DESAIN SISTEM MONITORING KUALITAS DAYA LISTRIK
SECARA ONLINE
Ismujianto1 dan Isdawimah2 1,2Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta
Email: 1ismujianto@gmail.com
Abstract
Electrical power delivered by the utility to the consumer have a good quality when the value of the voltage and frequency in accordance with applicable regulations. Indonesia's standard low voltage is 220V for single phase system, 380V for 3-phase system with a frequency of 50 Hz and is a pure sinusoidal waveform. Harmonics can come from utilities (power source) itself or derived from the load used by consumers. Given the change in value is there so quickly and the necessary data is the latest data, it is necessary to continuously measure and leads to monitoring (monitoring) data. LabVIEW program has the ability to measure, monitor and store data quickly and accurately. In this study realized a design of power quality monitoring system to control the quality of electric power continuously. Data from monitoring can be downloaded online (Wireless) through various media. The monitoring system is made not only displays the value of kWh, but also other quantities related to power quality, such as: waveform, fluctuations in voltage, current, frequency, power, power factor, energy and THD. The monitoring system created using LabView software, where the program was made in the form of circuit diagram (in the menu block diagram) and the data is displayed in the front panel menu. Initially created a monitoring system in the form of measurement of electrical quantities simulated to validate the real program. Circuit simulator consists of a single phase AC voltage source by a certain load so that current flows. Some equations are used to measure the apparent power, real power and reactive power measuring electrical energy. The data is numeric, waveform, vector diagrams and graphs. The simulation results showed that all functions are working properly as required.
Keywords: monitoring, Electric Measurement, Online System
Abstrak
Daya listrik yang dikirimkan oleh utilitas ke konsumen mempunyai kualitas yang baik apabila nilai tegangan dan frekuensinya sesuai dengan ketentuan yang berlaku. Standar tegangan rendah di Indonesia adalah 220V untuk sistem satu fasa, 380V untuk sistem 3 fasa dengan frekuensi 50 Hz dan bentuk gelombangnya adalah sinusoidal murni. Harmonisa dapat berasal dari utilitas (sumber daya listrik) itu sendiri atau berasal dari beban yang digunakan oleh konsumen. Mengingat perubahan nilai yang ada demikian cepat dan data yang diperlukan adalah data terbaru, maka perlu dilakukan pengukuran secara terus menerus dan mengarah ke pemantauan (monitoring) data. Program LabVIEW mempunyai kemampuan mengukur, memonitor dan menyimpan data dengan cepat dan akurat. Dalam penelitian ini direalisasikan suatu desain sistem monitoring kualitas daya listrik untuk mengontrol kualitas daya listrik secara terus menerus. Data hasil monitoring dapat diunduh secara online (Wireless) melalui berbagai media. Sistem monitoring yang dibuat tidak hanya menampilkan nilai kWh, tetapi juga besaran lain yang terkait dengan kualitas daya listrik, seperti: bentuk gelombang, fluktuasi tegangan, arus, frekuensi, daya, power faktor, energi dan THD. Sistem monitoring yang dibuat menggunakan software LabView, dimana program dibuat dalam bentuk diagram rangkaian (dalam menu block diagram) dan data ditampilkan dalam menu front panel. Mula-mula sistem monitoring dibuat dalam bentuk simulasi pengukuran besaran listrik untuk memvalidasi program riil. Rangkaian simulator terdiri dari sumber tegangan AC satu fasa yang diberi beban tertentu sehingga mengalir arus. Beberapa persamaan digunakan untuk mengukur daya semu, daya nyata daya reaktif dan mengukur energi listrik. Data berupa angka, bentuk gelombang, vektor diagram dan grafik. Hasil simulasi menunjukkan bahwa semua fungsi telah bekerja dengan benar sesuai yang dipersyaratkan.
Kata kunci: monitoring, besaran listrik, sistem online
PENDAHULUAN
Daya listrik yang dikirimkan oleh utilitas ke konsumen mempunyai kualitas yang baik apabila nilai tegangan dan
frekuensinya sesuai dengan ketentuan yang berlaku. Standar tegangan rendah di Indonesia adalah 220V untuk sistem satu fasa, 380V untuk sistem 3 fasa dengan
frekuensi 50 Hz dan bentuk gelombangnya adalah sinusoidal murni.Apabila nilai tersebut tidak terpenuhi, maka kualitas daya listriknya berkurang dan dapat menyebabkan berbagai gangguan.
Di lingkup perindustrian dan perumahan sistem tenaga listrik kini banyak terpasang beban-beban nonlinear berupa peralatan elektronik. Hal inilah yang menyebabkan peningkatan distorsi harmonik di sistem distribusi tenaga listrik yang mensuplainya. Tingginya tingkat kandungan distorsi harmonik pada sistem distribusi tenaga listrik dapat menimbulkan berbagai masalah harmonik dan kualitas daya yang serius, antara lain semakin kecilnya tingkat faktor daya pada sisi sumber daya yang mensuplainya, sehingga daya nyata yang dikirim tidak optimal atau sangat rendah. Selain itu distorsi harmonik dapat mengakibatkan panas berlebihan pada peralatan maupun pada penghantar.
Harmonisa merupakan penyebab terbesar dalam hal penurunan kualitas daya listrik. Harmonisa dapat berasal dari utilitas (sumber daya listrik) itu sendiri atau berasal dari beban yang digunakan oleh konsumen. Beberapa metode identifikasi sumber harmonisa telah ditemukan, antara lain, metode berdasarkan Teorema Thevenin (M. Tsukamoto et al.,2000), metode daya aktif(X. Wilsun et al., 2000), metode berdasarkan Teorema Norton (X. Wilsun et al, 2003), metode gradien daya reaktif terhadap waktu (Sentosa Setiadji dkk, 2009), dan metode estimasi harmonik dan interharmonik (I. Sadinezhad et al..
2011).
Penyediaan sumber energi listrik dengan kualitas yang baik dapat dilakukan dengan mengendalikan beberapa hal berikut: tegangan, arus, frekuensi, sudut fasa, daya dan orde harmonik, sehingga diperoleh sumber energi listrik dengan kualitas baik dan konstan. Metode ini dapat mereduksi arus harmonik hingga orde ke 50 (T. Tsuchiyama, 1999).
Pengendalian kualitas daya listrik dapat dilakukan bila diketahui nilai besaran
listrik yang ada dibandingkan dengan nilai standar yang ingin dicapai. Nilai ini diperoleh dari pengukuran secara manual. Mengingat perubahan nilai yang ada demikian cepat dan data yang diperlukan adalah data terbaru, maka perlu dilakukan pengukuran secara terus menerus dan mengarah ke pemantauan (monitoring) data. Program LabVIEW mempunyai kemampuan mengukur, memonitor dan menyimpan data dengan cepat dan akurat. Permasalahannya adalah bagaimana memperoleh data pengukuran yang terbaru agar dapat mengendalikan kualitas daya listrik secara terus menerus. Dengan data yang up to date, maka kualitas sumber energi listrik dapat diperbaiki secara terus menerus, sehingga diperoleh daya listrik yang baik dan konstan kualitasnya. Dalam penelitian ini akan direalisasikan suatu desain sistem monitoring kualitas daya listrik, agar dapat mengontrol kualitas daya listrik secara terus menerus. Data hasil monitoring dapat diunduh secara online
(Wireless) melalui berbagai media.
Monitoring Besaran Listrik
State of the art dari penelitian ini adalah tampilan data kualitas daya listrik secara
real time yang dapat diakses melalui internet atau media lainnya. Saat ini pihak PLN telah menyediakan data kelistrikan yang dapat diakses melalui internet, tetapi hanya tentang penggunaan energi listrik (kWh) saja. Sedangkan sistem monitoring yang akan dibuat tidak hanya menampilkan nilai kWh saja, tetapi juga besaran lain yang terkait dengan kualitas daya listrik, seperti: bentuk gelombang, fluktuasi tegangan, arus, frekuensi, daya, power faktor, energi dan THD.
Pengubahan bentuk gelombang dari sinusoidal menjadi bentuk gelombang lain (Gambar 1) menghasilkan distorsi harmonik dan mengakibatkan penurunan kualitas daya listrik. Ada beberapa metode pengubahan bentuk gelombang lain yang berperan meningkatkan distorsi harmonik (R.W,Erickson et al., 2002) , seperti
penyearah, inverter, DC chopper dan regulator AC.
Distorsi harmonik mengakibatkan berbagai gangguan seperti: kenaikan arus di jalur netral, overheating pada transformator , getaran mekanik pada motor, gangguan kerja pada circuit breaker dan kesalahan pembacaan alat ukur (Roger Dugan, 2004). Sebagai contoh distorsi harmonik dari
switching frekuensi tinggi pada inverter telah menyebabkan kesalahan pengukuran kWh meterdigital hingga 17% (Isdawimah, 2014). Hal ini telah diatasi dengan memperhitungkan daya akibat switching dan meningkatkan waktu cuplik sinyal (Isdawimah, 2015).
Piranti lunak LabVIEW banyak digunakan untuk sistem akuisisi data pada pembangkit listrik tenaga surya (sistem PV), karena mampu mengukur dengan cepat data dari sistem PV yang sangat fluktuatif. Sebagai contoh penggunaan piranti lunak LabVIEW pada sistem PV yang terpadu dengan bangunan (BIPV) di provinsi Gejiang, Cina. Pengambilan data berdasarkan IEC Standard 61724, sedangkan pengolahan data berdasarkan standar IEA-PVPS T2-01, 2000 (Z. Xinjing et al.,, 2011).
Energi listrik dihitung berdasarkan pemakaian daya listrik dalam kurun waktu tertentu atau merupakan perkalian antara daya dengan waktu. Ada tiga macam daya listrik, yaitu daya aktif (P), daya reaktif (Q) dan daya semu (S). Pada umumnya ada dua macam alat untuk mengukur energi listrik, yaitu kWh meter untuk mengukur pemakaian daya aktif tiap jam dan kVARh meter untuk mengukur pemakaian daya reaktif tiap jam. Untuk mengukur energi listrik diperlukan beberapa parameter, antara lain: tegangan, arus, faktor daya dan waktu pemakaian energi listrik. Alat ukur tipe rms
mengukur nilai efektif atau rms tegangan dan arus seperti pada persamaan (3) dan (4), dengan nilai rms tegangan dan arus diperoleh dari:
(1) (2)
dengan batas 0-2 , maka tegangan efektifnya adalah:
(3) dengan cara yang sama diperoleh arus
efektif sebesar:
(4) dengan:
= Tegangan maksimum (V) = Arus maksimum (A)
Tipe rms biasa digunakan pada alat ukur analog dan sebagian alat ukur digital. Tipe ini mengukur dengan akurat bila digunakan untuk mengukur tegangan dan arus dengan bentuk gelombang sinusoidal murni. Bila digunakan untuk mengukur bentuk gelombang lainnya, maka akan terjadi kesalahan pengukuran hingga 40% [39].
Berdasarkan persamaan (3) dan (4), maka diperoleh daya aktif (P), daya reaktif (Q) dan daya semu (S), sebesar:
(5) dengan daya reaktif sebesar:
(6) maka diperoleh daya total atau daya semu sebesar :
(7) Faktor daya atau yang biasa disebut adalah perbandingan antara daya aktif dengan daya total. Untuk arus dan tegangan sinusoidal, faktor dayanya sebesar:
(8)
Berdasarkan daya aktif dapat dihitung besarnya energi listrik (W) yang digunakan dalam kurun waktu tertentu:
(9)
Dalam pengukuran input gelombang sinusoidal dan non-sinusoidal arus dan tegangan diakuisisi secara terus menerus berdasarkan persamaan:
(10) Dengan A adalah nilai puncak (besaran atau amplitudo) dari bentuk gelombang. Bentuk gelombang ini dikarakterisasi
secara lengkap oleh tiga parameter, yaitu frekuensi, amplitudo dan sudut fasa dengan proses pengubahan sebagai berikut:
1. Sinyal arus dan tegangan dijadikan sebagai input untuk diubah menjadi tegangan efektif (Vrms), arus efektif
(Irms), daya semu (apparent power),
daya aktif (active power), daya reaktif
(reactive power) dan faktor daya
(power factor).
2. Sinyal arus dan tegangan juga digunakan untuk mendapatkan fasor tegangan dan arus. Arus atau tegangan pada suatu frekuensi tertentu dinyatakan oleh dua parameter, yaitu amplitudo dan sudut fasanya. Dengan asumsi:
(11) Representasi arus ini dalam bentuk kompleks-nya adalah:
dipresentasikan dalam bentuk polar menjadi . Demikian juga tegangan dipresentasikan dalam bentuk polar.
Proses pengubahan i(t) menjadi I disebut sebagai transformasi arus dari domain waktu ke domain frekuensi, yaitu dengan mengubah arus sinusoidal riil:
dinyatakan sebagai komponen riil dari sebuah besaran (arus listrik) kompleks melalui identitas Euler, sehingga:
(12)
lalu ditambahkan sebuah komponen imajiner, tanpa mengubah besaran riil-nya, dalam bentuk polar dituliskan . i(t) sebagai representasi dalam domain waktu dari sebuah arus listrik, sedangkan fasor I
sebagai representasi domain frekuensi dari arus yang sama.
METODE PENELITIAN
Penelitian pendahuluan yang telah dibuat adalah tentang efek harmonisa dari sumber daya listrik terhadap hasil pengukuran kWh meter. Efek ini telah diatasi dengan memperhitungkan daya akibat harmonisa
dan meningkatkan waktu cuplik sinyal. Pada penelitian ini akan dilakukan monitoring kualitas daya listrik untuk memperoleh sumber/penyebab harmonisa yang terjadi pada sumber daya listrik di PNJ. Pada penelitian berikutnya akan dilakukan perbaikan kualitas daya listrik berdasarkan data yang diperoleh pada penelitian tahun ini dan tahun sebelumnya. Sistem monitoring yang dibuat terdiri dari program pengambilan data menggunakan piranti lunak LabVIEW, rangkaian pengubah sinyal analog ke digital (ADC), pengolah data menggunakan PC dan penyebaran informasi secara wireless
menggunakan internet.Tugas utama sistem monitoring yang dibuat adalah mengumpulkan data, mengubah data berupa sinyal analog menjadi sinyal digital dan memberikannya kepada sistem akuisisi data dan sistem pengendali. Data yang dikumpulkan dikirimkan ke unit DAQ untuk diproses, dalam hal ini diperlukan sinyal. Sinyal-sinyal dari combiner untuk ditransmisikan ke PC dan dikirimkan oleh stasiun nirkabel. Data di PC diproses oleh
piranti lunak LabVIEW dan ditampilkan secara real time dalam PC dan dapat diakses melalui internet. Pengambilan data berdasarkan IEC Standard 61724, sedangkan pengolahan data berdasarkan standar IEA-PVPS T2-01, 2000. Luaran dari penelitian ini adalah model sistem monitoring kualitas daya listrik yang dapat digunakan untuk memonitor kualitas daya listrik di PNJ.
HASIL DAN ANALISIS
Program ini dirancang untuk dapat memonitor beberapa besaran listrik, yaitu: tegangan, arus, frekuensi dan power factor. Sesuai dengan persamaan 5, 6 dan 7, maka besaran tersebut dapat digunakan untuk menghitung daya dan energi listrik (persamaan 9). Hubungan antara besaran satu dengan lainnya dapat dilihat pada Gambar 2. Data ini ditampilkan dan diakuisisi secara real time.
Sistem monitoring ini menggunakan
dalam bentuk diagram rangkaian (dalam menu block diagram) dan data ditampilkan dalam menu front panel. Berdasarkan diagram alir pada Gambar 2, mula-mula sistem monitoring dibuat dalam bentuk simulasi pengukuran besaran listrik dengan diagram rangkaian seperti tampak pada Gambar 3. Pembuatan rangkaian simulator ini dimaksudkan untuk memvalidasi program riil. Rangkaian simulator terdiri dari sumber tegangan AC satu fasa yang diberi beban tertentu sehingga mengalir arus. Persamaan 5, 6 dan 7 digunakan untuk pengukuran daya semu, daya nyata dan daya reaktif. Sedangkan untuk mengukur energi listrik digunakan persamaan 9. Untuk menampilkan dan mengakuisisi semua data dibuatlah diagram rangkaian seperti tampak pada Gambar 4.
Berdasarkan diagram rangkaian pada Gambar 4, diperoleh tampilan data seperti pada Gambar 5. Data berupa angka, bentuk gelombang, vektor diagram dan grafik.
KESIMPULAN
Sistem monitoring yang dibuat menggunakan software LabView, dimana program dibuat dalam bentuk diagram rangkaian (dalam menu block diagram) dan data ditampilkan dalam menu front panel. Mula-mula sistem monitoring dibuat dalam bentuk simulasi pengukuran besaran listrik untuk memvalidasi program riil. Rangkaian simulator terdiri dari sumber tegangan AC satu fasa yang diberi beban tertentu sehingga mengalir arus. Beberapa persamaan digunakan untuk mengukur daya semu, daya nyata daya reaktif dan mengukur energi listrik. Data berupa angka, bentuk gelombang, vektor diagram dan grafik. Hasil simulasi menunjukkan bahwa semua fungsi telah bekerja dengan benar sesuai yang dipersyaratkan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Isdawimah, R. Setiabudy, and R. Gunawan, "The Effect of High Switching Frequency on Inverter
Against Measurements of kWh-Meter," IPTEK Journal of Proceedings Series, vol. 1, pp. 102-108, 2014.
[2] Isdawimah, R. Setiabudy, and R. Gunawan, "Improving kWh-Meter Performance at PV on Grid System By Multiplying the Number of Sampling Signal," Journal of Theoretical and Applied Information Technology, vol. 71 No.2, pp. 302-309, 20th January 2015.
[3] Sadinezhad and V. G. Agelidis, "Slow Sampling on-line Harmonics / interharmonics Estimation Technique for Smart Meters,"
Electric Power Systems Research 81 Elsevier Journal, pp. 1643-1653, 2011.
[4] J. Sentosa Setiadji, O. Penangsang, and H. A. Rahmawatie, " Aplikasi Metode Gradien Daya Reaktif dalam Pemisahan Kontribusi Harmonisa Konsumen dan Utilitas pada Point of Common Coupling (PCC)," Univ. Petra dan ITS, Surabaya2009.
[5] M. Tsukamoto, S. Ogawa, Y. Natsuda, Y. Minowa, and S. Nishimura, "Advanced technology to identify harmonics characteristics and results of measuring," in
Harmonics and Quality of Power, 2000. Proceedings. Ninth International Conference on, 2000, pp. 341-346 vol.1.
[6] Roger Dugan, Mark F. Mc. Granaghan, 2004. Electrical Power Systems Quality, Second Edition McGraw-Hill
[7] R.W,Erickson 2002. Fundamentals
of power electronic,
http://colorado.edu
[8] +T. Tsuchiyama and M. Yamawaki, "New control-system power source for meter test equipment," in
Metering and Tariffs for Energy Supply, 1999. Ninth International Conference on (Conf. Publ. No. 462), 1999, pp. 183-186.
[9] X. Wilsun, L. Xian, and L. Yilu, "An investigation on the validity of power-direction method for harmonic source determination,"
Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 18, pp. 214-219, 2003.
[10] X. Wilsun and L. Yilu, "A method for determining customer and utility harmonic contributions at the point
of common coupling," Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 15, pp. 804-811, 2000.
[11] Z. Xinjing and B. Li, "Development of a data acquisition system for grid-connected photovoltaic systems," in
Electrical and Control Engineering (ICECE), 2011 International Conference on, 2011, pp. 5227-5230.
Gambar 1. Perubahan bentuk gelombang dari sinusoidal ke bentuk lain
Sine Voltage and Current Acquisition
Effective Voltage
Vrms (V) Efektif CurrentIrms (A) Power FactorPF FrequencyF (Hz)
Active Power
P (W) Apparent PowerAP (VA)
Real-Time Acquisition (Real Time Clock)
Reactive Power
RP (VAR) Active Power UsageU (Wh, kWh, MWh) Gambar 3. Diagram alir program monitoring daya listrik
Tabel 1. Data Pengukuran
Tanggal/Jam V (V) I (A) f (Hz) P (W) S (VA) Q (VAR) PF U (Wh)
10/5/2015/6:58:50 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.064792 10/5/2015/6:58:51 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.129583 10/5/2015/6:58:52 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.194375 10/5/2015/6:58:53 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.259167 10/5/2015/6:58:54 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.323958 10/5/2015/6:58:55 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.388750 10/5/2015/6:58:56 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.453542 10/5/2015/6:58:57 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.518333 10/5/2015/6:58:58 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.583125 10/5/2015/6:58:59 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.647917 10/5/2015/6:59:00 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.712708 10/5/2015/6:59:01 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.777500 10/5/2015/6:59:02 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.842292 10/5/2015/6:59:03 PM 219.91 1.06 50 233.25 233.25 0 1 0.907083
