RANCANG BANGUN REMOTE TERMINAL UNIT SISTEM SCADA UNTUK SIMULATOR GARDU DISTRIBUSI TENAGA LISRIK BERBASIS

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN REMOTE TERMINAL UNIT SISTEM SCADA UNTUK SIMULATOR GARDU DISTRIBUSI TENAGA LISRIK BERBASIS ATMEGA 16 DENGAN WIRELESS LAN Teguh Afandi, Kartono Wijayanto (1), Budi Setiadi (2) Laboratorium Otomasi Sistem Tenaga Listrik Program Studi Teknik Listrik Jurusan Elektro Politeknik Negeri Bandung ABSTRAK Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) merupakan sebuah sistem yang dapat digunakan untuk mengawasi, mengontrol, dan merekam data dari sebuah objek yang diinginkan (plant). Dalam dunia kelistrikan, sistem SCADA dapat digunakan dalam berbagai bidang, diantaranya pada sistem transmisi, distribusi, bahkan pada pembangkit. Fungsi SCADA sendiri yaitu sebagai media telemetering, telesignalling sangat dibutuhkan oleh sistem distribusi untuk memperkecil downtime apabila terjadi gangguan. Hal ini dikarenakan bila terjadi gangguan di salah satu gardu distribusi, maka recovery bisa dilakukan secara otomatis di kantor pusat, dan tanpa ada petugas yang harus datang menuju gardu yang rusak tersebut. Selain itu, pembacaan parameter listrik juga dapat langsung dibaca secara realtime oleh operator di ruang kontrol. Pada tugas akhir ini, akan disimulasikan implementasi penggunaan sistem SCADA pada jaringan distribusi listrik. RTU yang dipasang pada simulator gardu distribus 3 fasa (plant) berupa sistem kontrol yang menggunakan ATMega16 sebagai pengolahnya. Plant tersebut menggunakan transformator step down 220V/12V 1A sebagai transformator daya, transformator pengukuran pada sisi primer dan sekunder, relay 220VAC sebagai CB primer, relay 12VAC sebagai CB sekunder dan dua belas buah lampu 12V/3W sebagai simulator beban. Plant dapat mengirimkan data parameter listrik berupa tegangan, arus, frekuensi dan cos φ dari masing-masing fasa kepada MTU melalui komunikasi wireless LAN. Disisi lain, MTU dibolehkan untuk dapat menyimpan sekaligus mengontrol plant untuk membuka atau menutup sakelar pemutus tenaga (CB) yang terdapat di plant melalui komunikasi wireless LAN. Hasilnya simulator RTU sistem SCADA berhasil dibuat dan pembacaan parameter berupa arus, tegangan, frekuensi dan cos φ bisa dikirimkan kepada MTU melalui komunikasi wireless LAN dengan sedikit modifikasi. Kata Kunci : SCADA, Remote Terminal Unit, Komunikasi Wireless LAN I. Pendahuluan Dengan semakin berkembangnya kebutuhan tenaga listrik, maka harus dibangun sebuah jaringan distribusi yang jumlahnya semakin banyak. Dengan semakin banyaknya jaringan distribusi maka diperluan pengontrolan yang lebih baik, yang tentunya diimbangi dengan kebutuhan tenaga operator (dispatcher) yang semakin banyak dan dipastikan akan memunculkan berbagai masalah koordinasi pada sistem tenaga listrik. Berbagai kenyataan dan permasalahan tersebut perlu diantisipasi dengan baik, dengan cara melakukan pengamatan dan maintenance sistem tenaga listrik tersebut. Dalam aplikasinya sistem SCADA banyak dipakai di bidang pembangkit atau distribusi listrik maupun di dunia industri dengan berbagai media komunikasi, maka penulis melakukan penelitian terhadap sistem SCADA dengan melakukan

2 perancangan simulator Remote Terminal Unit (RTU) sistem SCADA pada gardu distribusi tenaga listrik berbasis ATMega 16 dengan media komunikasi Wireless LAN. II. Landasan Teori Pengertian SCADA SCADA Singkatan dari Supervisory Control and Data Acquisition merupakan sebuah sistem yang mengumpulkan informasi atau data-data dari lapangan dan kemudian mengirimkannya ke sebuah komputer pusat yang akan mengatur, mengolah mengontrol data-data tersebut. Sistem SCADA digunakan dalam berbagai industri dan sistem proses, khususnya dalam bidang ketenagalistrikan. Sistem SCADA diperlukan untuk menangani suatu sistem plant dengan melakukan pengendalian, pengawasan, penandaan, perekaman dan pengambilan data dengan tingkat kompleksitas yang tinggi bahkan bisa menangani hingga ratusan ribu I/O secara terpusat. Gambar 1. Konfigurasi sistem SCADA Sebuah sistem SCADA terdiri dari Master Terminal Unit (MTU), Human Machine Interface (HMI), Front End Processor (FEP), Media Komunikasi Data, Remote Terminal Unit (RTU) dan plant. Semua itu menjadi satu sistem, istilah SCADA merujuk pada sistem pusat keseluruhan. Sistem pusat ini biasanya melakukan pemantauan data-data dari berbagai macam sensor di lapangan atau bahkan dari tempat yang lebih jauh. a. SCADA Pada Sistem Tenaga Listrik Fasilitas SCADA diperlukan untuk melaksanakan pengusahaan tenaga listrik terutama pengendalian operasi secara realtime. Suatu sistem SCADA terdiri dari sejumlah RTU, sebuah MTU, dan jaringan telekomunikasi data antara RTU dan Room Control Centre (RCC). RTU dipasang di setiap Gardu Induk atau Pusat Pembangkit yang hendak dipantau. RTU ini bertugas untuk mengetahui setiap kondisi peralatan tegangan tinggi melalui pengumpulan besaran-besaran listrik, status peralatan, dan sinyal alarm yang kemudian diteruskan ke RCC melalui jaringan telekomunikasi data. RTU juga dapat menerima dan melaksanakan perintah untuk merubah status peralatan tegangan tinggi melalui sinyalsinyal perintah yang dikirim dari RCC. Fungsi utama dari sistem SCADA adalah: Telesignalling (TS) berfungsi untuk pengiriman sinyal atas gejala atau perubahan keadaan pada jaringan distribusi (dari GI, GH, atau GD) kepada Pusat Pengaturan Distribusi, serta pembacaan data status peralatan di gardu, seperti status dari CB close atau open. Dengan ini diharapkan gangguan pada gardu bisa dideteksi lebih cepat karena pemantauan dari pusat kontrol terhadap status saklar utama bisa diketahui dalam waktu yang real time. Telecontrol (TC) berfungsi mengeluarkan dan memasukan PMT yang ada di GI, GH atau di GD. TC dilaksanakan dari Pusat Pengaturan Distribusi. Sistem ini sebelumnya melakukan aktivitas

3 polling yaitu aktivitas rutin selama waktu tertentu untuk menanyakan informasi dari setiap RTU. Seleksi ini memastikan ada atau tidaknya hubungan dari RTU ke pusat kontrol. Jika ada hubungan akan di jawab siap (in scan), sebaliknya jika tidak ada hubungan akan dijawab (out scan). Kondisi out of scan atau tidak adanya hubungan dengan RTU dengan pusat kontrol bisa disebabkan oleh beberapa sebab, misalnya kerusakan pada sisi kabel atau media transmisi, RTU yang bermasalah. Pada kondisi out of scan tidak dapat dilakukan kontrol remote. Telemetering (TM) yang berfungsi pembacaan data pengukuran (arus, tegangan, frekuensi maupun cos φ).hasil pemantauan ini selain digunakan sebagai pencatat data beroperasinya tegangan distribusi juga dapat digunakan dalam kaitannya untuk melakukan kontrol remote. b. Komunikasi Data Komunikasi data adalah merupakan bagian dari telekomunikasi yang secara khusus berkenaan dengan transmisi atau pemindahan data dan informasi diantara komputer-komputer dan piranti-piranti yang lain dalam bentuk digital yang dikirimkan melalui media komunikasi data. Data berarti informasi yang disajikan dengan isyarat digital. Komunikasi data merupakan bagian vital dari suatu masyarakat informasi karena sistem ini menyediakan infrastruktur yang memungkinkan komputer-komputer dapat berkomunikasi satu sama lain. Gambar 2. Dasar Komunikasi Data Adapun komponen pembentuk arsitektur sistem komunikasi data antara lain: a. Pengirim, adalah piranti yang mengirimkan data b. Penerima, adalah piranti yang menerima data c. Data, adalah informasi yang akan dipindahkan d. Media pengiriman, adalah media atau saluran yang digunakan untuk mengirimkan data Protokol adalah aturan-aturan yang berfungsi untuk menghubungkan. Terdapat dua jenis cara komunikasi data yaitu : a. Komunikasi Data Parallel Komunikasi data parallel adalah pengiriman data diantara beberapa komputer dan ke terminal lainnya dengan merubah besaran tegangan dan arus dalam kanal atau kabel. Dalam komunikasi data ini bit berpindah secara satu demi satu melewati beberapa saluran pada saat bersamaan. b. Komunikasi Data Serial Perbedaan yang paling mendasar antara komunikasi serial dengan parallel adalah proses perpindahan bit melewati satu saluran saja. Ada 2 macam cara komunikasi data serial yaitu Sinkron dan Asinkron Pada komunikasi data serial sinkron, clock dikirimkan bersama sama dengan data serial, tetapi clock tersebut dibangkitkan sendiri sendiri baik ada sisi pengirim maupun penerima.sedangkan pada komunikasi serial asinkron tidak diperlukan clock karena data

4 dikirimkan dengan kecepatan tertentu yang sama baik pada pengirim / menerima. c. Protokol Protokol adalah sebuah aturan yang mendefinisikan beberapa fungsi yang ada dalam sebuah jaringan komputer, misalnya mengirim pesan, data, informasi dan fungsi lain yang harus dipenuhi oleh sisi pengirim dan sisi penerima agar komunikasi dapat berlangsung dengan benar, walaupun sistem yang ada dalam jaringan tersebut berbeda sama sekali. Adapun komponen protokol adalah sebagai berikut : 1). Aturan atau prosedur a) Mengatur pembentukan/pemutusan hubungan b) Mengatur proses transfer data. 2). Format atau bentuk representasi pesan 3). Kosakata (vocabulary) jenis pesan dan makna masing-masing pesan. d. Protokol TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet protocol (TCP/IP) merupakan suatu model protokol komunikasi data yang sangat memberikan perubahan besar pada dunia komunikasi dan komputer. Protokol TCP/IP ini dapat memberikan suatu standar yang diakui secara internasional dan digunakan sebagai acuan dalam pengembangan dunia komputer khususnya pada jaringan komputer. TCP/IP ini mempunyai lima layer seperti gambar di bawah ini : Application Layer Transport Layer Internet Layer Network Acces Layer Physical Layer Layer-layer dan protokol yang terdapat dalam arsitektur jaringan TCP/IP menggambarkan fungsi-fungsi dalam komunikasi antara dua buah komputer. Gambar 3. Susunan Protokol TCP/IP e. EMS Module EMS Module merupakan modul antarmuka komunikasi ethernet/internet dengan mikrokontroler/mikroprosesor melalui antarmuka SPI berbasis IC ENC28J60. Modul ini bekerja pada level tegangan TTL 5V. IC ENC28J60 pada modul ini telah terintegrasi dengan MAC dan 10 Base-T PHY yang dilengkapi dengan kemampuan deteksi dan koreksi polaritas secara otomatis. Modul ini dapat pula diaplikasikan untuk embedded web server, embedded DHCP server serta aplikasi lain yang berbasis komunikasi Ethernet. Gambar 4. WIZ110SR Ethernet Module f. Wireless LAN Wireless Local Area Network (LAN) atau lebih dikenal dengan nama Wireless Fidelity (WiFi) merupakan bagian dari Local Area Network (LAN). Letak perbedaanya yaitu apabila LAN standar menggunakan kabel untuk proses komunikasi data, sedangkan

5 wireless LAN menggunakan gelombang elektromagnetik sebagai pengganti kabel. Wireless LAN bekerja pada frekuensi 2.4 GHz atau yang biasa disebut frekuensi Industrual, Scientific and Medical (ISM). Untuk mengatur tentang standar baku untuk wireless LAN maka dibuatlah IEEE Gambar 5. Skema Wireless LAN g. Komponen Pembentuk Jaringan WiFi a) Access point Pada WLAN, alat untuk mentransmisikan data disebut dengan access point dan terhubung dengan jaringan LAN melalui kabel. Fungsi dari AP adalah mengirim dan menerima data, sebagai buffer data antara WLAN dengan Wired LAN, mengkonversi sinyal frekuensi radio (RF) menjadi sinyal digital yang akan disalukan melalui kabel atau disalurkan keperangkat WLAN yang lain dengan dikonversi ulang menjadi sinyal frekuensi radio. b) Extension point Untuk mengatasi berbagai problem khusus dalam topologi jaringan, designer dapat menambahkan extension point untuk memperluas cakupan jaringan. Extension point hanya berfungsi layaknya repeater untuk client di tempat yang lebih jauh. c) Antenna Antena merupakan alat untuk mentransformasikan sinyal radio yang merambat pada sebuah konduktor menjadi gelombang elektromagnetik yang merambat diudara. Antena memiliki sifat resonansi, sehingga antena akan beroperasi pada daerah tertentu. d) WLAN card WLAN Card dapat berupa Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA), ISA Card, USB Card atau Ethernet Card. PCMCIA digunakan untuk notebook, sedangkan yang lainnya digunakan pada komputer desktop. WLAN Card ini berfungsi sebagai interface antara sistem operasi jaringan client dengan format interface udara ke access point. III. Peranvangan dan Realisasi a. Diagram Blok Gambar 6. Diagram Blok Rangkaian Sistem Keseluruhan Deskripsi Kerja : MTU akan mengirimkan perintah pada RTU berupa data ke alamat RTU yang dituju melalui media komunikasi wireless LAN, maka RTU akan menerima data tersebut, kemudian komponen ATMega 16 membaca parameter listrik seperti arus, tegangan, frekuensi dan cos φ pada simulator plant dan menyimpannya dalam variable ADC serta pendeteksian status CB dan pemilihan sistem operasi. Semua data tersebut akan diterima oleh ATMega 16 sebagai pengolah dan pengontrol data, lalu data tersebut akan ditampilkan pada data display berupa LCD

6 dan dikirimkan kembali pada MTU melalui media komunikasi wireless LAN sebagai feedback respon terhadap perintah awal. Jika dalam kondisi local operation, maka semua kontrol operasi dikendalikan secara manual.data-data yang terbaca pada RTU seperti arus, tegangan, frekuensi dan cos φ dapat dikirim kepada MTU jika ada permintaan (query) dari MTU kepada RTU untuk melakukan aksi tersebut. b. Rangkaian Sensor Tegangan dan Arus Fungsi dasar dari rangkaian sensor arus dan tegangan ialah sebagai penyearah tegangan dengan menggunakan sistem perata agar tegangan yang masuk ke port ADC mikrokontroler menjadi lebih halus dan stabil untuk pembacaan ADC serta untuk menurunkan tegangan agar menjadi 5V DC. Pengubahan nilai tegangan ini diperlukan karena tegangan yang diizinkan masuk pada ADC mikrokontroler adalah sebesar 0-5V DC. Gambar 7. Rangkaian Penyearah Sensor Tegangan Gambar 9. Rangkaian Sensor Frekuensi (Frequency to voltage) IC LM2917 adalah IC single chip Frequency to Voltage converter atau sering disebut rangkaian tachogenerator statis yang didesain dengan pemakaian komponen eksternal seminimal mungkin namun dapat menghasilkan tegangan keluaran yang optimal. Tachogenerator statis mengambil pulsa dari pembangkit frekuensi masukan melalui komparator pertama. Input inverting pada komparator pertama dihubungkan dengan ground melalui sebuah kapasitor seri dan masukan non inverting mendapat masukan sinyal gelombang kotak, maka komparator pertama ini berfungsi sebagai detektor penyilang nol (zero crossing detector) yang membandingkan gelombang persegi pada input non inverting. Gambar 8. Rangkaian Penyearah Sensor Arus c. RangkaianSensor Frekuensi dan Cos φ Pada dasarnya secara fungsi rangkaian frekuensi tidak jauh berbeda dengan sensor arus dan sensor tegangan, yaitu tegangan searah (Vdc) yang dihasilkan dari sensor frekuensi masuk ke port ADC mikrokontroller. Gambar 10. Rangkaian Sensor Cos φ d. Pembuatan Box Plant dan Box RTU PCB yang telah dicetak akan ditempel atau ditempatkan di dalam masing-masing panel yaitu panel plant dan panel RTU. Untuk PCB rangkaian relay, sensor arus dan tegangan, sensor frekuensi dan cos φ akan ditempatkan di dalam panel plant, sedangkan

7 untuk board Sistem Minimum ATMEGA 16, PCB Multiplekser serta board Ethernet Module akan ditempatkan di dalam panel RTU. Gambar 11. Realisasi Pembuatan Panel Plant Gambar 12. Realisasi Pembuatan RTU IV. Pengujian dan Analisa a. Pengujian Perangkat Keras Pengujian perangkat keras merupakan proses pengujian yang dilakukan terhadap seluruh perangkat keras yang telah direalisasikan yang mengacu pada tahapan sebelumnya yaitu perancangan alat pada proyek akhir ini. Pengujian perangkat keras disini meliputi pengujian kinerja dari simulator elemen plant yang meliputi pengukuran nilai besaran listrik sistem tiga fasa dalam kondisi berbeban ataupun tidak berbeban yang dilakukan dengan cara pengukuran langsung menggunakan alat ukur ataupun dari data yang berhasil di tampilkan pada LCD 20x4, sekaligus untuk pengujian simulator beban, serta pengujian dari kinerja simulator elemen RTU. b. Pengujian Arus dan Tegangan Pengujian ini dilakukan untuk mendapatkan data berupa nilai tegangan dan arus di sisi primer dan sekunder, dimana pada saat kondisi tanpa beban maupun saat berbeban. Pengujian ini dilakukan dengan cara mengukur tegangan keluaran dari setiap transformator yang digunakan sebagai sensor tegangan dan arus pada rangkaian plant. c. Pengujian Simulator Elemen RTU Pengujian simulator elemen RTU meliputi pengujian kinerja dari rangkaian kontrol ADC yaitu pengendalian pembacaan ADC yang masuk ke Port A mikrokontroler secara bergantian sesuai dengan sinyal kontrol yang diaktifkan, serta tampilan pada LCD 20x4 yang menampilkan nilai tegangan dan arus pada sisi primer dan sekunder serta nilai frekuensi dan cos phi pada saat kondisi tanpa beban maupun berbeban dan juga dilakukan pengujian terhadap sistem minimum ATMega16, yaitu dengan cara memasukan suatu program BASCOM-AVR yang sederhana ke dalam ATMega 16 untuk menguji keandalan dari setiap port mikrokontroler. d. Pengujian Komunikasi Wifi Pengujian komunikasi dilakukan dengan memperhatikan apakah tampilan di LCD 20x4 sudah sesuai atau tidak dengan kondisi pengukuran yang sebenarnya pada plant simulasi gardu distribusi yang meliputi pembacaan ADC sebagai sensor tegangan, sensor arus dan sensor frekuensi dari rangkaian plant, pembacaan status pada plant apakah pada posisi remote atau lokal serta pembacaan relai yang mengindikasikan CB di sisi primer atau sekunder apakah sedang on atau Off. Untuk perangkat komunikasi yang digunakan pada proyek akhir tahun ini menggunakan EMS MODULE dengan tipe WIZ110SR dan ROUTER sebagai perangkat utama dalam melakukan komunikasi. EMS MODULE dapat dihubungkan dengan network adapter pada komputer yang memiliki konektor MAC jack dengan menggunakan kabel UTP yang kedua

8 ujungnya diberi terminasi RJ-45 plug (8P8C modularconnector). Gambar 13. Tampilan Pengaturan IP Address pada Software WIZ110SR setelah semuanya di atur dengan benar dan sesuai maka pilih connect pada hyperterminal, maka akan keluar data hasil pengukuran di RTU pada PC. Gambar 14. Tampilan Hyperterminal Kondisi Primer On Gambar 15. Tampilan Hyperterminal Kondisi Sekunder On e. Analisa Berdasarkan data dari hasil serangkaian pengujian yang telah dilakukan, maka rangkaian sistem simulator yang terdiri dari rangkaian perangkat plant simulasi gardu distribusi, rangkaian perangkat RTU, dan simulator beban, secara keseluruhan telah berhasil dirancang dan direalisasikan sesuai dengan spesifikasi alat, fungsi setiap elemen, dan deskripsi kerja yang telah ditentukan sebelumnya pada tahapan perancangan. Hal ini dibuktikan dengan berhasilnya pengendalian pembacaan ADC pada rangkaian elemen plant yang kemudian ditampilkan pada LCD, serta terjadinya pengiriman data dari RTU ke MTU melalui media komunikasi baik itu pada saat dalam sistem operasi lokal ataupun remote. Khusus untuk parameter cos φ masih belum berhasil ditampilkan karena terdapat beberapa kendala seperti pengujiannya yang gagal. Perbedaan yang terjadi antara data hasil pengukuran langsung menggunakan multimeter dengan data hasil pengkuran yang ditampilkan pada LCD, dikarenakan beberapa sebab seperti besarnya nilai sumber tiga fasa sebagai sumber utama yang cenderung tidak stabil, perubahan nilai tegangan keluaran rangkaian sensor arus, tegangan, dan frekuensi yang dikarenakan pengaruh metode penyambungan dari sistem rangkaian kontrol ADC dan sistem minimum mikrokontroler ATMega 16 yang digunakan sangat sensistif terhadap setiap perubahan tegangan pada masukan ADC. Komponen yang dipasang pada saat tahap perealisasian alat masih kurang sempurna, kadangkala pengoperasin CB tidak bekerja baik secara remote ataupun lokal. Hal ini dikarenakan seperti kurang baiknya penginstalan kabel, rusaknya push button ataupun juga kurang baiknya jaringan sistem wireless pada saat kondisi remote. V. Kesimpulan Secara keseluruhan perancangan simulator sistem SCADA ini telah berhasil dilakukan. Didasari berbagai tahapan yang

9 telah dilakukan meliputi tahapan perancangan, perealisasian, pengujian, dan analisis maka secara keseluruhan dapat disimpulkan : 1. Simulator sistem yang terdiri dari rangkaian plant gardu distribusi yang terintgerasi oleh rangkaian perangkat RTU, dan simulator beban, secara keseluruhan telah berhasil dirancang sesuai dengan spesifikasi alat dan fungsi setiap elemen dan deskripsi kerja yang telah ditentukan. 2. Simulator plant dan RTU dapat berkomunikasi dengan wireless LAN berdasarkan program yang dirancang dan telah terealisasi. 3. Seluruh sistem pada simulator plant telah diuji dan berhasil terealisasi sesuai dengan fungsi serta pada sistem RTU dengan komunikasi wireless LAN juga telah diuji dan berhasil terealisasi sesuai dengan fungsinya. Namun untuk parameter pembacaan cos φ masih mengalami gangguan. 6. Green, DC Data Communication (terjemahan Insap Santosa). Yogyakarta:Andi. 7. Pandjaitan, Bonar Teknologi Sistem Pengendalian Tenaga Listrik Berbasis SCADA.Jakarta:Prenhallindo. 8. Syahroni, Nanang Komunikasi Data. Surabaya : Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. 9. Tokhem, Roger L Prinsip-Prinsip Digital Edisi Kedua (terjemahan Sutisna).Jakarta:Gramedia. 10. Wijayanto, Kartono Elektronika Analog (Modul). Bandung: Politeknik Negeri Bandung. 11. Yuliawati, Sri Nur dan Hazma Kiat Penulisan Laporan Ilmiah Untuk Program Diploma. Bandung: Politeknik Negeri Bandung. VI. Daftar Pustaka 1. Adrianto, Heri Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMega16 Menggunakan Bahasa C. Bandung: Informatika. 2. Budiharto, Widodo.Togu Jefri Proyek Sistem Akusisi Data.Jakarta:Gramedia. 3. Cegrell.Torsten, Power System Control Technology, Prentice-Hall International Inc.Englewood Cliffs, New Jersey, Gunawan, Hanapi Prinsip- Prinsip Elektronik. Jakarta: Erlangga. 5. Iswanto Design dan Implementasi Mikrokontroler ATMega8535 dengan Bahasa Basic. Yogyakarta: Gava Media