AC LOAD EMULATOR PADA SISTEM SMART GRID BERBASIS

EMBEDDED SYSTEM

(SKRIPSI)

Oleh

M. MAS RURI YUSUF

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

2018

ABSTRAK

AC LOAD EMULATOR PADA SISTEM SMART GRID BERBASIS

EMBEDDED SYSTEM

Oleh

M. Mas Ruri Yusuf

Pada Sistem Smart Grid, masuknya energi terbarukan menyumbangkan faktor

ketidakpastian yang bermasalah terhadap beban puncak pada waktu tertentu,

sehingga diperlukan analisa sistem pembebanan agar permasalahan tersebut

dapat diatasi. Load Emulator merupakan suatu alat yang digunakan sebagai

beban tiruan yang dirancang untuk meniru profil beban yang ada pada sistem

smart grid. Salah satu teknik kontrol yang digunakan dalam load emulator

berupa teknik switching, dengan prinsip switching dapat mendapatkan load

emulator yang fleksibel, sederhana, dan murah. Pengontrolan switching diatur

menggunakan embedded system.

Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan mengimplementasikan emulator

beban aktif AC 1 fasa yang dapat diprogram. Pemprograman berdasarkan

multitasking variasi relay dan waktu pada arduino dengan chip ATMega 2560 .

Emulator ini dapat digunakan untuk menguji kinerja sistem tenaga listrik

dengan meniru profil beban yang dibuat berbeda.

Berdasarkan hasil pengujian, load emulator dapat meniru pola daya aktif dari

beban harian yang menjadi acuan. Pengukuran menggunakan sensor arus

dengan galat senilai 1,4% dan sensor tegangan dengan galat senilai 0,14%

dibandingkan dengan pengukuran multimeter, setiap data akan disimpan

berdasarkan waktu pada SD card melalui datalogger. Sistem dapat

menghasilkan beban terbesar senilai 1385.89 Watt. Pembebanan pada load

emulator menggunakan beban berupa beberapa jenis lampu dan motor listrik.

Kata kunci : Load Emulator, Smart Grid, Embedded System.

ABSTRACT

AC LOAD EMULATOR IN SMART GRID SYSTEM BASED ON

EMBEDDED SYSTEM

By

M. Mas Ruri Yusuf

The inclusion of renewable energy in the Smart Grid System, contributes the

uncertainty factor which is a problem for the peak loads at a certain time,

therefore an analysis of the load system is required to overcome the problems.

Load Emulator is a device that is used as an artificial load designed to mimic

the load profile that exists in a smart grid system. One of the control techniques

used in load emulators is a switching technique, with the principle of switching

can get a flexible, simple and inexpensive load emulator. Switching control is

regulated using embedded systems.

This study aims to design and implement a programmable active load emulator

of AC 1 phase. The programming is based on multitasking relay variations and

time on Arduino with ATMega 2560 chips. This emulator can be used to test

the performance of an electric power system by imitating a load profile that is

made different.

Based on the results of testing, the load emulator can mimic the active power

pattern of the daily load that is the reference. Measurements using current

sensors with 1.4% errors and voltage sensors with errors worth 0.14%

compared to multimeter measurements, each data will be stored based on time

on the SD card via a datalogger. The system can produce the largest load of

1385.89 Watts. Loading on the load emulator uses a load of several types of

lights and electric motors.

Keywords: Load Emulator, Smart Grid, Embedded System.

AC LOAD EMULATOR PADA SISTEM SMART GRID BERBASIS

EMBEDDED SYSTEM

Oleh

M. MAS RURI YUSUF

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat Mencapai Gelar

SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

Judul Proposal Skripsi : AC LOAD EMULATOR PADA SISTEM

SMART GRID BERBASIS EMBEDDED

SYSTEM

Nama Mahasiswa : M. Mas Ruri Yusuf

Nomor Pokok Mahasiswa : 1415031078

Jurusan : Teknik Elektro

Fakultas Teknik : Teknik

MENYETUJUI

1. Komisi Pembimbing

Khairudin, S.T., M.Sc., Ph. D. Eng Herri Gusmedi, S.T., M.T.

NIP. 197007 1920002 1 001 NIP. 19710813 199903 1 003

2. Ketua Jurusan Teknik Elektro

Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc.

NIP. 19731128 199903 1 005

MENGESAHKAN

1. Tim Penguji

Ketua : Khairudin, S.T., M.Sc., Ph. D. Eng …………….

Sekretaris : Herri Gusmedi, S.T., M.T. …………….

Penguji : Dr. Eng. Lukmanul Hakim, S.T., M.Sc. …………….

bukan pembimbing

2. Dekan Fakultas Teknik Universitas Lampung

Prof. Drs. Suharno, M.Sc., Ph.D.

NIP. 19620717 198703 1 002

Tanggal Lulus Ujian Skripsi : 8 November 2018

SURAT PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang

pernah dilakukan orang lain dan sepanjang sepengetahuan saya tidak terdapat atau

diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah ini

sebagaimana yang disebutkan dalam daftar pustaka. Selain itu, saya menyatakan

pula bahwa skripsi ini dibuat oleh saya sendiri.

Apabila pernyataan saya tidak benar, maka saya bersedia dikenai sangsi sesuai

dengan hukum yang berlaku.

Bandar Lampung, 8 November 2018

M. Mas Ruri Yusuf

NPM. 1415031078

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Tanggulangin, 28 Agustus 1996. Penulis

merupakan anak tunggal dari pasangan Bapak Imam Ma’ruf

dan Ibu Sutini.

Pendidikan penulis SDN 1 Tanggulangin pada tahun 2002

hingga 2008, SMPN 1 Punggur pada tahun 2008 hingga 2011,

dan SMAN 1 Punggur pada tahun 2011 hingga 2014.

Penulis menjadi mahasiswa Jurusan Teknik Elektro, Universitas Lampung, pada

tahun 2014 melalui jalur SBMPTN (Seleksi Bersama Masuk Perguruan Tinggi

Negeri). Selama menjadi mahasiswa, penulis berkesempatan menjadi assisten

dosen mata kuliah Rangkaian Listrik, Sistem Proteksi dari tahun 2016 hingga 2017

dan tergabung dalam keanggotaan asisten Laboratorium Teknik Pengukuran

Besaran Elektrik dari tahun 2015, serta menjadi asisten mata kuliah Praktikum

Fisika Dasar, Instrumentasi dan Pengukuran, Rangkaian Listrik pada tahun 2015

hingga 2017. Selain itu, penulis tergabung dalam lembaga kemahasiswaan yang ada

di Jurusan Teknik Elektro (Himatro) di Departemen Pengembangan dan

Keteknikan selama satu periode kepengurusan yaitu pada tahun 2015-2016 dan

pada periode kedua yaitu di Departemen Pendidikan dan Pengembangan Diri pada

tahun 2016-2017. Pada 24 Juli – 23 Agustus 2017, penulis melaksanakan kerja

praktik di PT. Bukit Asam (Persero) Tbk Tanjung Enim dan mengangkat judul

“Sistem Proteksi Gangguan Hubung Singkat Menggunakan Sepam Series 40

pada Panel Distribusi A20 Mss Tal Pt. Bukit Asam (Persero) Tbk.”

Alhamdulilah Puji dan Syukur Kehadirat Allah Subhanahu wa ta'ala atas Izin dan Ridho-Nya

Karya ini kupersembahkan untuk

Ibunda Tercinta

Sutini

Kakek dan Nenek Tercinta

Margono M. Sidiq dan Siti Amanah

Keluarga Besar

Bani Kromo Karyo

Dosen, Teman, dan Almamater

MOTTO

“Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.

Sesungguhnya setelah kesulitan itu ada kemudahan”

(QS Al-Insyirah 94: 5-6)

“Niscaya Allah akan mengangkat (derajat) orang-orang beriman diantaramu

dan orang-orang yang diberi ilmu beberapa derajat”

(QS Al-Mujadilah 58: 11)

“Raihlah ilmu, dan untuk meraih ilmu belajarlah untuk tenang dan sabar”

(Umar bin Khatab RA)

“Dunia ini ibarat bayangan. Kalau kau berusaha menangkapnya, ia akan lari.

Tapi kalau kau membelakanginya, ia tak punya pilihan selain mengikutimu.”

(Ibnu Qayyim Al Jauziyyah)

i

SANWACANA

Segala puji bagi Allah, atas limpahan nikmat-Nya yang diberikan kepada penulis

sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Shalawat dan salam senantiasa

dicurahkan kepada Nabi Muhammad, suri teladan yang mampu membuka sesuatu

yang terkunci, penutup dari semua yang terdahulu, penolong kebenaran dengan

jalan yang benar, dan petunjuk kepada jalan-Mu yang lurus.

Tugas Akhir dengan judul “AC Load Emulator pada Sistem Smart Grid Berbasis

Embedded System” ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas

Lampung.

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terimakasih kepada:

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Hasriadi Mat Akin, M.P. selaku Rektor Universitas

Lampung.

2. Bapak Prof. Suharno, M.Sc., Phd. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Lampung.

3. Bapak Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc. selaku Kepala Jurusan Teknik

Elektro Universitas Lampung.

4. Bapak Khairudin, S.T., M.Sc., Ph. D. Eng selaku pembimbing utama yang

telah memberikan bimbingan rutin, motivasi, arahan dan pandangan

kehidupan kepada penulis di setiap kesempatan dengan baik dan ramah.

5. Bapak Herri Gusmedi, S.T., M.T. selaku pembimbing pendamping yang telah

memberikan bimbingan, arahan, dan nilai-nilai kehidupan kepada penulis

dengan baik dan ramah.

ii

6. Bapak Dr. Lukmanul Hakim, S.T., M.Sc. selaku dosen penguji yang telah

memberikan kritik dan saran yang membangun kepada penulis dalam

mengerjakan skripsi ini.

7. Ibu Sri Ratna Sulistiyanti,Ir., M.T., Dr. selaku dosen pembimbing akademik

(PA) yang telah memberikan nasihat, arahan, dan bimbingan yang

membangun bagi penulis dalam mempersiapkan diri menjadi seorang Sarjana

Teknik.

8. Ibu Dr. Eng. Ir. Drikpride Despa, M.T., I.P.M. selaku kepala Lab PBE yang

telah memberikan nasihat, arahan, ilmu, serta bimbingannya selama penulis

menjadi asisten laboratorium.

9. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Elektro yang telah memberikan ilmu yang

bermanfaat, wawasan, dan pengalaman bagi penulis.

10. Segenap Staff di Jurusan Teknik Elektro dan Fakultas Teknik yang telah

membantu penulis baik dalam hal administrasi dan hal-hal lainnya.

11. Segenap Keluarga Besar Laboratorium Teknik Pengukuran Besaran Elektrik;

Manda, Jofanda, Erik, Ega, Rahma, Bayu, Boy, Ridwan, Chiko, Ade, Boby,

Mukhlisin, Fajar, dan adik-adik asisten 2016.

12. Segenap Keluarga Besar Laboratorium Sistem Tenaga Elektrik; Pak Osea

Zebua, S.T., M.T atas ilmu selama studi; Mas Rachman atas kerjasamanya

selama studi; Fandi, Yogi, Ibnu, Ebot, Rafi, Jeshu, Septi, Arief, Deddy, Firda,

Baiti, Panji.

13. Tim Smart Grid; Ferdian, Fitra, Amir, yang telah berbagi cerita, canda tawa,

ilmu dan pengalaman selama penelitian.

iii

14. Keluarga besar ELITE ’14 yang luar biasa, terimakasih atas semua yang telah

diberikan.

15. Keluarga KKN Kenanga Sari, Erika, Nabila, Retno, Yoseph, Fajar,

terimakasih atas 40 harinya.

16. Keluarga besar Kosan Dzakki; Roviq, Catur, Ifan, Kak Aji, Eki, Beni, Rindi,

Jek, Mas Agung, dll. Terimakasih atas suka dukanya selama tinggal bersama.

17. Mbah, Om Is, Om Amin, Babah Ulan, serta keluarga besar yang telah

memberikan suport berupa nasihat, dukungan, dan finansial selama penulis

kuliah.

18. Risma Purnama Sari yang telah menemani penulis dalam susah maupun

senang, suka dan duka, berbagi kisah sejak masa perkuliahan. Dukungan

dalam segala hal, canda tawa yang mungkin tak pernah ada jika tidak

bertemu.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini.

Penulis mengharapkan kritik dan saran konstruktif dari semua pihak demi kemajuan

bersama. Penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Bandarlampung, Desember 2018

M. Mas Ruri Yusuf

iv

DAFTAR ISI

SANWACANA ........................................................................................................ i

DAFTAR ISI .......................................................................................................... iv

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. vi

DAFTAR TABEL ................................................................................................. vii

BAB I. PENDAHULUAN .................................................................................... 1

1.1. Latar Belakang.......................................................................................... 1

1.2. Tujuan Penelitian ...................................................................................... 3

1.3. Perumusan Masalah .................................................................................. 4

1.4. Batasan Masalah ....................................................................................... 4

1.5. Manfaat Penelitian .................................................................................... 5

1.6. Hipotesis ................................................................................................... 5

1.7. Sistematika Penulisan ............................................................................... 6

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 7

2.1. Smart Grid ................................................................................................ 7

2.1.1. Smart Grid Emulator ....................................................................... 10

2.2. Load Emulator ........................................................................................ 12

2.3. Pengendalian dan Pemantauan Load Emulator ...................................... 14

2.3.1. Arduino Mega 2560 ........................................................................ 15

2.3.2. GUI LabVIEW ................................................................................ 17

2.4. Jenis Beban Pada Sistem Tenaga Listrik ................................................ 19

2.5. Hubungan Pembebanan terhadap Profil Daya ........................................ 21

BAB III. METODE PENELITIAN ....................................................................... 26

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................ 26

3.2. Alat dan Bahan ....................................................................................... 27

3.3. Tahapan Penelitian ................................................................................. 27

3.3.1. Studi Literatur ................................................................................. 28

3.3.2. Konsep Perancangan Sistem ........................................................... 29

3.3.3. Perancangan Sistem ........................................................................ 29

v

3.3.4. Pengujian Perangkat Sistem ............................................................ 30

3.3.5. Analisis Data dan Kesimpulan ........................................................ 31

3.3.6. Penulisan Laporan ........................................................................... 31

3.4. Spesifikasi Perancangan Sistem ............................................................. 31

3.4.1. Spesifikasi Teknis Perancangan ...................................................... 31

3.4.2. Perancangan Model Sistem ............................................................. 37

3.4.3. Perancangan Kerja Sistem............................................................... 38

3.5. Skenario Penelitian ................................................................................. 40

3.6. Hasil Yang Diharapkan .......................................................................... 41

BAB IV. KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 42

5.1. Kesimpulan ............................................................................................. 42

5.2. Saran ....................................................................................................... 43

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 44

vi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Sistem Smart Grid (www.smartgridindonesia.com) ................... 8

Gambar 2.2. Desain Sistem Emulator Smart Grid ........................................... 11

Gambar 2.3. Arduino Mega 2560 (arduino.cc) ................................................ 16

Gambar 2.4. Tampilan Labview, (a) front panel, dan (b) block diagram ........ 18

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian ................................................................ 28

Gambar 3.2. Diagram alir perancangan sistem ................................................ 30

Gambar 3.3. Keterangan pin arduino mega 2560 ............................................ 32

Gambar 3.4. Relay module 8 channel .............................................................. 33

Gambar 3.5. Sensor arus ACS712, (a) Tampilan fisik dan (b) Rangkaian

IC .......................................................................... 34

Gambar 3.6. Sensor tegangan ZMPT101B, (a) Tampilan fisik dan

(b) Rangkaian penggunaan sensor .............................................. 35

Gambar 3.7. RTC Data Logger Module........................................................... 35

Gambar 3.8. Tampilan Software Arduino 1.8.5 ............................................... 36

Gambar 3.9. Blok Diagram Perancangan Alat ................................................. 37

Gambar 3.10. Skematik Diagram Kerja Sistem ............................................... 39

Gambar 3.11. Diagram alir perancangan kerja sistem (a) manual,

(b) otomatis .......................................................................... 39

Gambar 3.12. Rangkaian Pembebanan ............................................................ 40

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Spesifikasi Arduino Mega 2560 ...................................................... 16

Tabel 3.1. Penjadwalan Aktifitas Penelitian .................................................... 26

Tabel 3.2. Spesifikasi sensor arus ACS712 ..................................................... 34

1

BAB I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Energi listrik merupakan salah satu aspek yang mendasar dalam kehidupan saat ini,

baik untuk kebutuhan harian dan kebutuhan pendukung lainnya. Setiap peralatan

listrik menjadi alat yang mempermudah kehidupan manusia, sehingga sistem

tenaga listrik perlu untuk diperhatikan dan dipelihara baik dari aspek keandalan dan

keamanannya. Salah satu permasalahan dalam sistem tenaga listrik adalah

meningkatnya kebutuhan beban. Semakin berkembangnya teknologi

mengakibatkan kebutuhan beban meningkat, sehingga perlu diimbangi dengan

penyediaan daya listrik yang dibangkitkan. Perkembangan penyediaan daya listrik

saat ini mulai menggunakan energi listrik terbarukan (cahaya matahari, dan angin)

sebagai salah satu penyelesaian masalah kebutuhan beban. Pembangkit energi

terbarukan tersebut terhubung dengan pembangkit konvensional lainnya (PLTU,

PLTD, dan PLTA) dalam suatu jaringan interkoneksi yang disebut dengan sistem

SmartGrid.

Pada sistem SmartGrid tidak menutup kemungkinan terjadinya pelepasan

pembangkit dari sistem yang mengakibatkan terjadinya penurunan frekuensi dari

nilai nominalnya. Hal tersebut disebabkan akibat kondisi kebutuhan beban yang

bervariasi, diantaranya adalah terjadinya beban puncak pada waktu tertentu

2

sehingga perbandingan antara pembangkitan dan pemakaian tidak seimbang yang

dapat mengakibatkan frekuensi pada beban menurun. Kondisi perubahan beban

yang bervariasi ini dapat menimbulkan harmonisa pada sistem, serta

mengakibatkan undervoltage dan underfrequency, sehingga jika tidak segera

diantisipasi menyebabkan blackout, maka diperlukan adanya analisa khusus untuk

pembebanan pada sistem SmartGrid.

Analisa pada pembebanan sistem SmartGrid dapat dilakukan dengan membuat

beban tiruan seperti profil beban real-time pada sistem tenaga listrik, beban tiruan

tersebut disebut juga dengan Load Emulator. Dengan adanya beban tiruan yang

dibuat maka sistem tenaga listrik dapat disimulasikan dan diemulasikan

berdasarkan keadaan yang dinginkan dengan parameter sebenarnya, sehingga dapat

diperkirakan besar kebutuhan daya dan kemampuan sistem tersebut.

Pembuatan sistem emulator l ebih mengacu terhadap biaya dalam merealisaikan

sistem smart grid sesungguhnya yang memiliki biaya sangat mahal, sehingga

dibuatlah sistem tiruan yang dapat dipergunakan sebagai media dalam menganalisa

sistem smart grid sebenarnya dengan biaya yang murah dan lebih efisien.

Pengendalian beban tiruan dapat dilakukan menggunakan suatu mikrokontroler dan

sistem interface. Pada penelitian ini penulis menggunakan mikrokontroler berupa

Arduino Mega 2560, serta menggunakan sistem GUI yang dikembangkan oleh

Labview.

Penelitian mengenai load emulator sudah mulai berkembang, namun masih

cenderung menggunakan biaya yang cukup mahal dalam pembuatannya. Sehingga

penelitian ini diharapkan mendapatkan hasil yang memiliki kualitas yang sama

3

namun dengan biaya pembuatan yang lebih murah. Penelitian-penelitian

sebelumnya yang telah dilakukan berdasarkan jurnal terbitan IEEE adalah sebagai

berikut:

1. Design and implementation of a two-stage grid-connected high efficiency power

load emulator, oleh Hadi Y. Kanaan.

2. Real-time load emulator for implementation of smart meter data for operational

planning, oleh Ahmed A. Mohamed.

3. Real-time electrical load emulator using optimal feedback control technique,

Electrical load emulator for unbalanced loads and with power regeneration,

oleh Y. Srinivasa Rao.

4. One cycle controlled three-phase load emulator, oleh K. Smedley.

5. Research on AC electronic load based on back to back single-phase PWM

rectifiers, oleh F. Li.

6. Z-source converter-based feedback type electronic load, oleh Xupeng Fang.

7. Design and implementation of AC/DC active power load emulator, oleh Ahmed

Elsayed.

1.2. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Mendesain dan mengimplemetasikan Load Emulator berdasarkan sistem

SmartGrid.

2. Melakukan pengendalian Load Emulator dengan Embedded system.

4

3. Mengetahui pengaruh perubahan beban terhadap profil daya pada Load

Emulator.

4. Meniru karakteristik daya aktif real time dari pola beban harian yang dapat

digunakan dalam pengujian algoritma manajemen daya.

1.3. Perumusan Masalah

Masalah beban puncak pada waktu tertentu pada sistem smart grid memerlukan

analisa khusus, namun sistem smart grid memiliki biaya yang mahal dalam

merealisasikannya, sehingga diperlukan sistem tiruan yang dapat digunakan dalam

analisa sistem smart grid sebenarnya, maka dibuatlah smart grid emulator.

Dalam penganalisaan beban dalam sistem tiruan tersebut terdapat load emulator

yang dapat digunakan sebagai kontrol dan monitoring beban tiruan. Sehingga dapat

mengatur besar pembebanan dan memantau kinerja sistem pembebanan.

Penggunaan mikrokontroler arduino untuk mengontrol sistem dan GUI labview

digunakan untuk memantau kinerja sistem Load Emulator. Sehingga dapat

mengetahui pengaruh perubahan jenis beban terhadap profil daya pada sistem.

1.4. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Load Emulator yang dibuat merupakan beban tiruan untuk sistem tenaga listrik

bolak-balik (AC) 1 Phasa.

2. Menggunakan sensor arus tipe ACS712 dan sensor tegangan ZMPT101B.

5

3. Menggunakan beban yang memiliki arus tidak lebih dari 4A.

4. Tidak membahas harmonisa pada Load Emulator, hanya membahas pengaruh

pembebanan terhadap profil daya pada sistem.

1.5. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang akan didapat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Memahami tentang Load Emulator sebagai beban tiruan pada sistem

SmartGrid.

2. Memahami penggunaan Arduino dan Labview sebagai pengendali dan

pemantauan sistem pembebanan Load Emulator yang berbasis embedded

system.

3. Mengetahui perancangan load emulator dengan biaya yang relatif murah.

4. Mengetahui pengaruh pembebanan yang bervariasi terhadap profil daya pada

sistem tenaga listrik.

5. Dapat menjadi referensi/acuan dalam riset maupun perealisasian sistem

pembebanan pada sistem smart grid.

1.6. Hipotesis

Rancangan Load Emulator pada penelitian ini mengacu pada prinsip pengendalian

dan pemantauan pembebanan sistem tenaga listrik SmartGrid. Load Emulator ini

terdiri dari dua sistem berupa Software dan Hardware, pemantauan sistem

pembebanan menggunakan Graphical User Interface pada Labview, dan

pengendalian pembebanan menggunakan mikrokontroler Arduino Mega 2560.

6

1.7. Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan yang digunakan pada penelitian ini sebagai berikut :

BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penelitian, perumusan

masalah, batasan masalah, manfaat penelitian, hipotesis serta sistematika penulisan.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisikan tentang teori pendukung berupa sistem smart grid, load emulator,

jenis beban, dan embedded system yang diambil dari berbagai sumber ilmiah yang

digunakan dalam penulisan penelitian tugas akhir ini.

BAB III. METODE PENELITIAN

Bab ini berisikan tentang waktu dan tempat penelitian, alat dan bahan, metode serta

perancangan dan diagram penelitian yang digunakan dalam menyelesaikan

penelitian tugas akhir ini.

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini membahas tentang hasil dari penelitian berupa data hasil, pengujian alat,

kemampuan alat untuk meniru pola beban harian, dan pengujian beban.

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

Bab terakhir ini berisi kesimpulan dan saran setelah melakukan penelitian dan

berdasarkan dari hasil dan pembahasan yang telah dianalisis.

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

7

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Smart Grid

Smart Grid (Jaringan Cerdas) merupakan jaringan listrik yang menggunakan

teknologi komunikasi dan informasi untuk pengoprasiannya dan bertindak

berdasarkan informasi, seperti sebuah informasi tentang reaksi atau tindakan dari

penyedia dan konsumen, digunakan secara otomatis untuk meningkatkan efisiensi,

keandalan, ekonomi, dan keberlanjutan pembangkitan serta distribusi listrik.

Implementasi Smart Grid memerlukan pemecahan masalah yang menjadi tantangan

dalam penelitiannya, seperti respon permintaan, penetapan harga dinamis, integrasi

sumber daya terbarukan, pengendalian keamanan, penginderaan dan otomasi. Di

sisi lain, memvalidasi dan mengevaluasi gagasan baru dilingkungan laboratorium

memerlukan platform eksperimental yang bagus, baik berupa simulator perangkat

lunak dan emulator / testbed nyata [1].

Berdasarkan standar internasional IEC 61850 dan 61968, mendefinisikan

keseluruhan arsitektur Smart Grid dan karakteristiknya dapat diringkas sebagai

berikut [2]:

Self-Healing dengan cara mendeteksi dan respon langsung terhadap masalah

sistem serta melakukan pemulihan.

Penyediaan kualitas daya yang tinggi kepada seluruh konsumen dan pelanggan

industri.

8

Mengakomodasi berbagai pilihan pembangkitan dalam skala lokal dan regional.

Pemberdayaan pelanggan dengan memperbolehkan melakukan manajemen

energi.

Toleransi serangan dengan kemapuan dapat tahan terhadap serangan fisik dan

cyber.

Mengoptimalkan aset dan efisiensi operasi.

Gambar 2.1. Sistem Smart Grid (www.smartgridindonesia.com)

Desain Smart Grid bertujuan untuk memberikan pemantauan sistem tenaga secara

keseluruhan, menciptakan strategi pengendalian untuk menjaga kinerja dan

keamanan sistem dan untuk mengurangi biaya operasi, pemeliharaan, dan

perencanaan ketersediaan sistem. Smart Grid Control memberi kita kemampuan

seperti: memprediksi perilaku sistem, operasi antisipasi dan adaptasi terhadap

lingkungan baru, penanganan sumber daya terdistribusi, permintaan stokastik dan

9

respon optimal terhadap peralatan cerdas. Smart Grid dianggap memiliki

pengamatan dengan semua node yang saling berhubungan dengan integrasi data

dan analisis untuk mendukung kemajuan dalam operasi dan kontrol sistem [3].

Sistem Smart Grid terdiri dari sistem pembangkitan, sistem transmisi, sistem

distribusi, dan konsumsi daya listrik. Setiap bagian sistem memiliki konfigurasi

tersendiri yang saling terhubung dalam grid, pada grid tersebut terdapat dua bagian

berupa grid kontrol dan grid aplikasi yang berfungsi untuk proses transfer informasi

berupa analisa data besar dan integrasi IT. Grid kontrol terhubung dengan sistem

proteksi dan berfungsi secara otomatis, sedangkan grid aplikasi terhubung dengan

smart meter dan berfungsi berdasarkan komunikasi. Analisa data besar dan integrasi

IT diproses dalam sistem EMS (Energy Management System), DMS (Distribution

Management System), ADMS (Advanced Distribution Management System), dan

Microgrid yang selanjutnya dapat dipantau dan diukur dengan menggunakan sensor

dan power quality. Sistem smart grid ini terhubung dengan pengontrol berupa PLC

(Programmable Logic Controller) dan antarmuka menggunakan SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition).

Teknologi Smart Grid dapat digunakan menjadi solusi produktivitas penyediaan

tenaga listrik dari energi terbarukan karena dapat menyediakan power supply dari

local energy resources, pengembangan sistem dan integrasi pembangkit listrik,

serta interkoneksi antara sistem terisolasi dan hybrid dapat dilakukan, sehingga

pemanfaatan energi terbarukan menjadi optimal dan efisien [4].

10

2.1.1. Smart Grid Emulator

Smart Grid Emulator merupakan suatu prototipe atau tiruan dari sistem smart grid

yang berguna untuk analisa dari keadaan nyata berupa simulasi, emulasi, maupun

testbed. Dalam penerapan sistem smart grid perlu dipertimbangkan untuk

kelayakan dan kemungkinan sistem dapat bekerja dengan baik, sehingga perlu

dilakukan penelitian terlebih dahulu. Smart grid emulator / testbed juga dapat

secara langsung digunakan untuk pembelajaran mengenai sistem smart grid.

Smart grid emulator / testbed terdiri dari sistem smart grid emulator, hardware,

software, topology jaringan, dan HMI (Human Machine Interface). Sistem smart

grid emulator bekerja secara real-time dan dapat diatur berdasarkan nilai tertentu

terhadap setiap bagian sistem. Desain sistem smart grid emulator terdiri dari

beberapa bagian sistem yang berfungsi seperti layaknya smart grid sebenarnya yaitu

model pembangkitan (emulator PV/Solar cell, emulator Wind Turbin, dan

Controllable Prime Mover), model grid (transmisi dan bus), model beban (emulator

beban AC, dan emulator beban DC), dan syncronizer model (generator dipasang

paralel atau baterai) yang digunakan untuk menyamakan tegangan dan frekuensi

sistem apabila terjadi pergeseran tegangan dan frekuensi [3]. Berikut ini terlampir

desain skema sistem smart grid emulator pada gambar 2.2.

11

Gambar 2.2. Desain Sistem Emulator Smart Grid

Selain dari model sistem tiruan smart grid, terdapat sistem lain yang diperlukan

dalam emulator smart grid yaitu DC-DC konverter sebagai alat konversi tegangan

DC dengan nilai tertentu, AC-AC konverter sebagai alat konversi tegangan AC

dengan nilai tertentu, DC-AC konverter (Inverter) sebagai alat konversi tegangan

DC ke AC, AC-DC konverter (Rectifier) sebagai penyearah atau alat konversi

tegangan AC ke DC, measuring point sebagai titik pengukuran dilakukan

(pengukuran berupa arus, tegangan, daya), serta interface untuk monitoring

keadaan sistem, proteksi untuk keamanan sistem, dan kontrol untuk pengendalian

sistem.

12

2.2. Load Emulator

Load Emulator merupakan beban tiruan yang dibuat untuk meniru profil beban

yang ada pada sistem smart grid. Load emulator didasarkan pada konverter yang

dikontrol PWM untuk meniru daya reaktif dan konverter DC-DC tambahan untuk

meniru daya aktif. Load Emulator terbagi menjadi 2 bagian berupa emulator beban

AC, dan emulator beban DC. Pada emulator beban AC terdiri atas beban aktif serta

beban reaktif 1 fasa dan 3 fasa yang dapat bekerja secara steady-state (tetap)

maupun continuous (bervariasi). Pada beban AC 3 fasa dapat menggunakan motor

induksi tiga fasa yang diatur suplai tegangan dan arusnya sehingga menghasilkan

beban yang bervariasi. Pada beban AC 1 fasa dapat menggunakan beban aktif

dengan nilai resistansi tertentu yang bervariasi maupun beban pasif dengan

menggunakan induktor dan kapasitor sebagai variasi lain, serta beban reaktif

dengan menggunakan beban motor yang divariasikan kecepatan putar akibat

pengaruh beban. Pada beban DC dapat menggunakan beban resistif, beban berputar,

dan beban elektronik dengan memvariasikan besar tegangan masukan yang

digunakan. Dari sekian banyak beban, tidak semua beban dapat digunakan

bersamaan pada sumber AC/DC, dengan mempertimbangkan nilai harga setiap

komponen yang digunakan untuk membuat sebuah load emulator yang memiliki

konverter elektronika daya mahal yang memerlukan algoritma kontrol yang rumit,

dengan prinsip switching dapat memecahkan masalah tersebut untuk mendapatkan

load emulator yang fleksibel, sederhana, kuat dan murah. Meskipun, teknik ini

memberikan emulasi beban yang akurat, emulator beban ini bisa menjadi sumber

harmonisa karena perpindahan daya elektronik yang cepat [5].

13

Tujuan utama dari emulasi beban adalah merancang antarmuka daya untuk beban

listrik sebenarnya. Oleh karena itu, perilaku emulator beban harus mendekati beban

sebenarnya saat dihubungkan ke catu daya. Emulasi beban adalah konsep

pengendalian konverter daya elektronik seperti Inverter Sumber Tegangan (VSI)

sedemikian rupa sehingga perilakunya menyerupai beban listrik seperti mesin

induksi. Simulasi real-time, prototyping cepat, teknologi hardware-in-loop (HIL)

yang digunakan untuk menguji desain kontrol. Emulator beban memiliki banyak

variasi dalam pengembangannya, salah satunya dapat memberikan karakteristik

beban yang berbeda dimana algoritma kontrol dan desain inverter dapat diuji

dengan harmonisa arus, model motor induksi, referensi tegangan PWM,

ketidakseimbangan beban setiap fasa pada sistem 3 fasa, dan daya aktif nonlinear

[6].

Load emulator dapat digunakan untuk menganalisa manajemen energi real time

atau dinamis yang biasa terjadi dalam mikrogrid atau pengaplikasian pada

kendaraan listrik yang mengakibatkan beban berdenyut. Pada permasalaham sistem

smart grid yang menggunakan pembangkit dengan energi baru terbarukan perlu

dilakukan analisa dengan load emulator untuk mengelola sisi permintaan dan

meningkatkan kinerja dari microgrid dan/atau mencapai operasi ekonomi yang

optimal pada sistem serta untuk penanganan masalah unit komitmen [7].

Penelitian mengenai load emulator telah dilakukan oleh beberapa peneliti antara

lain adalah Perancangan emulator beban AC yang didasarkan pada dua konverter

penyearah PWM satu fasa dengan siklus back-to-back dari berbagai jenis sumber

tegangan [13]. Perancangan emulator beban AC berdasarkan topologi konverter

daya AC-DC-AC dan konverter sumber-z dengan simulasi Matlab [14].

14

Perancangan emulator beban dengan menggunakan konverter elektronika daya

yang dapat dikontrol secara dinamis dan mampu melakukan pertukaran daya

bidirectional serta mampu meniru muatan listrik dengan menggunakan inverter

sumber tegangan yang terhubung dengan grid AC tiga fasa [15]. Perancangan

emulator beban AC tiga fasa yang dikendalikan menggunakan teknik siklus arus

one-cycle control yang menghasilkan sinyal switching frekuensi tinggi untuk

mengendalikan konverter AC/DC bidirectional [16]. Perancangan dan

implementasi emulator beban terprogram yang memiliki kemampuan untuk meniru

beban aktif-reaktif dengan perbandingan antara daya dan waktu dengan data

berdasarkan hasil pengukuran menggunakan smart meter secara real-time [17].

Pengembangan emulator beban dengan tenaga regeneratif dua tahap dimana unit

konverter daya terhubung dengan grid yang memproses konversi AC-DC sehingga

dapat diketahui stabilitas interkoneksi sistem tersebut [18]. Perancangan dan

implementasi emulator beban AC/DC aktif yang dapat diprogram serta memiliki

kemampuan untuk meniru daya aktif yang sangat beragam dengan kemampuan

untuk mengubah daya untuk menghasilkan beban yang fleksibel menggunakan GUI

Labview - NI PCI6025E [5].

2.3. Pengendalian dan Pemantauan Load Emulator

Pengendalian dan pemantauan load emulator perlu dilakukan untuk mengetahui

kerja sistem dan kondisi aktual dari load emulator. Layaknya sistem smart grid

sebenarnya yang menggunakan PLC dan SCADA untuk pengendalian dan

pemantauan dari setiap sistemnya, pada emulator pengendalian dilakukan dengan

mikrokontroler dan pemantauan dilakukan dengan labview. Mikrokontroler yang

15

dapat secara langsung terintegrasi dengan labview adalah NI series mikrokontroler

buatan National Instrument yang merupakan developer resmi labview. Namun,

terdapat beberapa mikrokontroler yang masih dapat digunakan bersamaan dengan

labview meskipun tidak dapat berfungsi dengan maksimum layaknya seperti NI

series, karena program didalam software labview lebih mengutamakan integrasi

dengan NI module, layaknya Citect SCADA dengan PLC Schneider Electric.

2.3.1. Arduino Mega 2560

Arduino mega 2560 adalah jenis mikrokontroler yang menggunakan chip

ATmega2560. Modul tersebut memiliki 54 digital input atau output. Dengan 14 pin

berfungsi untuk PWM output dan 16 pin berupa analog input, 4 pin sebagai UART,

power jack, ICSP header, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, dan tombol reset.

Arduino ini memiliki segala yang dibutuhkan dalam memprogram mikrokontroler

seperti kabel USB dan catu daya menggunakan adaptor atau baterai. Hal ini untuk

mendukung pemakaian mikrokontroler Arduino, hanya dengan terhubung ke

komputer menggunakan kabel USB atau adaptor dari AC ke DC atau baterai untuk

pemakaian. Arduino Mega juga kompatibel dengan shield yang dirancang untuk

kegunaan Arduino Duemilanove, Decimila ataupun UNO [8].

16

Gambar 2.3. Arduino Mega 2560 (arduino.cc)

Tabel 2.1. Spesifikasi Arduino Mega 2560

Microcontroller ATmega2560

Operating Voltage 5V

Input Voltage (recommended) 7-12V

Input Voltage (limit) 6-20V

Digital I/O Pins 54 (of which 15 provide PWM output)

Analog Input Pins 16

DC Current per I/O Pin 20 mA

DC Current for 3.3V Pin 50 mA

Flash Memory 256 KB of which 8 KB used by bootloader

SRAM 8 KB

EEPROM 4 KB

Clock Speed 16 MHz

LED_BUILTIN 13

Length 101.52 mm

Width 53.3 mm

Weight 37 g

17

Arduino memiliki kemampuan untuk terintegrasi terhadap Labview dengan

melakukan upload source code LIFA (Labview Interface For Arduino) Base pada

board mikrokontroler arduino.

2.3.2. GUI LabVIEW

Labview adalah perangkat lunak rekayasa sistem untuk aplikasi yang memerlukan

pengujian, pengukuran, dan kontrol dengan akses kemampuan yang cepat terhadap

perangkat keras dan data. Labview dapat digunakan sebagai GUI (Graphical User

Interface) pada sistem smart grid emulator dengan menggunakan mikrokontroler

arduino dengan menambahkan program NI VISA dan LIFA yang dapat didownload

pada VI Package Manager.

Labview merupakan sebuah software pemprograman yang diproduksi oleh

National instruments dengan konsep yang berbeda. Seperti bahasa pemograman

lainnya yaitu C++, Matlab, atau Visual basic. Labview juga mempunyai fungsi dan

peranan yang sama, namun memiliki perbedaan bahwa labview tidak menggunakan

bahasa pemrograman berbasis teks seperti program lainnya namun berbasis grafis

atau blok diagram. Program labview dikenal dengan sebutan Vi atau Virtual

instruments karena penampilan dan operasinya dapat meniru sebuah instrument.

Tampilan program pada labview terdiri dari dua bagian utama yaitu Front Panel

sebagai interface dan Block Diagram sebagai grafis program seperti pada gambar

2.4.

18

(a)

(b)

Gambar 2.4. Tampilan Labview, (a) front panel, dan (b) block diagram

Lingkungan pemrograman Labview menyederhanakan integrasi perangkat keras

untuk aplikasi teknik, sehingga user memiliki cara yang konsisten untuk

memperoleh data dari perangkat keras NI dan pihak ketiga. Labview mengurangi

kompleksitas pemrograman, sehingga user dapat fokus pada masalah teknik unik

tersendiri. Labview memungkinkan user untuk segera memvisualisasikan hasil

19

dengan built-in, pembuatan teknologi drag-and-drop engineering interface dan

penampil data terintegrasi. Untuk mengubah data yang user peroleh menjadi hasil

pekerjaan yang nyata, user dapat mengembangkan algoritma untuk analisis data dan

kontrol lanjutan dengan menyertakan perhitungan matematika dan pemrosesan

sinyal IP atau menggunakan kembali pustaka tersendiri dari berbagai alat. Untuk

memastikan kompatibilitas dengan alat teknik lainnya, Labview dapat melakukan

pengoprasian tersendiri dengan atau/dan menggunakan kembali perpustakaan dari

perangkat lunak dan bahasa open source lainnya [9].

2.4. Jenis Beban Pada Sistem Tenaga Listrik

Berikut merupakan jenis beban pada sistem tenaga listrik [10]:

1. Beban Resistif

Beban Resistif merupakan beban yang dihasilkan dari peralatan listrik yang

bersifat murni tahanan (resistor). Beban resistif memiliki karakteristik

menghalangi aliran listrik yang melewatinya sehingga mengakibatkan

terkonversinya energi listrik menjadi panas. Sehingga beban resistif tidak

akan mengubah karakteristik dari listrik yang digunakan.

2. Beban Reaktif

Beban Reaktif dibagi menjadi 2 yaitu :

a. Beban Induktif

Beban Induktif atau beban berupa lilitan kawat (kumparan) yang terdapat

pada peralatan listrik berupa trafo, motor, dan relay. Kumparan atau induktor

digunakan untuk menciptakan medan magnet sehingga memiliki sifat

20

menghalangi terjadinya perubahan nilai arus listrik. Maka, beban induktif

memiliki karakteristik lagging (arus tertinggal tegangan).

b. Beban Kapasitif

Beban kapasitif merupakan beban yang memiliki sifat menghalangi

terjadinya perubahan nilai tegangan listrik. Beban kapasitif atau kapasitor

akan menyimpan sementara dan melepaskan tegangan listrik sesuai dengan

kapasitasnya. Maka, beban kapasitif memiliki karakteristik leading (arus

mendahului tegangan).

3. Static Load

Beban static adalah beban yang memiliki karakteristik bernilai tetap

(intensitas, titik bekerja dan arah garis kerja) sehingga kapasitas daya dan

faktor daya tetap. Hal itu disebabkan oleh beban yang tidak terdiri dari banyak

motor listrik, sehingga tidak terlalu mempengaruhi tegangan sistem ketika

start.

4. Beban dinamis

Beban dinamis adalah beban yang memiliki karakteristik berubah-ubah

berdasarkan waktu. Seperti motor listrik yang memiliki karakter berbeda saat

start sehingga mempengaruhi kondisi sistem.

5. Lump Load

Lump load adalah jenis beban yang banyak mengandung motor listrik,

sehingga mempengaruhi sistem ketika start. Lump load terdiri atas gabungan

beban static dan beban dinamis.

21

6. Constant Power

Constant Power adalah beban yang memiliki karakteristik daya yang disuplai

ke beban tetap konstan. Pada beban constant power, besar nilai daya aktif dan

daya reaktif tidak bergantung dengan variasi besarnya tegangan yang

digunakan beban tersebut.

7. Constant Current

Constant current adalah beban yang memiliki karakteristik besarnya arus

yang mengalir pada beban tetap konstan. Pada beban constant current, besar

nilai daya aktif dan daya reaktif akan berubah sesuai dengan perubahan

besarnya tegangan.

8. Constant Impedance

Constant impedance adalah beban yang memiliki karakteristik besarnya nilai

impedansi beban tetap konstan. Pada beban constant impedance, besar nilai

daya aktif dan daya reaktif akan berubah sesuai dengan perubahan kuadrat

besarnya tegangan.

2.5. Hubungan Pembebanan terhadap Profil Daya

Profil daya dipengaruhi oleh profil tegangan, frekuensi, dan sudut fasa. Perubahan

dalam pembebanan yang sangat cepat dapat mempengaruhi keadaan sistem karena

mengakibatkan adanya harmonisa yang mengganggu frekuensi sistem, serta adanya

perubahan nilai arus yang mengalir pada sistem yang akan mempengaruhi

perubahan tegangan sehingga dapat menyebabkan terjadinya pergeseran fasa.

Sehingga hubungan antara pembebanan terhadap profil daya apabila terjadi

22

perubahan beban maka akan mengubah profil daya yang ada pada sistem tenaga

listrik.

Profil daya dipengaruhi oleh profil tegangan dan arus yang ada pada sistem dimana

daya pada sistem tenaga listrik dibagi menjadi 3 yaitu:

1. Daya Aktif (P)

Daya aktif (Active Power) atau yang disebut juga dengan daya nyata merupakan

besarnya daya yang dibutuhkan oleh beban untuk dapat bekerja atau beroperasi.

Satuan daya ini dinyatakan dalam watt [11].

𝑃 = 𝑉. 𝐼 𝐶𝑜𝑠 𝜑 (2.1)

Dimana, P merupakan daya aktif, V (tegangan), I (arus), dan Cos φ (faktor daya).

2. Daya Reaktif (Q)

Daya Reaktif merupakan nilai daya yang timbul sebagai akibat adanya efek

induksi elektromagnetik oleh beban yang mempunyai nilai induktif . besarnya

daya reaktif dinyatakan dalam satuan Var [11].

𝑄 = 𝑉. 𝐼 𝑆𝑖𝑛 𝜑 (2.2)

Dimana, Q merupakan daya reaktif, V (tegangan), I (arus), dan Sin φ (anti faktor

daya).

3. Daya Semu (S)

Pada beban impedansi (Z), daya semu adalah daya yang terukur atau terbaca

pada alat ukur. Daya semu adalah penjumlahan daya aktif dan daya reaktif secara

vektoris. Satuan daya semu dinyatakan dengan VA [11].

23

𝑆 = 𝑉. 𝐼 (2.3)

Dimana, S merupakan daya semu, V (tegangan), dan I (arus).

Nilai profil tegangan dipengaruhi oleh beban, besaran tegangan dinyatakan dalam

Volt. Sehingga apabila nilai beban maka tegangan pun berubah, serta arus yang

mengalir dipengaruhi oleh beban tersebut [11].

𝑉 = 𝐼. 𝑅 (2.4)

Dimana, V merupakan tegangan, I (arus), dan R (hambatan / beban)

Pada sistem tenaga listrik terdapat prinsip keseimbangan, dimana jumlah daya yang

dibangkitkan harus sama dengan jumlah daya yang digunakan, yang ditulis seperti

persamaan (2.5) berikut ini:

𝑃𝑚 = 𝑃𝑒 (2.5)

Dimana Pm adalah daya mekanik dan Pe adalah daya elektrik

Apabila daya pada sistem mengalami perubahan, maka frekuensi pada sistem juga

akan mengalami perubahan, seperti persamaan berikut:

∆𝑃 = 𝑑𝜔

𝑑𝑡 𝐻𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 (2.6)

Namun, berdasarkan asumsi konservatif, efek dari governor dapat diabaikan

sehingga frekuensi dinamis dapat diuraikan pada persamaan (2.7) berikut:

𝑑𝜔

𝑑𝑡=

1

2𝐻𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 (𝑃𝑚 − 𝑃𝑒) (2.7)

Dimana 𝑑𝜔

𝑑𝑡 menunjukkan frekuensi anguler terhadap waktu, 𝐻𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 adalah inersia

konstan sistem, Pm adalah daya mekanik, Pe adalah daya elektrik. Dari persamaan

24

(2.7) diatas ω=2πf, frekuensi sistem akan berubah jika daya pada sistem tidak

seimbang [12].

Keseimbangan beban antar fasa diperlukan baik untuk pemerataan beban dan

keamaanan sistem sehingga meminimalkan perubahan yang diakibatkan oleh beban

penuh dan nilai arus pada fasa netral. Hal ini berguna karena penggunaan teknik

optimasi untuk menghasilkan sistem yang handal dan efisien. Sistem yang tidak

seimbang disebabkan oleh sumber tegangan yang tidak seimbang atau beban yang

tidak seimbang, hal tersebut yang membuat sudut antar fasa bergeser. Nilai

tegangan dan arus dapat dihitung pada setiap fasa untuk mengetahui perbedaan

sudut fasa [11].

Pada beban 3 fasa hubung Y (Wye)

𝐼𝑎 =𝑉𝑎𝑁

𝑍𝑎, 𝐼𝑏 =

𝑉𝑏𝑁

𝑍𝑏, 𝐼𝑐 =

𝑉𝑐𝑁

𝑍𝑐 (2.8)

Dimana, Ia merupakan arus pada fasa a, VaN merupakan tegangan fasa a terhadap

netral, dan Za merupakan impedansi atau beban pada fasa a, begitupun pada fasa

lainnya.

𝐼𝑛 = −(𝐼𝑎 + 𝐼𝑏 + 𝐼𝑐) (2.9)

Dimana, In merupakan arus pada netral, sedangkan Ia,b,c merupakan arus pada fasa

tersebut.

Pada beban 3 fasa hubung Δ (Delta)

𝐼𝐴𝐵 =𝑉𝐴𝐵

𝑍∆, 𝐼𝐵𝐶 =

𝑉𝐵𝐶

𝑍∆, 𝐼𝐶𝐴 =

𝑉𝐶𝐴

𝑍∆ (2.10)

25

Dimana, IAB merupakan arus antara fasa A dan B, VAB merupakan tegangan fasa A

terhadap fasa B, dan ZΔ merupakan impedansi atau beban hubung delta, begitupun

pada fasa lainnya.

𝐼𝑎 = 𝐼𝐴𝐵 − 𝐼𝐶𝐴, 𝐼𝑏 = 𝐼𝐵𝐶 − 𝐼𝐴𝐵 , 𝐼𝑐 = 𝐼𝐶𝐴 − 𝐼𝐵𝐶 (2.11)

Dimana, Ia merupakan arus pada fasa A, IAB merupakan arus antara fasa A dan B,

ICA merupakan arus antara fasa C dan A, begitupun pada fasa lainnya.

26

BAB III. METODE PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Januari 2018 – September 2018 di

Laboratorium Terpadu Teknik Elektro, Jurusan Teknik Elektro, Universitas

Lampung. Dengan penjadwalan aktifitas penelitian yang ditunjukkan pada Tabel

3.1. berikut ini.

Tabel 3.1. Penjadwalan Aktifitas Penelitian

No Kegiatan Des

2017

Jan

2018

Feb

2018

Mar-Apr

2018

Mei-Jun

2018

Jul-Agt

2018

Sep

2018

Nov

2018

1. Studi Literatur

2. Seminar Proposal

3. Pembuatan Simulasi

Load Emulator

4. Pembuatan Program

Labview/ Arduino

5. Perancangan Load

Emulator

6.

Pengujian Program

dan Perangkat Load

Emulator

7. Analisa Data dan

Pembahasan

8. Seminar Hasil

9. Komprehensif

27

3.2. Alat dan Bahan

Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Satu unit laptop dengan spesifikasi Intel Core I3, processor 1.7 Ghz, RAM 6

GB, dan sistem operasi Windows 10 Pro 64 bit sebagai media perancangan

program dan antarmuka.

2. Perangkat lunak NI LabVIEW 2016 sebagai program kontrol dan antarmuka.

3. Perangkat lunak Arduino 1.8.5 sebagai program untuk source code.

4. Perangkat lunak Matlab 2014a sebagain program simulasi.

5. Arduino Mega 2560 sebagai mikrokontroler.

6. Relay Module sebagai switch / pengontrol beban.

7. Sensor arus ACS712 sebagai pembaca nilai arus pada beban.

8. Sensor tegangan ZMPT101B sebagai pembaca nilai tegangan pada beban.

9. RTC, Datalogger Module sebagai penyimpan data.

3.3. Tahapan Penelitian

Adapun langkah kerja yang dilakukan untuk menyelesaikan penelitian tugas akhir

ini digambarkan dalam diagram alir pada gambar 3.1. Hal ini dilakukan untuk

memudahkan dalam proses penelitian sehingga dapat dikerjakan secara sistematis

dan terperinci.

28

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian

3.3.1. Studi Literatur

Pada tahapan ini dilakukan pengumpulan dan pencarian literatur dari berbagai

sumber baik skripsi, buku, jurnal dan makalah ilmiah serta, dilakukan kajian yang

berkaitan tentang desain dan implemetasi load emulator dan hal-hal yang berkaitan

dengan perancangan alat secara umum. Kajian yang dikhususkan merupakan load

emulator berbasis embedded system.

29

3.3.2. Konsep Perancangan Sistem

Pada tahapan ini dilakukan perencanaan atau konsep mengenai perancangan sistem

yang akan dibuat dengan melakukan beberapa hal sebagai berikut:

1. Pemilihan komponen untuk perancangan load emulator berupa

mikrokontroler arduino, relay, dan sensor yang sesuai dengan kebutuhan

sistem.

2. Penentuan sistem pembebanan yang akan digunakan dalam load emulator.

3. Referensi untuk pembuatan GUI pada Labview serta pengendalian relay dan

pembacaan sensor pada sistem.

3.3.3. Perancangan Sistem

Pada tahapan ini dilakukan perancangan sistem yang akan digunakan dalam

pembuatan alat. Tahapan-tahapan yang dilakukan untuk membuat sistem load

emulator berbasis embedded system, ditunjukan dengan diagram alir perancangan

sistem pada gambar 3.2. Hal ini dilakukan untuk memudahkan dalam perancangan

sistem sehingga dapat diselesaikan secara sistematis.

30

Gambar 3.2. Diagram alir perancangan sistem

3.3.4. Pengujian Perangkat Sistem

Pengujian perangkat sistem dilakukan berdasarkan perancangan yang telah dibuat.

Pengujian bertujuan untuk menguji rancangan sistem yang telah dibuat, apakah

telah sesuai dengan yang diharapkan atau belum, sehingga dapat mengetahui

kemampuan dari kerja sistem yang dibuat. Pengujian dilakukan pada masing-

masing tahapan, yaitu pengujian mikrokontroler (meliputi kontrol rele dan beban),

pengujian sensor, dan pengujian hasil interface.

31

3.3.5. Analisis Data dan Kesimpulan

Setelah pembuatan alat selesai, langkah selanjutnya merupakan pengambilan data

dan melakukan analisis data yang didapatkan baik dari pengujian perangkat sistem

dan hasil dari pengaruh perubahan beban. Proses analisa yang dilakukan agar

mengetahui kemampuan kerja sistem akibat pengaruh perubahan beban sehingga

didapatkan kesimpulan.

3.3.6. Penulisan Laporan

Dalam tahap ini dilakukan penulisan laporan dari data yang diperoleh dan telah

didapatkan analisa data serta kesimpulan. Berdasarkan data yang telah dianalisa dan

disimpulkan maka didapatkan saran yang berguna untuk penelitian selanjutnya.

3.4. Spesifikasi Perancangan Sistem

Spesifikasi perancangan sistem berdasarkan diagram alir gambar 3.2. Dalam hal

ini diperjelas dengan bagian-bagian yang menjadi penyusun penting dari sistem

yang akan dibuat yang terdiri dari, spesifikasi teknis perancangan, perancangan

model sistem, dan perancangan kerja sistem.

3.4.1. Spesifikasi Teknis Perancangan

Perancangan sistem load emulator yang akan dibuat berdasarkan spesifikasi alat

sebagai berikut:

32

1. Mikrokontroler

Arduino mega 2560 merupakan board arduino yang menggunakan chip

ATmega2560 yang merupakan perbaikan dari ATmega1280.

Gambar 3.3. Keterangan pin arduino mega 2560

Chip ATmega2560 menyediakan akses komunikasi dalam bentuk serial UART

TTL (5V) yang tersedia pada pin 0 (RX) dan pin 1 (TX). Chip ATmega16U2 yang

terdapat pada board berfungsi untuk menerjemahkan bentuk komunikasi melalui

USB dan akan tampil sebagai Virtual Port di komputer.

2. Relay Module

Relay module merupakan modul yang dapat digunakan untuk mengatur ataupun

mengendalikan berbagai perangkat listrik dengan arus yang besar. Relay module

dapat dikendalikan langsung dengan menggunakan mikrokontroler (Arduino).

33

Gambar 3.4. Relay module 8 channel

Modul relay ini merupakan jenis relay SPDT (Single Pole Double Throw): 1

Common, 1 NC (Normally Close), dan 1 NO (Normally Open). Relay ini memiliki

daya tahan hingga 10A dengan tegangan kerja 5VDC, dan arus kerja 15mA

sedangkan, tegangan untuk pembebanan hingga 250VAC serta 30VDC. Relay ini

memiliki variasi berdasarkan jumlah channel output sebanyak 1/2/4/6/8/16 channel.

3. Sensor Arus

Sensor arus digunakan untuk mengukur arus pada sistem, modul sensor yang

digunakan yaitu jenis sensor ACS712 yang merupakan suatu IC yang terpaket dapat

digunakan untuk menggantikan tansformator arus yang relatif besar dalam hal

ukuran bidangnya. Pada prinsipnya ACS712 memiliki kesamaan dengan sensor hall

effect lainnya yaitu dengan memanfaatkan medan magnetik disekitar arus

kemudian dikonversi menjadi tegangan yang linier dengan perubahan arus sehingga

dapat diketahui besar nilai arus sebenarnya berdasarkan kalibrasi yang digunakan.

Nilai variabel dari sensor merupakan input yang akan diolah oleh mikrokontroler.

34

(a) (b)

Gambar 3.5. Sensor arus ACS712, (a) Tampilan fisik dan (b) Rangkaian IC

Sensor arus ACS712 memiliki resistansi internal sebesar 1.2 mΩ dengan tegangan

kerja sebesar 5VDC, serta sensor ACS712 memiliki beberapa tipe tergantung

dengan sensitifitas sensor, adapun karakteristik sensor arus yang ada adalah sebagai

berikut:

Tabel 3.2. Spesifikasi sensor arus ACS712

Part Number TA (oC) Optimized Range, IP

(A)

Sensitivity, Sens

(Typ) (mV/A)

ACS712ELCTR-05B-T –40 to 85 ±5 185

ACS712ELCTR-20A-T –40 to 85 ±20 100

ACS712ELCTR-30A-T –40 to 85 ±30 66

4. Sensor Tegangan

Sensor tegangan digunakan untuk mengukur tegangan pada sistem, modul sensor

yang digunakan yaitu jenis sensor ZMPT101B yang merupakan sensor tegangan

yang dapat digunakan sebagai pengganti transformator tegangan untuk arus AC 1

fasa.

35

(a)

(b)

Gambar 3.6. Sensor tegangan ZMPT101B, (a) Tampilan fisik dan (b) Rangkaian

penggunaan sensor

Sensor tegangan ZMPT101B memiliki spesifikasi dengan masukan tegangan

sebesar 5 VDC, dan arus sebesar 2 mA, serta range optimal penggunaan 110-250

VAC. Kalibrasi sensor tegangan ini merujuk pada referensi kalibrasi menggunakan

regresi polinomial [19].

5. RTC Data Logger Module

Module RTC dan Data Logger digunakan untuk menyimpan data pengukuran

sensor berdasarkan waktu pengukuran atau dalam keadaan sebenarnya. Data

pengukuran disimpan dalam SD Card.

Gambar 3.7. RTC Data Logger Module

36

6. Software Arduino

Bahasa pemprograman arduino adalah bahasa C, tetapi bahasa ini sudah

dipermudah dengan menggunakan fungsi-fungsi yang sederhana. Untuk membuat

program arduino dan upload program ke dalam board arduino membutuhkan

software arduino IDE (Intergrated Development Environment) yang dapat di unduh

secara gratis melalui http://arduino.cc/en/Main/Software.

Gambar 3.8. Tampilan Software Arduino 1.8.5

Terdapat tiga bagian utama dari software arduino yaitu Editor program (sebuah

window yang memungkinkan pengguna untuk proses pembuatan program dalam

bahasa processing), Compiler (sebuah modul yang mengubah kode program dalam

bahasa processing menjadi kode biner), dan Uploader (sebuah modul yang memuat

kode biner dari komputer kedalam memori di board arduino).

37

7. Software Labview

Pemprograman pada labview menggunakan bahasa dalam bentuk grafis atau blok

diagram. Software labview dapat dihubungkan dengan arduino dengan

menggunakan LIFA. LIFA merupakan subVI dari labview yang digunakan agar

dapat dilakukan komunikasi serial antara labview dengan arduino. Software

labview dapat di unduh melalui http://www.ni.com/en-id/shop/labview.html. Untuk

penggunaan labview secara optimal menggunakan arduino dapat dilakukan dengan

menginstall NI VISA, NI LIFA, LINX, dan VIPM.

3.4.2. Perancangan Model Sistem

Perancangan model sistem dilakukan dengan pembuatan perangkat sistem.

perangkat sistem terdiri dari mikrokontroler arduino mega 2560, rele, sensor arus,

sensor tegangan, power supplay, dan rangkaian beban.

Gambar 3.9. Blok Diagram Perancangan Alat

38

3.4.3. Perancangan Kerja Sistem

Perancangan kerja sistem load emulator dalam penelitian ini secara garis besar

adalah pengontrolan beban dengan relay module, pembacaan sensor, pemrosesan

dan penampilan data melalui GUI labview. Tahapan perancangan kerja sistem

secara umum adalah sebagai berikut:

1. Pada sistem kontrol, Relay module akan dikontrol oleh mikrokontroler arduino

mega 2560 untuk perubahan beban yang terhubung ke power supply, sehingga

beban dapat berubah dengan kontrol relay.

2. Pada sistem monitoring, sensor akan mendeteksi arus dan tegangan di sistem

yang digunakan oleh beban menggunakan sensor arus ACS712 dan sensor

tegangan ZMPT101B, selanjutnya data diolah melalui arduino dan labview.

3. Pada sistem komunikasi, pengiriman data kontrol, arus, dan tegangan melalui

labview ke arduino maupun sebaliknya menggunakan LIFA.

4. Pada sistem processing, pengolahan data dilakukan oleh labview melalui sistem

kerja dari blok diagram yang dibuat.

5. Pada sistem interface, GUI Labview akan menampilkan data arus dan tegangan

dari pembebanan yang telah diatur sebelumnya.

6. Pada sistem penyimpanan data, data pada arduino akan dikirimkan ke micro SD

melalui rtc & datalogger module.

39

Gambar 3.10. Skematik Diagram Kerja Sistem

(a) (b)

Gambar 3.11. Diagram alir perancangan kerja sistem (a) manual, (b) otomatis

40

3.5. Skenario Penelitian

Pada penelitian ini dilakukan skenario percobaan untuk mendapatkan data hasil

yang menyatakan perubahan beban mempengaruhi profil daya. Perubahan variasi

beban dikontrol menggunakan relay module dan hasil dari perubahan beban

mengakibatkan perubahan profil tegangan dan arus pada sistem yang dideteksi

dengan sensor. Hal tersebut dapat dilihat melalui grafik pada GUI Labview.

Labview digunakan untuk mendapat variasi relay yang dapat digunakan karena

lebih mudah dalam pengoprasian, namun pada penggunaan load emulator

berdasarkan waktu dan besar nilai yang ditentukan tidak lagi menggunakan labview

akibat dari komunikasi yang bertabrakan disebabkan multitasking pada kedua

program tersebut, sehingga hanya menggunakan program pada arduino.

Penelitian dilakukan dengan menginputkan data pada arduino untuk mendapatkan

plot dari kurva pola beban harian, membandingkan emulator dan simulasi, serta

penentuan karakteristik beban berdasarkan pengujian emulator.

Gambar 3.12. Rangkaian Pembebanan

41

Rangkain pembebanan disusun seperti rangkaian pada gambar 3.11 bertujuan untuk

mendapatkan variasi susunan rangkaian beban yang bervariasi berdasarkan kondisi

penyaklaran oleh relay yang dikontrol. Kondisi perubahan mencapai 11 digit biner,

namun tidak semua variasi dapat digunakan karena mempertimbangkan prinsip

aliran aru yang akan lebih memilih mengalir melalui beban yang lebih kecil hingga

arus balik ataupun tanpa beban sehingga dapat menyebabkan shortcircuit.

3.6. Hasil Yang Diharapkan

Hasil akhir yang diharapkan dari penelitian ini yaitu dapat mendesain dan

mengimplementasikan load emulator dengan biaya yang relatif murah, dapat

menganalisa dan mengetahui pengaruh perubahan beban yang telah diatur terhadap

profil daya pada sistem load emulator. Serta seluruh sistem bekerja sebagaimana

mestinya.

42

BAB IV. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan data hasil dan pembahasan load emulator yang dirancang, didapatkan

kesimpulan sebagai berikut:

1. Pembebanan pada load emulator diatur secara otomatis dengan menggunakan

embedded system sehingga merepresentasikan pembebanan pada sistem smart

grid.

2. Load emulator yang dirancang dapat digunakan untuk meniru sistem

pembebanan berdasarkan pola beban harian yang menjadi acuan dengan skala

yang diperkecil.

3. Berdasarkan beban yang terpasang, load emulator dapat menggunakan beban

terbesar senilai 1385.89 Watt dan beban terkecil senilai 10.70 Watt.

4. Pengukuran sensor dibandingkan dengan multimeter, didapatkan galat sensor

tegangan senilai 0,14% dan galat sensor arus senilai 1.4%, sehingga pengukuran

termasuk dalam alat ukur kerja.

43

5.2. Saran

1. Tugas akhir ini dapat dikembangkan untuk pembahasan pembebanan yang

bersifat transien atau beban berupa impuls sesaat, load sheding, serta

konfigurasi jaringan otomatis.

2. Diperlukan hardware yang lebih compatible dengan labview apabila sistem

kontrol variasi relay ingin melalui GUI.

3. Diperlukannya filterisasi data otomatis karena terdapat harmonik akibat

penggunaan switch.

DAFTAR PUSTAKA

[1] S. Tan, "SCORE : Smart-Grid Common Open Research Emulator," IEEE

SmartGridComm 2012 Symposium - Performance Analysis and Simulation,

pp. 282-287, 2012.

[2] Momoh, J.A.; “Smart grid design for efficient and flexible power networks

operation and control”, In Proc. IEEE Power Systems Conference and

Exposition, pp 1-8, 2009.

[3] V. Salehi, "Design and Implementation of Laboratory-Based Smart Power

System," American Society for Engineering Education, 2011.

[4] T. S. G. d. D. E. PT PLN, "PLN ’ s Smart Grid Planning & Implementation :

Challenges & Opportunities," in 2nd PJCI National Conference, Jakarta,

2017.

[5] A. Elsayed, "Design and Implementation of AC / DC Active Power Load

Emulator," IEEE, pp. 1-5, 2015.

[6] Y. S. Rao, "Real-Time Electrical Load Emulator Using Optimal Feedback

Control Technique," IEEE, vol. 57, no. 4, pp. 1217-1225, 2010.

[7] A. Mohamed, "Real-Time Energy Management Algorithm for Mitigation of

Pulse Loads in Hybrid Microgrids," IEEE, vol. 3, no. 4, pp. 1911-1922, 2012.

[8] Arduino, “Arduino Mega 2560 Rev3,” 17 Desember 2017,

https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega.

[9] National Instrument, “LabVIEW,” 17 Desember 2017,

http://www.ni.com/en-id/shop/labview/buy-labview.html.

[10] K. Linden, “Modelling of Load Devices and Studying Load/System

Characteristics,” Chalmers University of Technology, Goteborg, 1993.

[11] M. n. o. S. Charles K. Alexander, Fundamentals of Electric Circuits, New

York: The McGraw-Hill Companies, Inc., 2009.

[12] P. M. A. dan M. M. , “A low-order system frequency,” IEEE Transactions on

Power Systems, vol. 5, no. 4, pp. 720-729, August 1990.

[13] F. Li, "Research on AC Electronic Load Based on back to back Single-phase

PWM Rectifiers," IEEE, no. 3, pp. 630-634, 2008.

[14] X. Fang, "Z-Source Converter-Based Feedback Type Electronic," IEEE, no.

20090461254, pp. 189-192, 2010.

[15] Y. S. Rao, "Electrical Load Emulator for Unbalanced Loads and with Power

Regeneration," IEEE, 2012.

[16] K. Smedley, "One Cycle Controlled Three-Phase Load Emulator," IEEE, pp.

2035-2039, 2011.

[17] A. A. Mohamed, "Real – Time Load Emulator for Implementation of Smart

Meter Data for Operational Planning," IEEE, no. 2, pp. 1-6, 2012.

[18] H. Y. Kanaan, "Design and Implementation of a Two-Stage Load Emulator,"

IEEE, vol. 29, no. 8, pp. 3997-4006, 2014.

[19] I. Abubakar, "Calibration Of Zmpt101b Voltage Sensor Module Using

Polynomial Regression For Accurate Load Monitoring," ARPN Journal, vol.

12, no. 4, pp. 1076-1084, 2017.