Prosiding Seminar Nasional Teknologi SV UGM 2016 | 393
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:, waseis@yahoo.com
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
Gambar 1. R 2.2 Perhitung semu dan fak a. Tegangan Persamaan u i(t) dari seb persamaan : v(t)=Vm sin i(t)=Im sin ω dengan Vm a arus maksim frekuensi sud Nilai teganga mean square sebagai berik VRMS =� � ��� IRMS =������ VRMS = tegan IRMS = arus r b. Daya Sesa Daya sesaat tegangan ses rangkaian te persamaan 5 p(t) = v(t) . i dengan: p(t) Sedangkan d 6. Satuan day P = ��� ������ Menurut Lea persamaan 7 S= VRMS * IR c. Faktor Da Menurut sebagai co perbandingan Rancangan pem gan arus rms, ktor daya
dan Arus Roo umum tegang uah gelomba ωt ωt adalah teganga mum (Ampere) dut. an dan arus y e (RMS) disaj kut � �������� ²�� ������²�� � ngan rms (Vol rms (Ampere) aat, Daya Ak pada sebuah saat dengan a ersebut (Cekd . i(t) adalah nilai d daya aktif (P) ya aktif adalah �.���� �� a (2014) daya . Satuan daya RMS aya Cekdin (2013 os φ dide n daya aktif mantauan beba tegangan rms ot Mean Squar an sesaat v(t ang sinusoida (1) (2) an maksimum ), t waktu (det yang dipantau ajikan pada pe (3) (4) lt) )
ktif dan Daya
h rangkaian arus sesaat yan
din,2013), dir
(5)
daya sesaat dal dirumuskan d h Watt. (6) a semu (S) dir semu adalah (7) 3) faktor daya efinisikan s f (W) dan d an PLTS s, daya aktif, d re (RMS) ) dan arus se dinyatakan p m (Volt), Im ad tik), dan ω ad u adalah nilai ersamaan 3 d Semu adalah hasil ng mengalir p rumuskan den lam Watt. dengan persam rumuskan den VA. a yang dinotas sebagai seb daya semu (V daya esaat pada dalah dalah root an 4 kali pada ngan maan ngan sikan bagai VA). Unt pers Cos 2.3. 2.3. U diha AC 2.3. ZM op a 2.3. N boa pen mel outp ini m kem regu spes P P diha pera pen ESP jarin 2.4. nod inis pen data pad pen kon Pem ardu mer men beri U r den Urm tuk mencari n samaan 8. s φ = �� . Rancangan .1. Sensor Ar Untuk meng asilkan PLT S712 adalah H .2. Sensor Te Sensor tegan MPT101B. Mo amp integrato .3. Node Nirk Node nirkab ard komunik ngolah data d lakukan komu put untuk me mendapatkan mudian diturun ulator tegang sifikasi node n TABEL 1. S Pengolah data Pin analog I/O Transceiver Catu daya Pembacaan asilkan oleh angkat Arduin ngiriman data P8266 yang b ngan internet. . Rancangan Perangkat lu de nirkabel y siasi dan kone ngolahan nilai abase cloud. R da diagram alir Pada awal pr nyelarasan ba neksi dengan a mbacaan data uino mengg rupakan data ndapatkan teg ikut : ms = �∑������� � ngan : ms = tegangan
nilai dari fakto
(8) Perangkat K rus getahui besa TS digunaka Hall Effect cu gangan ngan dalam p odul ini meng
r LM358. kabel el yang dik kasi yang m dengan modul unikasi. Pada mbaca data m supply dari b nkan menjadi gan AMS1117 nirkabel yang SPESIFIKAS : O : : : IC dan pengo h sensor no Pro Mini. a ke database erfungsi untuk Perangkat L
unak yang dik yang dibuat eksi node ke i data, dan p Rancangan pe r pada gambar roses inisiasi, audrate untuk access point. tegangan se gunakan met a diskret. gangan RMS m ²��� n RMS (Volt), or daya dapat Keras arnya nilai an modul A urrent sensor. penelitian ini a ggunakan traf kembangkan b mengintegrasi l modul trans Node, terdap masukan dari baterai sebesar i 3.3 volt men 7. Tabel 1. digunakan. I NODE NIRK Arduino pro 8 buah ESP8266-1 Baterai 9 C regulator AM olahan nilai dilakukan m Selanjutnya e cloud digun k menghubun Lunak embangkan d dapat melak jaringan, pem pengiriman da erangkat lunak r 2. perangkat no k komunikas esaat dan aru tode samplin Pengolahan mengacu pada (9) dicari dengan arus yang ACS712-20A. adalah modul fo isolasi dan berupa suatu kkan modul sceiver untuk pat input dan sensor. Node r 9 Volt yang nggunakan IC menunjukkan KABEL mini 12E 9V MS1117 data yang menggunakan untuk proses nakan modul ngkan node ke dirancang agar kukan fungsi mbacaan data, ata olahan ke k ditunjukkan ode melalukan si serial dan s sesaat oleh ng sehingga data untuk a persamaan 9 n g . l n u l k n e g C n g n s l e r i , e n n n h a k 9
III. u(n) = samp N = juml Dengan cara menggunaka I rms = �∑��� dengan Irms arus pada saa Sedangkan p rata dari jum sesaat. Perh menggunaka P = ��∑���� ��� Gambar 2. D HASIL DAN 3.1. Implem 3.1.1. Pengu Pengu mengetahui pengujian in sedangkan v menunjukkan
pling dari tega lah sampling. a sama peng an persamaan b �²��� �� �� � s adalah arus at t i(t), dan perhitungan d mlah sampling hitungan ini an waktu diskr ���� � ���� Diagram alir pe N PEMBAHA entasi dan Pe ujian Sensor A ujian sensor karakteristik ni sensor d vcc sensor dib n grafik hasil
angan pada saa golahan arus
berikut
(10)
RMS dan i( daya aktif dip g (N) produk t
dilakukan ret dengan per
(11) erangkat lunak ASAN engujian Pera Arus r arus d input output dialiri arus l beri catu daya dari pengujian at t u(t), RMS dilaku ) (n) sampling peroleh dari r tegangan dan dengan den rsamaan berik ) k node nirkab angkat Keras ilakukan u dari sensor. P listrik bervar a 3.3V. Gamb n sensor arus. ukan dari rata-arus ngan kut. el s untuk Pada riasi, bar 6 men arus sebe 1.64 3.1. men Gam tega sens reso dan berg kom sebe dipe beb Ga Gambar 6 G Berdasark nunjukkan lua s masukan dan esar 64.4 mV 487 V. .2. Pengujian Pengujian nguji karakte mbar meu angan pada b sor adalah li olusi sebesar 0 Gambar 3 Gr terhada Pada pengu n output sens geser dari teg mponen trafo esar 30° dari erhitungkan u ban. ambar 4 Diagr -10 Keluaran Sensor Arus (V ) A 0 0,2 0,4 0 Tegang an Output(V) Perban O Grafik penguji an hasil aran sensor a n diperoleh n V/A dengan nil
n Sensor Tega sensor teg eristik input unjukkan kar berbagai nilai inear terhada 0.0013 V/V (g rafik Hubung ap Tegangan M ujian perband sor (gambar gangan input o. Tegangan i tegangan in untuk koreks ram Lissajous Tegang Vou 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 -5 0
Arus Hasil Pengu
y = 0,001
100 Tegangan
ndingan Tega Output sensor
ian luaran sen pengujian arus adalah lin
ilai sensitivita lai offset nol
angan gangan dilak output sens rakteristik lu i masukan se ap masukan gambar 3). an Tegangan Masukkan Sen dingan fase te 4), fase tega t akibat reakt output sens nput. Pergese si perhitungan s Input dan Ou gan ut = 0.0644Iin + 5 kuran (A) 13x + 0,008 200 n Input(V) angan Input d r tegangan nsor arus n tersebut near terhadap as sensor arus sensor adalah kukan untuk sor tegangan. uaran sensor ensor. Luaran dengan nilai Keluaran nsor egangan input angan output tansi induktif sor tertinggal eran ini akan n daya aktif utput Sensor + 1.6487 10 300 dan t p s h k . r n i t t f l n f
3.1.2. Pembu Gambar 5 m dibuat denga G Bagian tegangan, ran arduino pro m 3.2. Pembua Perangk beberapa bag koneksi ke a dari sensor, Thingspeak. 3.2.1 Komun Program membuat hub 8266 agar Program in pengecekan benar denga Sedangkan untuk memb jaringan inter 3.2.2. Pemba Program mengolah n Algoritma p berikut : 1. Mulai pro 2. Deklasi P digunaka 3. Mendekla dan interv 4. Deklarasi sensor aru 5. Deklarasi tegangan 6. Melakuka 250 sam 400µs. Sedangkan sebagai berik 1. Mulai 2. Deklarasi 3. Perhitung 4. Pembatas 5. Perhitung 6. Pembatas uatan Perangk enunjukkan la an dimensi min Gambar 5 Pera n node terdi ngkaian regul mini, dan ESP
atan Perangk
kat lunak y gian yaitu pro accesspoint, m dan program nikasi serial d m komunikas bungan antara bisa berkom ni juga di apakah ESP an arduino progam kone buat node ter
rnet. acaan dan pe ini digunakan nilai masukka pembacaan n ogram Pin sensor ar an arasikan dan m val dari sampl i dan inisiali us dan tegang i dan inisial , daya sesaat. an penyampli mpel dengan algoritma pe kut : i variabel gan Daya aktif san daya aktif gan Arus RMS san Arus
kat Node nirka ayout untuk n nimal. angkat node ni iri dari : p lator tegangan P 8266-12E. kat Lunak ang dikemb ogram untuk k membaca senso m untuk meng dan koneksi k si serial d a arduino pro munikasi atau igunakan un 8266 sudah pro mini s eksi access rhubung ke a engolahan da n agar node da an yang diki nilai sensor d
rus dan senso menginisialisa ling. isasi delta ku gan lisasi jumlah ingan selama interval tiap engolahan dat f f S abel ode nirkabel y irkabel ort input su n, pin I/O ana
angkan meli komunikasi se or, mengolah girimkan data ke accesspoin digunakan u mini dengan u bertukar d ntuk melaku terhubung se secara hardw point diguna access point ta sensor apat membaca rim oleh sen disajikan seb
or tegangan y asi waktu, jum uantisasi, reso h sampling a 100ms seban p sampel ad ta sensor ad yang uplai alog, iputi erial, data a ke nt untuk ESP data. ukan ecara ware. akan dan a dan nsor. bagai yang mlah olusi arus, nyak dalah dalah 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. hasi nod dihi Nila 0.01 tega Ga G Perhitungan T Pembatasan T Perhitungan D Pembatasan d Perhitungan c Perhitungan p Perhitungan mengurangka pengujian sen Perhitungan dikalikan den dengan nilai p Perhitungan f Selesai. Gambar 6 d il pengukuran de. Tingkat k itung menggu ai RMSE pe 1709 A, se angan adalah 2 ambar 6 Perba Gambar 7 Perb deng 0 2 4 6 8 10 12 0 Arus pem bacaa n node (A) 5 10 15 20 25 Tegan gan pemba caan node (V) Tegangan RM Tegangan Daya semu daya semu cos pi pi dengan inve nilai pi annya dengan nsor tegangan Daya aktif ngan cos pi pergeseran fas fakor daya. an 7 menunj n arus denga kesalahan pem unakan root m embacaan sen edangkan RM 2.102 V. andingan nilai nilai Pengola bandingan Nil gan Nilai Pen
0 5 Arus t 0 50 00 50 00 50 0 10 Tegang MS erse cos pi i sebenarny nilai pergese yaitu sebesar dengan cara yang sudah sa. jukkan perba an hasil pen mbacaan sens mean square er nsor arus ad MSE pemba i pengukuran A ahan data. ai Pengukuran ngolahan Data 10 erukur (A) 0 200 gan terukur (V ya dengan ran fasa pada
30° a daya semu dikurangkan andingan data golahan oleh or oleh node rror (RMSE). dalah sebesar acaan sensor Arus dengan n Tegangan . 15 300 V) n a u n a h e . r r
Gambar 8 deng Untuk memiliki r 3.026717% d Dengan per dikatakan ba baik. 4.3.3. Mengi Program data pemant pengguna m digunakan la ke cloud da aktif, daya se 4.6 Pembaha Sistem Thingspeak dilakukukan pengiriman beban yang mengirimkan pengamatan rata durasi tingkat kebe pada peneliti Tampilan ha dapat dilihat 1 1 2 2 Day a pemb acaa n node (W) Perbandingan gan Nilai Peng hasil pengol rata-rata per dibandingkan rsentase kesa ahwa sistem irim data ke m ini berpera aan ke cloud melalui jaringa ayanan cloud T atabase melip
emu dan fakto asan. pemantauan sebagai cl untuk men data pemant berubah-uba n data peman menunjukkan pengiriman erhasilan data
ian ini adalah asil pemantaua pada gambar 0 500 1000 1500 2000 2500 0 1 Daya te n nilai penguk golahan Data o lahan daya rsentase ke dengan data alahan di ba pemantauan cloud databa an penting d d database ya an internat. Pa Thingspeak. D puti data arus or daya. ini mengg loud databa ngetahui ting tauan. Data ah. Perangkat ntauan setiap n data pemant adalah 32 a yang terkiri sebesar 95,22 an besaran lis 9 berikut. (a) 1000 2000 erukur AC Pow kuran Daya ak oleh node. aktif oleh n salahan seb hasil penguku awah 5% d berjalan den ase thingspeak dalam pengiri ang dapat dia ada penelitian Data yang dik s, tegangan, d gunakan laya ase. Pengam gkat keberhas diambil den t didesain u p 30 detik. H auan dengan r detik. Presen im ke thingsp 2%. strik beban P 0 3000 wer Meter (W tif node besar uran. dapat ngan k iman akses n ini kirim daya anan matan silan ngan untuk Hasil rata-ntase peak LTS R untu mem data onli tega sens kesa pem sens pem men inte data men den deti [1] [2] Gambar 9 T tegangan, (b) IV. Rancangan no uk pemantau mberikan kem a pembebana ine. Rancang angan dengan sor mengalam alahan pemba mbacaan 0-22 sitifitas 64.4 mbacaan 17.0 ngirimkan dat erval pengirim a menunjukk ngirimkan 95 ngan rata-rata ik. V Cekdin C Rangkaian Kopacz Cs Remote and (b) (c) (d) Tampilan pant ) arus, (c) day KESIMPU ode nirkabel uan beban AC mudahan peng an PLTS ya gan sistem pe n sensitivitas 1 mi pergeseran acaan sebesar 20V. Sensor 4 mV/A d 9mA. Node ta pemantauan man data 30 de kan perangk 5.22% data a waktu inter . DAFTAR ekmas dan Listrik. Yogy s., Spataru S. d Centralized tauan beban P ya aktif, (d) fak ULAN berbasis inter C PLTS ber gumpulan dan ang dapat di emantuan me 1.3mV/V dan fasa sebesar r 2.102 V d ACS 712-2 dan memilik nirkabel dira n ke cloud dat etik. Pengujia at yang dib pemantauan rval pengirim PUSTAKA Berlian, Ta akarta: ANDI , Sera D, Ke d Monitoring PLTS; (a) ktor daya rnet of things rtujuan untuk n pemantauan iakses secara eliputi sensor keluaran dari 30° memiliki dalam rentang 0A memiliki ki kesalahan ancang untuk tabase dengan an pengiriman buat mampu dengan baik man data 32 aufik. 2013. I Yogyakarta. erekes, 2014. of PV Power s k n a r i i g i n k n n u k 2 . . r
Plants. International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment OPTIM 2014 May 22-24, 2014, Brasov, Romania.
[3] Lea, Trystan. 2014. AC Power Theory-Arduino Maths.https://openenergymonitor.org/emon/buildin gblocks/ac-power-arduino-maths, diakses pada 15 April 2016.
[4] Messenger, R.A. dan Ventre, Jerry. 2005. Photovoltaic System Engineering 2nd Edition. Boca Rotan: CRC Press LLC.
[5] 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
[6] 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.
[7] 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
[8] 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.
