig) to the radio base (RB); g) a UHF radio (Ruhf) responsible for radiofrequency modulation / demodulation of the data during the communication process between the base station (RB) and the king keys (Crelíg); h) amplifiers (amp) for adjusting signal gain towards data transmission and reception during the communication process between the base station (RB) and the king keys (Crelig); i) bidirectional phasers (def) for digital control of the phase of the antenna supply currents (A) j) a splitter / combiner (div) k) a microcontroller (mic) that interprets the automation device (DA) of and generates the digital control to be sent to the phasers (def), 1) an Antenna Array (CAT) controller that provides digital outputs to the phasers (def) based on parsing of the key destination address. 2. SISTEMA DE SENSORÍAMENTO REMOTO DE EQUIPAMENTOS UTILIZANDO UM ARRANJO CHAVEADO DE ANTENAS DIRETIVAS PARA TRANSFERÊNCIA DE DADOS ENTRE UM CENTRO DE OPERAÇÃO E DISPOSITIVOS DE AUTOMAÇÃO TELECOMANDADOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do circulador (C) apresentar faixa de frequência de operação de 400 a 470 MHz, isolação típica maior que 15 dB, VSWR típico menor que 1,5:1, perda por inserção típica menor que 1 dB, potência máxima de operação maior que 100 W, com os conectores sendo do tipo N-fêmea (50 ohms) ou SMA-fêmea (50 ohms).2. REMOTE EQUIPMENT SENSING SYSTEM USING A KEY ARRANGEMENT ARRANGEMENT FOR TRANSMITTING DATA BETWEEN A OPERATING CENTER AND REMOTE AUTOMATION DEVICES according to claim 1, characterized in that the frequency band (C) has 400 to 470 MHz operation, typical isolation greater than 15 dB, typical VSWR less than 1.5: 1, typical insertion loss less than 1 dB, maximum operating power greater than 100 W, with N-type connectors female (50 ohms) or SMA-female (50 ohms). 3. SISTEMA DE SENSGRtAMENTO REMOTO DE EQUIPAMENTOS UTILIZANDO UM ARRANJO CHAVEADO DE ANTENAS DIRETIVAS PARA TRANSFERÊNCIA DE DADOS ENTRE UM CENTRO DE OPERAÇÃO E DISPOSITIVOS DE AUTOMAÇÃO TELECOMANDADOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do amplificador (amp) apresentar faixa de frequência de operação de 400 a 470 MHz, potência de saída maior que 5 W e ganho maior que 20 dBi.3. REMOTE EQUIPMENT SENSING SYSTEM USING A KEY ARRANGEMENT OF DATA TRANSFER DIRECTIONS BETWEEN A OPERATING CENTER AND TELECOMMUNICATION AUTOMATION DEVICES according to claim 1, characterized in that the amplifier (amp) has a frequency range of 400 to 470 MHz operation, output power greater than 5 W and gain greater than 20 dBi. 4. SISTEMA DE SENSORIAMENTO REMOTO DE EQUIPAMENTOS UTILIZANDO UM ARRANJO CHAVEADO DE ANTENAS DIRETIVAS PARA TRANSFERÊNCIA DE DADOS ENTRE UM CENTRO DE OPERAÇÃO E DISPOSITIVOS DE AUTOMAÇÃO TELECOMANDADOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos defasadores (def) apresentarem faixa de frequência de operação entre 400 a 470 MHz, perda por inserção menor que 11 dB, VSWR menor que 2:1, velocidade de chaveamento de 500 ns, potência de operação de 100 mW, potência máxima de entrada (pico) de 1 W e número de bits de 8.4. REMOTE EQUIPMENT SENSING SYSTEM USING A KEY ARRANGEMENT ARRANGEMENT FOR TRANSMITTING DATA BETWEEN A OPERATING CENTER AND REMOTE AUTOMATION DEVICES, according to claim 1, characterized in that the frequency shifters (def) have 400 to 470 MHz operation, insertion loss less than 11 dB, VSWR less than 2: 1, 500 ns switching speed, 100 mW operating power, 1 W maximum input power and number of bits of 8. 5.5 SISTEMA DE SENSORIAMENTO REMOTO DE EQUIPAMENTOS UTILIZANDO UM ARRANJO CHAVEADO DE ANTENAS DIRETIVAS PARA TRANSFERÊNCIA DE DADOS ENTRE UM CENTRO DE OPERAÇÃO E DISPOSITIVOS DE AUTOMAÇÃO TELECOMANDADOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do divisor/combinador (div) operar na faixa de UHF e apresentar 4 saídas/entradas balanceadas, apresentando faixa de frequência de operação entre 400 a 470 MHz, fator de divisão de 1 :4 (6 dB), VSWR menor que 1,5 :1, perda por inserção menor que 1 dB, perda total em cada porta de saída menor que 7 dB, isolamento entre as portas de saída maior que 15 dB e potência de operação em cada porta maior que 10 W.REMOTE EQUIPMENT SENSING SYSTEM USING A KEY ARRANGEMENT ARRANGEMENT ARRANGEMENT BETWEEN A OPERATING CENTER AND REMOTE AUTOMATION DEVICES according to claim 1, characterized in that the splitter / combiner (div) operates in the UF range and have 4 balanced outputs / inputs, with operating frequency range 400 to 470 MHz, 1: 4 (6 dB) split factor, VSWR less than 1.5: 1, insertion loss less than 1 dB, total on each output port less than 7 dB, isolation between output ports greater than 15 dB and operating power on each port greater than 10 W.
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