NODE NIRKABEL BERBASIS INTERNET OF THINGS UNTUK PEMANTAUAN BEBAN ARUS BOLAK BALIK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA Winasis, Azis Wisnu Widhi Nugraha, Imron Rosyadi, Miftakhul Baehaki Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Jenderal Soedirman Jl. Mayor Jenderal Sungkono KM 5 Blater Purbalingga 53371 e-mail:,
[email protected] ABSTRAK Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) merupakan alternatif penyediaan tenaga listrik yang ramah lingkungan. keberlangsungan kinerja sebuah PLTS terpasang perlu dijaga salah satunya dengan melakukan pemantauan terus menerus kinerja PLTS. Penelitian ini mengusulkan alternatif pemantauan besaran daya listrik arus bolak – balik pada beban luaran inverter PLTS berbasis internet of things (IoT) untuk memberikan kemudahan pengumpulan dan pengolahan data tegangan, arus dan daya listrik yang dapat diakses secara online. Rancangan sistem pemantau terdiri dari modul sensor arus dan tegangan bolak-balik, dan node sensor nirkabel sebagai media pengolah dan pengirim data. Pengujian node sensor yang dibuat dilakukan dengan memantau luaran inverter sistem PLTS di Laboratorium Teknik Elektro UNSOED. Hasil pengujian komponen sistem menunjukkan sensor arus bekerja baik dengan kesalahan pembacaan 17.09mA (0.17%), sedangkan kesalahan pembacaan sensor tegangan sebesar 2.102V (0.96%). Rata-rata persentase kesalahan perhitungan daya aktif sebesar 3.026717%. Node nirkabel mampu mengirimkan data pemantauan dengan interval pengiriman data sekitar 32 detik dan tingkat keberhasilan pengiriman data sebesar 95.22%. Kata Kunci: node nirkabel, pemantauan, arus bolak-balik, PLTS, Internet of Things. I. PENDAHULUAN Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) memanfaatkan energi matahari untuk menghasilkan energi listrik yang ramah lingkungan. Penerapan sistem PLTS telah banyak dilakukan untuk elektrifikasi daerah remote yang belum berlistrik sebagai sistem stand alone atau hibrida. Sementara untuk daerah perkotaan atau yang telah berlistrik dikembangkan PLTS yang dapat terhubung ke jala jala listrik PLN. Energi yang dihasilkan oleh PLTS yang akan digunakan oleh beban arus searah atau arus bolak balik. Untuk mengetahui kinerja dari suatu PLTS, diperlukan pemantauan terhadap pemakaian energi listrik yang dikonsumsi oleh beban. Pemantauan ini umumnya dilakukan oleh pemilik atau operator PLTS secara manual yang berdampak pada tidak lengkap dan tidak kontinunya data pemantauan. Penelitian ini menyajikan alternatif pemantauan daya listrik pada beban PLTS memanfaatkan teknologi pemantauan nirkabel dan perkembangan teknologi internet. Perkembangan Internet of Things sebagai dunia di mana benda-benda fisik diintegrasikan ke dalam jaringan informasi secara berkesinambungan, dan di mana benda-benda fisik tersebut berperan aktif dalam proses bisnis memungkinkan pemantauan objek fisik secara real time berbasis internet. Internet of Things didefinisikan sebagai jaringan dari objek yang tertanam bersama sensor -sensor dan terkoneksi dengan internet (Minerva, 2015) Internet of Things (IoT) adalah jaringan dari objek fisik atau "things" tertanam dengan perangkat elektronik, perangkat lunak, sensor, dan konektivitas jaringan, yang memungkinkan objek tersebut untuk mengumpulkan dan
melakukan pertukaran data. Internet of Things memungkinkan objek untuk dirasakan dan dikendalikan dari jarak jauh di seluruh infrastruktur jaringan yang ada, menciptakan peluang untuk integrasi yang lebih langsung antara dunia fisik dan sistem berbasis komputer, dan mengakibatkan peningkatan efisiensi, akurasi dan manfaat ekonomi. Setiap objek secara unik diidentifikasi melalui sistem komputasi tertanam tetapi mampu beroperasi dalam infrastruktur internet yang ada. Beberapa penelitian telah menyajikan berbagai penerapan sistem monitoring real time dan berbasis internet untuk pemantauan pembangkit listrik. Shariff, F (2013) menyajikan pemantauan sistem PLTS di area remote menggunakan modem GSM sebagai transmisi data. Pemanfaatan website untuk melakukan monitoring sistem PLTS antara lain disajikan oleh Kopacz (2014). Pada penelitian Soetedjo (2012) implementasi web scada untuk memonitor dan mengontrol sistem pembangkit hibrida surya angin secara remote melalui jaringan internet. Pada penelitian ini dirancang dan dibuat node nirkabel berbasis Internet of Things (IoT) untuk pemantauan beban arus bolak balik pada sistem PLTS. Besaran yang akan dipantau meliputi : nilai tegangan dan arus root mean square (rms), daya aktif, daya semu dan faktor daya beban.. II. METODE 2.1 Rancangan Sistem Pemantauan Sistem monitoring ini akan digunakan untuk memantau arus dan tegangan beban AC dari PLTS. Gambar 1 merupakan blok diagram dari instalasi node dan sensor pada sistem ini
Prosiding Seminar Nasional Teknologi SV UGM 2016 | 393
n dari faktoor daya dapat dicari dengann Unttuk mencari nilai perssamaan 8. Coss φ = (8) 2.3.. Rancangan Perangkat K Keras 2.3..1. Sensor Arrus Untuk U menggetahui besaarnya nilai arus yangg dihaasilkan PLT TS digunakaan modul ACS712-20A. A . ACS712 adalah Hall H Effect cuurrent sensor. 2.3..2. Sensor Tegangan Sensor teganngan dalam ppenelitian ini adalah a modull ZM MPT101B. Moodul ini mengggunakan traffo isolasi dann op amp a integrator LM358. Gambar 1. Rancangan R pem mantauan bebaan PLTS 2.2 Perhitunggan arus rms, tegangan rmss, daya aktif, daya d semu dan fakktor daya a. Tegangan dan Arus Rooot Mean Squarre (RMS) Persamaan umum u tegangan sesaat v(t) dan arus seesaat i(t) dari sebuah gelombaang sinusoida dinyatakan pada p persamaan : v(t)=Vm sin ωt (1) i(t)=Im sin ωt ω (2) dengan Vm adalah a tegangaan maksimum m (Volt), Im addalah arus maksim mum (Ampere)), t waktu (dettik), dan ω addalah frekuensi suddut. Nilai tegangaan dan arus yang y dipantauu adalah nilai root mean squaree (RMS) disaj ajikan pada peersamaan 3 dan 4 sebagai berikkut ²
VRMS = IRMS =
I NODE NIRK TABEL 1. SPESIFIKAS S KABEL : Pengolah P data Arduino pro mini Pin P analog I/O O
:
8 buah
Transceiver
:
12E ESP8266-1
Catu daya
:
Baterai 9V 9 C regulator AM MS1117 IC
(3)
²
(4)
VRMS = teganngan rms (Vollt) IRMS = arus rms r (Ampere)) ktif dan Daya Semu b. Daya Sesaaat, Daya Ak Daya sesaat pada sebuahh rangkaian adalah hasil kali tegangan sessaat dengan arus a sesaat yanng mengalir pada p rangkaian teersebut (Cekddin,2013), dirrumuskan denngan persamaan 5. i p(t) = v(t) . i(t)
kabel 2.3..3. Node Nirk Node N nirkabel yang dikkembangkan berupa b suatuu boaard komunikkasi yang m mengintegrasikkan modull pen ngolah data dengan d modull modul transsceiver untukk mellakukan komuunikasi. Pada Node, terdap pat input dann outp put untuk membaca data m masukan dari sensor. Nodee ini mendapatkan m supply dari bbaterai sebesarr 9 Volt yangg kem mudian diturunnkan menjadii 3.3 volt men nggunakan IC C regu ulator teganggan AMS11177. Tabel 1. menunjukkann spessifikasi node nirkabel n yang digunakan.
(5)
dengan: p(t) adalah nilai daya d sesaat dallam Watt. Sedangkan daya d aktif (P) dirumuskan dengan d persam maan 6. Satuan dayya aktif adalahh Watt. P= (6) . Menurut Leaa (2014) dayaa semu (S) dirrumuskan denngan persamaan 7. Satuan daya semu adalah VA. S= VRMS * IRMS (7) R c. Faktor Daaya Menurut Cekdin (20133) faktor dayaa yang dinotassikan sebagai coos φ dideefinisikan sebagai s sebbagai perbandingann daya aktiff (W) dan daya d semu (V VA). 394 | Prosidiing Seminar Nasional N Teknnologi SV UG GM 2016
Pembacaan dan pengoolahan nilai data yangg dihaasilkan olehh sensor dilakukan menggunakan m n peraangkat Arduinno Pro Mini. Selanjutnya untuk prosess pen ngiriman dataa ke databasee cloud digun nakan modull ESP P8266 yang berfungsi untukk menghubun ngkan node kee jarin ngan internet. Lunak 2.4.. Rancangan Perangkat L Perangkat luunak yang dikembangkan dirancang d agarr nod de nirkabel yang y dibuat dapat melak kukan fungsii inissiasi dan koneeksi node ke jaringan, pem mbacaan data,, pen ngolahan nilaii data, dan ppengiriman daata olahan kee dataabase cloud. Rancangan R peerangkat lunak k ditunjukkann pad da diagram alirr pada gambarr 2. Pada awal prroses inisiasi, perangkat no ode melalukann pen nyelarasan baaudrate untukk komunikassi serial dann kon neksi dengan access a point. Pem mbacaan data tegangan seesaat dan arus sesaat olehh ardu uino mengggunakan mettode samplin ng sehinggaa merrupakan dataa diskret. Pengolahan data untukk men ndapatkan teggangan RMS m mengacu padaa persamaan 9 beriikut : U rms =
∑
²
den ngan : Urm ms = tegangann RMS (Volt),
(9)
I rms =
∑
²
(10))
dengan Irmss adalah arus RMS dan i((n) sampling dari arus pada saaat t i(t), dan Sedangkan perhitungan p d daya aktif dipperoleh dari ratar rata dari jum mlah samplingg (N) produk tegangan t dan arus sesaat. Perhhitungan ini dilakukan dengan denngan menggunakaan waktu diskrret dengan perrsamaan berikkut. P= ∑
(11))
Keluaran Sensor Arus (V)
u(n) = samppling dari tegaangan pada saaat t u(t), N = jumllah sampling. Dengan caraa sama penggolahan arus RMS dilakuukan menggunakaan persamaan berikut b
-5
-10
2,4Vou ut = 0.0644Iin + 1.6487 2,1 1,8 1,5 1,2 0,9 0,6 0,3 0 0 5 10
A Hasil Pengukuran (A) Arus
Gambar 6 Grafik G pengujiian luaran sen nsor arus Berdasarkan hasil pengujian n tersebutt men nunjukkan luaaran sensor aarus adalah lin near terhadapp aruss masukan dann diperoleh nilai sensitivitaas sensor aruss sebeesar 64.4 mV V/A dengan nillai offset nol sensor adalahh 1.64 487 V.
Tegangan Output(V)
n Sensor Tegaangan 3.1..2. Pengujian Pengujian sensor teggangan dilak kukan untukk men nguji karakteeristik input output senssor tegangan.. Gam mbar meuunjukkan karrakteristik lu uaran sensorr tegaangan pada berbagai b nilaii masukan seensor. Luarann senssor adalah liinear terhadaap masukan dengan nilaii reso olusi sebesar 0.0013 0 V/V (ggambar 3).
Perban ndingan Tegaangan Input dan d O Output sensorr tegangan 0,4
y = 0,001 13x + 0,008
0,2 0 0
100
200
300
Tegangan n Input(V)
Gambar 3 Grrafik Hubungan Tegangan Keluaran terhadaap Tegangan M Masukkan Sen nsor Pada penguujian perbanddingan fase teegangan inputt dan n output senssor (gambar 4), fase tegaangan outputt berg geser dari teggangan inputt akibat reakttansi induktiff kom mponen trafoo. Tegangan output senssor tertinggall sebeesar 30° darii tegangan innput. Pergeseeran ini akann dipeerhitungkan untuk u korekssi perhitungan n daya aktiff beb ban. Gambar 2. Diagram D alir peerangkat lunakk node nirkabel III. HASIL DAN N PEMBAHA ASAN 3.1. Implementasi dan Peengujian Peraangkat Kerass 3.1.1. Pengu ujian Sensor Arus A Penguujian sensorr arus dilakukan untuk u mengetahui karakteristik input output dari sensor. Pada P pengujian inni sensor dialiri d arus listrik l bervarriasi, sedangkan vcc v sensor dibberi catu dayaa 3.3V. Gambbar 6 menunjukkann grafik hasil dari pengujiann sensor arus.
Gaambar 4 Diagrram Lissajouss Input dan Ou utput Sensor Teganggan
Prosid ding Seminar Nasional N Teknnologi SV UG GM 2016 | 3955
Bagiann node terdiiri dari : port input suuplai tegangan, ranngkaian regullator tegangann, pin I/O anaalog, arduino pro mini, m dan ESP P 8266-12E. kat Lunak 3.2. Pembuaatan Perangk Perangkkat lunak yang dikembangkan meliiputi beberapa baggian yaitu proogram untuk komunikasi k seerial, koneksi ke accesspoint, a m membaca sensoor, mengolah data dari sensor, dan program m untuk menggirimkan dataa ke Thingspeak. nikasi serial dan d koneksi ke k accesspoin nt 3.2.1 Komun Program m komunikassi serial digunakan d u untuk membuat hubbungan antaraa arduino pro mini dengan ESP 8266 agar bisa berkom munikasi atauu bertukar data. d Program inni juga diigunakan unntuk melakuukan pengecekan apakah ESP 8266 sudah terhubung seecara benar dengaan arduino pro mini secara s hardw ware. Sedangkan progam koneeksi access point digunaakan untuk membbuat node terrhubung ke access a point dan jaringan interrnet. 3.2.2. Pembaacaan dan peengolahan data sensor Program ini digunakann agar node daapat membacaa dan mengolah nilai n masukkaan yang dikirim oleh sennsor. Algoritma pembacaan p n nilai sensor disajikan d sebbagai berikut : 1. Mulai proogram 2. Deklasi Pin P sensor arrus dan sensoor tegangan yang y digunakaan 3. Mendeklaarasikan dan menginisialisa m asi waktu, jum mlah dan intervval dari samplling. 4. Deklarasii dan inisialiisasi delta kuuantisasi, resoolusi sensor aruus dan teganggan 5. Deklarasii dan inisiallisasi jumlahh sampling arus, a tegangan, daya sesaat. 6. Melakukaan penyampliingan selama 100ms sebannyak 250 sam mpel dengan interval tiapp sampel addalah 400µs. Sedangkan algoritma peengolahan datta sensor addalah sebagai berikkut : 1. Mulai 2. Deklarasii variabel 3. Perhitunggan Daya aktiff 4. Pembatassan daya aktiff 5. Perhitunggan Arus RMS S 6. Pembatassan Arus 396 | Prosidiing Seminar Nasional N Teknnologi SV UG GM 2016
Gambar 6 dan 7 menunjjukkan perbaandingan dataa hasiil pengukurann arus dengaan hasil pengolahan olehh nod de. Tingkat kesalahan k pem mbacaan sensor oleh nodee dihiitung mengguunakan root m mean square errror (RMSE).. Nilaai RMSE peembacaan sennsor arus ad dalah sebesarr 0.01 1709 A, seedangkan RM MSE pembaacaan sensorr tegaangan adalah 2.102 2 V. Arus pembacaan node (A)
G Gambar 5 Peraangkat node niirkabel
7. Perhitungan Tegangan T RM MS 8. Pembatasan Tegangan T 9. Perhitungan Daya D semu 10. Pembatasan daya d semu 11. Perhitungan cos c pi 12. Perhitungan pi p dengan inveerse cos pi 13. Perhitungan nilai pii sebenarny ya dengann mengurangkaannya dengan nilai pergeseran fasa padaa pengujian sennsor tegangan yaitu sebesar 30° 14. Perhitungan Daya aktif dengan caraa daya semuu dikalikan denngan cos pi yang sudah dikurangkann dengan nilai pergeseran p fassa. 15. Perhitungan fakor f daya. 16. Selesai.
12 10 8 6 4 2 0 0
5
10
15
Arus terukur (A)
Gaambar 6 Perbaandingan nilaii pengukuran Arus A dengan nilai Pengolaahan data.
Tegangan pembacaan node (V)
3.1.2. Pembuuatan Perangkkat Node nirkaabel Gambar 5 menunjukkan laayout untuk node nirkabel yang y dibuat dengaan dimensi minnimal.
25 50 20 00 15 50 10 00 5 50 0 0
100
200
300
Teganggan terukur (V V) Gambar G 7 Perbbandingan Nilai Pengukuran n Tegangan denggan Nilai Penngolahan Data.
Daya pembacaan node (W)
2 2500 2 2000 1 1500 1 1000 500 0 0
1000 1
2000 0
3000
(b)
Daya te erukur AC Pow wer Meter (W
Gambar 8 Perbandingann nilai pengukkuran Daya aktif denggan Nilai Penggolahan Data oleh o node. Untuk hasil pengollahan daya aktif oleh node n memiliki rata-rata r perrsentase kesalahan sebbesar dengan data hasil pengukuuran. 3.026717% dibandingkan d Dengan perrsentase kesaalahan di baawah 5% dapat d dikatakan baahwa sistem pemantauan berjalan denngan baik. k 4.3.3. Mengiirim data ke cloud databaase thingspeak Program m ini berperaan penting dalam d pengiriiman data pemantaan ke cloudd database yaang dapat diaakses pengguna melalui m jaringaan internat. Paada penelitiann ini digunakan laayanan cloud Thingspeak. T D yang dikkirim Data ke cloud daatabase melipputi data aruss, tegangan, daya d aktif, daya seemu dan faktoor daya. 4.6 Pembahaasan. Sistem pemantauan ini mengggunakan layaanan Thingspeak sebagai clloud databaase. Pengam matan dilakukukan untuk menngetahui tinggkat keberhassilan pengiriman data pemanttauan. Data diambil denngan beban yang berubah-ubaah. Perangkatt didesain untuk u mengirimkann data pemanntauan setiapp 30 detik. Hasil H pengamatan menunjukkann data pemantauan dengan ratar rata durasi pengiriman adalah 32 detik. Presenntase tingkat kebeerhasilan dataa yang terkiriim ke thingsppeak pada penelitiian ini adalah sebesar 95,222%. Tampilan haasil pemantauaan besaran lisstrik beban PLTS dapat dilihat pada gambar 9 berikut.
(a)
(c)
(d) Gambar 9 Tampilan T panttauan beban PLTS; P (a) tegangan, (b)) arus, (c) dayya aktif, (d) fak ktor daya IV. KESIMPU ULAN Rancangan R noode nirkabel berbasis interrnet of thingss untu uk pemantauuan beban AC C PLTS berrtujuan untukk mem mberikan kem mudahan penggumpulan dan n pemantauann dataa pembebanaan PLTS yaang dapat diiakses secaraa onliine. Rancanggan sistem peemantuan meeliputi sensorr tegaangan dengann sensitivitas 11.3mV/V dan keluaran darii senssor mengalam mi pergeseran fasa sebesar 30° memilikii kesaalahan pembaacaan sebesarr 2.102 V dalam d rentangg pem mbacaan 0-2220V. Sensor ACS 712-20A memilikii senssitifitas 64.44 mV/A ddan memilik ki kesalahann pem mbacaan 17.09mA. Node nirkabel diraancang untukk men ngirimkan datta pemantauann ke cloud dattabase dengann inteerval pengirim man data 30 deetik. Pengujiaan pengirimann dataa menunjukkkan perangkat yang dib buat mampuu men ngirimkan 955.22% data pemantauan dengan baikk den ngan rata-rataa waktu interrval pengirim man data 322 detiik. [1] [2]
V. DAFTAR PUSTAKA Cekdin Cekmas dan Berlian, Taaufik. 2013.. Rangkaian Listrik. Yogyakarta: ANDII Yogyakarta. Kopacz Css., Spataru S., Sera D, Keerekes, 2014.. Remote andd Centralizedd Monitoring of PV Powerr
Prosid ding Seminar Nasional N Teknnologi SV UG GM 2016 | 3977
[3]
[4] [5]
[6]
[7]
[8]
Plants. International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment OPTIM 2014 May 22-24, 2014, Brasov, Romania. Lea, Trystan. 2014. AC Power Theory-Arduino Maths.https://openenergymonitor.org/emon/buildin gblocks/ac-power-arduino-maths, diakses pada 15 April 2016. Messenger, R.A. dan Ventre, Jerry. 2005. Photovoltaic System Engineering 2nd Edition. Boca Rotan: CRC Press LLC. Minerva Roberto, Biru Abyi, Rotondi Domenico, 2015. Towards Definition Internet of Things (IoT). diakses dari http://iot.ieee.org/images/files/pdf/IEEE_IoT_Towa rds_Definition_Internet_of_Things_Revision1_27 MAY15.pdf Shariff, F, , Rahim, N.A., Ping, H.W .(2013). Photovoltaic remote monitoring system based on GSM. IEEE Conference on Clean Energy and Technology (CEAT), 2013. Page(s): 379 - 383. Langkawi 18-20 Nov. 2013. Soetedjo Aryuanto, Nakhoda Yusuf Ismail, Lomi Abraham, Farhan. 2014. Web-SCADA for Monitoring and Controlling Hybrid Wind-PV Power System. TELKOMNIKA, Vol.12, No.2, June 2014, pp. 305~314 Zahran Mohamed, Atia Yousry, Al-Husein Abdullah, El-Sayed Ihab. 2010. LabVIEW Based Monitoring System Applied for PV Power Station. Proceedings of the 12th WSEAS International Conference on Automatic Control, Modelling & Simulation. Italy, May 2010.
398 | Prosiding Seminar Nasional Teknologi SV UGM 2016
