DISPOSITIVO PARA DECODIFICACIÓN DE SEÑAL DE
TIEMPO PARA MEDICIÓN FASORIAL EN REDES DE
DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Gustavo Alessandrini, Fernando Beunza, Gustavo Escudero
INTI Electrónica e Informática
gusi@inti.gob.ar

Introducción
Los sistemas eléctricos de potencia integrados
a nivel país o región requieren herramientas de
control de operación que permitan lograr los
estándares siempre crecientes de confiabilidad
requeridos por los usuarios y la industria.
Una unidad de medida fasorial (Phasor
Measurement Unit, PMU) extrae parámetros
del sistema como la frecuencia, cambios de
frecuencia, sincrofasores, y entrega datos
confiables para el análisis de calidad de
energía o control en tiempo real del sistema de
distribución. Esta información se obtiene en
estaciones y subestaciones de transformación,
para luego enviarla a una Central, donde se
analiza y se generan las acciones correctivas.
La red es un sistema distribuido. Por lo tanto es
necesaria una referencia de tiempo común, la
cual es suministrada por un Sistema Global de
Navegación por Satélite (GNSS) para que los
datos adquiridos puedan satisfacer las
necesidades de control en tiempo real y para el
posterior análisis de ingeniería para mejorar la
confiabilidad, la eficiencia de la red y reducir los
costos de operación.
El dispositivo que se describe en este trabajo
se hizo como parte del proyecto FONARSEC,
convocatoria FITS 2013 UREE.

Objetivo
Desarrollar el hardware y el firmware necesario
para:
Adaptar la señal de salida de la fuente de
referencia de tiempo entregada en formato
IRIG-B[1]
Preparar y transmitir la información extraída
utilizando el protocolo NMEA[2]
Propagar el pulso de sincronismo de
comienzo de segundo (PPS)
Comprobar distintos modelos de software y
algoritmos para su implementación final

Descripción
El protocolo IRIG-B es utilizado por las
empresas para asegurar la sincronización
precisa del tiempo en los dispositivos que
conforman el sistema de generación y
distribución de energía eléctrica.
Para la referencia de tiempo de la red se utiliza
un reloj de red sincronizada por satélite que
recibe señales de tiempo del GNSS y distribuye
el tiempo preciso a través de protocolos de
salida incluyendo, entre otros, IRIG-B.
IRIG-B se distribuye como una señal codificada
en ancho de pulso (IRIG-B no modulada) o
como una señal modulada en amplitud con una
portadora senoidal de frecuencia de 1 kHz
(IRIG-B modulada). Los métodos de
codificación IRIG-B se muestran en la figura 1.


Figura 1: Comparación de codificación IRIG B: no
modulada, 1 kHz AM, y Manchester modificado (fuente:
IRIG STANDARD 200-04).
Formato de la trama de datos IRIG-B
Marcadores de referencia: La presencia de dos
marcadores consecutivos significa el inicio del
período de tiempo. El primer marcador de
referencia indica que el siguiente flanco
ascendente será el marcador PPS. ("On-Time 1
PPS" mostrado en la figura 1).
La codificación IRIG-B consta de 100 bits
trasmitidos cada un segundo, los cuales
contienen fecha, cambios de tiempo y la
información de calidad de tiempo de la señal.
Hay tres grupos funcionales de bits: Decimal
codificado binario (BCD), funciones de control
(CF) y segundos binarios directos (SBS). El
grupo BCD contiene de segundos, minutos,
horas y días. El código de tiempo SBS contiene
el total de segundos transcurridos durante el
día. El grupo CF contiene el año, la calidad de
la medición de tiempo, año bisiesto, segundos
de salto pendientes e información para
detección de errores. El orden y distribución de
estos campos de bits en la trama, se muestran
en la figura 2.
El protocolo NMEA define requisitos de datos y
tiempo de transmisión en el formato serie.

Hardware
Para el formato IRIG-B modulado, se construyó
un demodulador con detector de envolvente, y
un comparador de niveles a la salida. De esta
forma, la información modulada en AM se
transforma en un tren de pulsos, obteniendo
una señal no modulada. Si la fuente de reloj
entrega la información de tiempo como un tren
de pulsos digitales, la conexión es directa sin
pasar por la etapa de demodulación AM.
Firmware
Si bien no está definido cual va a ser el
microcontrolador que se utilizará en el PMU, se
hicieron pruebas sobre una CPU candidata,
escribiendo el firmware en lenguaje C para
tener los algoritmos probados y listos para ser
portados a cualquier CPU de características
similares. Se diseñaron 2 modelos de software
para probar diferentes algoritmos de
decodificación, determinar su eficiencia y carga
de la CPU. En uno de los modelos se utilizó un
sistema operativo de tiempo real, en el cual se
activó una tarea periódica de 1 ms de periodo,
para leer el estado de la señal IRIG-B y armar
la trama de datos de tiempo. El segundo
modelo se realizó en “bare metal”[3],
conectando la señal IRIG-B a una entrada del
microcontrolador que permite medir el tiempo
entre 2 flancos de la señal; de esta forma se
obtiene el ancho del pulso y se le asigna el
valor “0” o “1” o “marca de referencia” según
corresponda. Cada fin de pulso medido e
identificado se marca como un evento que
dispara una máquina de estados que permite
sincronizar el comienzo de cada trama. En
ambos modelos, terminada la extracción de la
información, se conforma la trama NMEA, y se
transmite por línea serie.
El modelo de máquina de estados agrega una
salida con el PPS en sincronía con el
entregado por la trama IRIG-B original.
Esquema de pruebas
Las pruebas se realizaron utilizando una fuente
de reloj GPS SEL 2488, una computadora
embebida EDU-CIAA[4], placa demoduladora, y
una PC para observar la información de salida.

Resultados
Los modelos de software probados mostraron
un comportamiento óptimo, sin pérdida de bits
o fallas de sincronismo.
Se observó que el demodulador AM requiere
de un ajuste o calibración, debido al rango
dinámico de la señal indicada en la norma (1 a
6 V con 30% de profundidad de modulación).

Conclusiones
Los modelos de software usados y algoritmos
que se fijaron como objetivo fueron realizados y
probados en forma satisfactoria.
El rango de señal AM indicado en la norma no
pudo ser comprobado en extremos porque en
la fuente de señal de reloj no se puede
modificar la amplitud de la señal. Para probar
esto se armarán en un generador de señales,
tramas de mayor y menor amplitud para excitar
al circuito de detección y comprobar su
funcionamiento. Para eliminar la necesidad del
ajuste de fábrica se diseñará una etapa
amplificadora con control automático de
ganancia.

Bibliografía
[1] IRIG STD 200-04. www.irigb.com/pdf/wp-irig-200-04.pdf
[2] National Marine Electronics Association. www.nmea.org
[3] https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_desnuda
[4] www.proyecto-ciaa.com.ar
Figura 2. Formato IRIG-B: Tiempo BCD de año en días, horas, minutos, segundos y año, segundos binarios directos
y bits de control (fuente: IRIG STANDARD 200-04).