teknoin09-2

ISBN : 978 979 96964 6 5 Yogyakarta, 14 November 2009

PENGEMBANGAN SISTEM SCADA (SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION) PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA HIBRIDAAryuanto1) Yusuf Ismail Nakhoda2) 1,2 Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Nasional (ITN) Malang Jalan Raya Karanglo Km. 2 Malang 1 [email protected], 2 [email protected] Abstrak Makalah ini membahas sistem SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) pada pembangkit listrik tenaga hibrida yang terdiri dari pembangkait listrik tenaga angin/bayu (PLTB) dan pembangkit listrik tenaga surya (PLTS). Perangkat lunak aplikasi Winlog SCADA digunakan untuk implementasi sistem SCADA yang dapat memantau parameter lingkungan (angin dan sinar matahari) dan daya listrik yang dihasilkan masing-masing pembangkit. Simulasi perangkat lunak yang dikembangkan digunakan untuk memodelkan PLTB dan PLTS. Komunikasi antara sistem SCADA dengan simulator PLTB dan PLTS menggunakan protokol MODBUS yang banyak digunakan di industri. Dari pengujian diperoleh bahwa aplikasi SCADA dapat digunakan untuk mempermudah pengendalian dan pemantauan sistem pembangkit tenaga hibrida. Kata Kunci : SCADA, pembangkit listrik tenaga hibrida, PLTB, PLTS, protokol MODBUS., PendahuluanPembangkit listrik tenaga hibrida merupakan salah satu solusi untuk mengatasi krisis energi yang terjadi dewasa ini. Salah satu jenis pembangkit listrik tenaga hibrida adalah kombinasi pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dan pembangkit listrik tenaga angin/bayu (PLTB). Berbagai penelitian telah banyak dilakukan untuk mengkombinasikan beberapa jenis pembangkit tenaga listrik, seperti PLTB dan PLTD (diesel) [1],[2],[3], PLTB dan PLTS [4], PLTB,PLTS, dan PLTD [5], [6]. Kendala utama yang dihadapi dalam pemanfaatan pembangkit listrik tenaga hibrida adalah efisiensi energi yang dihasilkan, yang dipengaruhi oleh kondisi lingkungan, dalam hal ini angin dan cahaya matahari. Selain itu, PLTS dan PLTB mempunyai karakteristik lain, yaitu lokasi yang jauh dari perkotaan atau pemukiman, dan sifat pembangkitan yang terdistribusi. Sehingga untuk memantau dan mengendalikan PLTS dan PLTB dengan karakteristik yang tersebut diatas diperlukan suatu sistem monitoring dan pengendalian jarak jauh, atau SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) [7]. Dalam penelitian ini dirancang suatu sistem SCADA ynag digunakan untuk memantau dan mengendalikan sistem pembangkit tenaga hibrida yang tersebar di beberapa lokasi untuk optimalisasi energi yang dihasilkan. Simulasi program komputer digunakan untuk memodelkan PLTB dan PLTS yang dihubungkan dengan sistem SCADA yang diimplementasikan menggunakan Winlog SCADA [8]. Dengan cara ini, perubahan paramater lingkungan (kecepatan angin dan intensitas cahaya matahari) dapat disimulasikan dengan mudah, sehingga proses analisa pada sistem SCADA dapat dilakukan dengan mudah dan cepat. Sistematika penulisan makalah ini adalah sebagai berikut. Pada bagian selanjutnya akan dibahas arsitektur pembangkit listrik tenaga hibrida, dilanjutkan dengan model PLTS, model PLTB, dan sistem SCADA. Berikutnya akan dibahas implementasi dan pengujian, dan diakhiri dengan kesimpulan.

Arsitektur Pembangkit Listrik Tenaga HibridaPembangkit listrik tenaga hibrida merupakan kombinasi dari beberapa pembangkit listrik, seperti PLTS,PLTB,PLTD dan baterai penyimpanan. Terdapat beberapa arsitektur untuk menginterkoneksikan bermacam-macam pembangkit tersebut ke jaringan listrik (grid), seperti terlihat pada gambar 1 [5]. Pada gambar 1(a), pembangkit-pembangkit dan baterai dipasang di suatu lokasi dan dihubungkan ke AC bus sebelum dikoneksikan ke grid. Sistem ini disebut terpusat (centralized) karena daya listrik yang dikirimkan setiap pembangkit dan baterai diumpankan ke grid melalui satu titik.

D-7

Prosiding Seminar Nasional Teknoin 2009 Bidang Teknik Elektro

Pada gambar 1(b), pembangkit-pembangkit tidak harus dipasang berdekatan lokasinya, dan tidak perlu dikoneksikan ke satu AC bus. Pembangkit terdistribusi pada lokasi yang berbeda dan setiap pembangkit dikoneksikan ke grid secara terpisah. Pada gambar 1(c), dilakukan konversi tegangan AC ke DC pada pembangkit yang menghasilkan daya AC yaitu PLTB dan PLTD. Selanjutnya daya DC tersebut dikoneksikan ke DC bus, dan sebuah pengubah tegangan DC ke AC digunakan untuk mengumpankan ke grid (AC).

bakar minyak dan dampak dari pemanasan global, penelitian PV banyak dilakukan. Umumnya para peneliti membuat model PV untuk mempermudah perancangan dan analisa sistem PLTS, mengingat harga PV yang relatif masih mahal. Dengan model ini, banyak simulator PV menggunakan program komputer (MATLAB) yang dikembangkan oleh para peneliti [9],[10],[11],[12]. Rangkaian ekivalen PV yang paling sederhana terdiri dari sebuah sumber arus yang dirangkai paralel dengan sebuah dioda. Output dari sumber arus berbanding lurus dengan cahaya yang menyinari sel PV. Parameter dioda menentukan karakteristik I-V dari sel PV tersebut. Model yang lebih komplek [9] dibuat dengan menambahkan beberapa parameter seperti: pengaruh suhu terhadap arus foto I L, arus saturasi dari dioda I 0, sebuah tahanan seri RS (lihat gambar 2).

(a)

Gambar 2. Rangkaian ekivalen model PV. Karakteristik I-V dari sel PV dinyatakan dengan persamaan-persamaan berikut [9]: (1) (2) (b) (3) (4)

(5) (6) (7) (c) Gambar 1. Arsitektur sistem pembangkit tenaga hibrida:(a) Centralized AC-bus; (b) Distributed AC-bus; (c) Centralized DCbus [5]. dimana, q= muatan litsrik= 1.6e-19 n=faktor kualitas dioda k=konstanta Boltzman=1.38e-23 T= temperatur kerja T1= temperatur referensi-1 T2= temperatur referensi-2 G= radiasi sinar matahari Isc=arus hubung pendek (8)

Model PLTSKomponen utama dari PLTS adalah Photovoltaic (PV) yang mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Dewasa ini, seiring dengan krisis energi berbahan

D-8


Voc=tegangan rangkaian terbuka Vg=tegangan jarak pita (band gap)

Vo 1 V Cp

1

Vo V

2

Model PLTBPada PLTB, turbin angin digunakan untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi listrik. Turbin angin terdiri dari rotor dengan dua atau lebih bilah (blade) yang terhubung secara mekanik dengan sebuah generator listrik. Energi listrik yang dihasilkan tergantung dari energi angin yang ditangkap rotor. Energi listrik yang dihasilkan dapat dimodelkan dengan persamaan berikut ini [13]. Energi kinetik dari udara dengan massa m yang bergerak dengan kecepatan V diberikan oleh (9) Daya dari udara yang bergerak adalah kecepatan alir dari energi kinetik per detik. Sehingga2

(16) 2 Faktor Cp disebut sebagai efisiensi rotor. Secara teori, nilai maksimum Cp adalah 0,59. Dari persamaan (15), terlihat bahwa daya output dari turbin angin bervariasi secara linier dengan luas daerah yang disapu oleh rotor. Untuk turbin angin dengan sumbu horisontal, luas daerah ini dinyatakan oleh A D 2 (17) 4 dimana D adalah diameter rotor.

Sistem SCADASCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) merupakan sistem yang mengkombinasikan telemetri (pengukuran jarak jauh) dan akuisisi data. SCADA mengumpulkan informasi dari peralatan di lapangan yang selanjutnya dikirimkan ke pusat, kemudian dilakukan analisa dan pengendalian yang diperlukan dan menampilkan informasi tersebut pada layar operator. SCADA berfungsi untuk memantau dan mengendalikan peralatan di lapangan dari jarak jauh menggunakan jaringan telekomunikasi [14]. SCADA umumnya digunakan di indutsri [14], sistem pengendalian tenaga listrik [15], jaringan penyedia air bersih [16]. Arsitektur suatu sistem SCADA terdiri dari komponenkomponen sebagai berikut : 1. Peralatan lapangan (sensor dan aktuator) : Peralatan instrumentasi di lapangan berupa sensor digunakan untuk membaca sinyal analog atau digital yang diukur, sedangkan aktuator digunakan untuk mnegendalikan peralatan seperti motor, saklar, katup, dll. 2. Remote terminal unit (RTU) : RTU atau remote station umumnya berupa PLC (Programmable Logic Controller) yang berfungsi untuk mengendalikan aktuator, membaca sinyal dari sensor dan berkomunikasi dengan pusat pengendali. 3. Jaringan komunikasi : digunakan untuk menghubungkan RTU dengan stasiun pusat pengendali yang berupa jaringan kabel, atau radio. 4. Stasiun pusat pengendali : merupakan stasiun pusat monitoring dan pengendalian dimana terdapat komputer host dengan perangkat lunak SCADA/HMI (Human Machine Interface) yang memudahkan operator melakukan monitoring dan pengendalian peralatan-peralatan di lapangan.

(10)

Jika didefinisikan P= daya mekanik pada udara yang bergerak = densitas udara, kg/m3 A= luas daerah yang disapu bilah-bilah rotor, m2 V= kecepatan udara, m/det, Maka daya pada persamaan (10) dapat dinyatakan oleh (11) Daya aktual yang diserap oleh rotor adalah perbedaan antara daya angin yang masuk dan keluar. Sehingga (12) dimana Po=daya mekanik yang diserap rotor, yaitu daya output V= kecepatan angin yang masuk ke rotor Vo= kecepatan angin yang keluar dari rotor. Kecepatan alir massa yang melewati rotor dapat diasumsikan sebagai hasil kali dari densitas dan ratarata kecepatan, atau (13) Daya mekanik yang diserap motor, yang digunakan untuk menggerakkan generator listrik adalah

Vo 2 2 V Vo 2 2 Persamaan di atas dapat dituliskan sebagai 1 2 Po AV C p 2 dimana Po A

1

V

(14)

(15)

D-9


Gambar 3 memperlihatkan rancangan sistem SCADA pada pembangkit listrik tenaga hibrida (PLTB dan PLTS). HMI (Human Machine Interface)

obyek yang digunakan, seperti gambar bitmap, teks, nilai, status bar, led indicator, dll. Code builder : digunakan untuk memperkaya aplikasi menggunakan bahasa pemrograman seperi bahasa C yang memungkinkan programmer berinteraksi dengan semua looping if-then-else

MTU (Master Terminal Unit)

Protokol Komunikasi ModbusTerdapat berbagai macam protokol yang dapat digunakan untuk komunikasi MTU dan RTU/PLC, seperti MODBUS (Modicon), Profibus (Siemens), DeviceNet (Allen Bradley), dll. Dalam penelitian ini digunakan protokol MODBUS karena merupakan protokol yang banyak digunakan oleh manufaktur peralatan instrumentasi.RTU PLC

Jaringan Komunikasi: Wireless, PSTN, Internet

RTU PLC

RTU PLC

......

PLTB PLTS

PLTB PLTS

......

PLTB PLTS

Gambar 3. Sistem SCADA pada pembangkit listrik tenaga hibrida.

MODBUS merupakan protokol pesan yang terletak pada lapisan ke-7 (Application Layer) pada model OSI (Open Systems Interconnection) yang mendukung komunikasi client-server antara PLC dan peralatanperalatan yang terkonek pada suatu jaringan. MODBUS diimplementasikan menggunakan (lihat gambar 4): - TCP/IP melalui Ethernet - Transmisi serial asinkron (EIA-232-E,EIA422,EIA-485-A, dll) - MODBUS PLUS melalui jaringan kecepatan tinggi.

Perangkat Lunak SCADA/HMIPerangkat lunak SCADA/HMI yang digunakan dalam penelitian ini adalah WINLOG SCADA [8]. WINLOG SCADA merupakan perangkat lunak SCADA yang sederhana dan fleksibel untuk supervisi proses industri. Perangkat lunak ini dilengkapi dengan bermacammacam library driver untuk digunakan berkomunikasi dengan berbagai jenis RTU/PLC yang mempunyai protokol komunikasi yang berbeda. Untuk mempermudah pengembangan aplikasi SCADA, WINLOG SCADA dilengkapi dengan beberapa tool seperti Gate Builder, Template Builder, Code Builder. - Gate Builder : digunakan untuk setting gate (tags), seperti definisi nama, alamat, unit pengukuran, faktor skala, dll. Terdapat berbagai macam gate, yaitu : numeric, digital, string, compound, even, alarm. Gate merupakan variable proses yang dapat dibaca dari peralatan luar, seperti PLC, indikator, modul data akuisisi, atau dihasilkan oleh program sendiri. - Template builder : digunakan untuk membuat template dan menampilkannya di layar. Sebuah template digunakan untuk menyusun Gambar 4. Komunikasi MODBUS [17]. Dengan protokol MODBUS, komunikasi pada semua tipe arsitektur jaringan dapat dilakukan dengan mudah seperti diilustrasikan pada gambar 5. Setiap peralatan seperti PLC, HMI, piranti I/O, motion control, dll dapat menggunakan protokol MODBUS untuk pengoperasian secara jarak jauh (remote). Komunikasi yang sama dapat dilakukan juga pada komunikasi serial atau jaringan TCP/IP.

D-10


Output Setting output dari simulator yang digunakan. Dalam penelitian ini digunakan komunikasi MODBUS TCP untuk berkomunikasi dengan SCADA melalui jaringan TCP/IP.

Simulator PLTSTampilan simulator PLTS diperlihatkan pada gambar 7. Menu yang ada hampir sama dengan simulator PTLB, hanya berbeda pada parameter masukan dan data yang ditampilkan saat simulasi berlangsung. Parameter masukan yang digunakan adalah tegangan dan jumlah modul PV. Sedangkan data yang ditampilkan saat simulasi adalah waktu simulasi, besarnya radiasi sinar matahari, suhu dan daya output pembangkit.

Gambar 5. Arsitektur Jaringan MODBUS [17].

Implementasi dan PengujianDalam penelitian ini, model PLTB dan PLTS disimulasikan dengan menggunakan bahasa pemrograman Delphi. Sedangkan komunikasi antara pembangkit dengan Winlog SCADA menggunakan protocol MODBUS TCP yang dapat dihubungan melalui LAN (Local Area Network). Parameter - parameter utama yang dimonitor dalam sistem SCADA ini adalah : kecepatan angin, intensitas atau radiasi sinar matahari, dan daya yang dihasilkan masing-masing pembangkit. Berikut penjelasan dari implementasi dan pengujian dari simulator sistem pembangkit dan sistem SCADA.

Gambar 7. Photovoltaic (PV) Simulator.

Simulator PLTBGambar 6 memperlihatkan tampilan dari simulator PLTB. Data masukan yang diperlukan adalah paramater turbin angin, seperti densitas udara, diameter bilah (blade), koefisien daya turbin, data kecepatan angin yang dapat diambil dari file data angin.

Pengujian Sistem Winlog SCADAUntuk mempermudah dan memberikan kenyaman operator memonitor dan mengendalikan sistem, tampilan berbentuk grafik dan gambar digunakan dalam aplikasi SCADA ini seperti terlihat pada gambar 8. Gambar kipas/kincir akan berputar jika PLTB bekerja. Sebuah gauge meter digunakan untuk menunjukkan besarnya kecepatan angin di PLTB saat itu. Dan besarnya radiasi sinar matahari di PLTS dinyatakan dalam bentuk seperti termometer. Sedangkan saklar berwarna hijau/merah digunakan untuk menghidupkan/mematikan pembangkit. Aplikasi ini dilengkapi pula dengan grafik harian data input (kecepatan angin, radiasi matahari) dan ouput daya pembangkit Proses pengujian dilakukan dengan menjalankan simulator PLTB dan PLTS dan program aplikasi SCADA yang diimplementasikan dengan Winlog SCADA. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa datadata yang ditampilkan pada HMI SCADA sama dengan data yang ditampilkan pada masing-masing simulator PLTB dan PLTS. Selain itu dilakukan pula pengujian pengendalian dari HMI SCADA untuk menghidupkan dan mematikan pembangkit, yang

Gambar 6. Simulator PLTB Pada saat simulasi berjalan, maka data-data seperti waktu simulasi, kecepatan angin dan daya output saat itu akan ditampilkan pada simulator.

D-11


dalam hal ini diwakili oleh simulator. Hasil pengujian menunjukkan bahwa dengan SCADA proses pengendalian dan monitoring dapat dilakukan secara remote (dalam peneletian ini dilakukan melalui jaringan TCP/IP).

Gambar 8. Tampilan SCADA untuk monitoring PLTB dan PLTS.

KesimpulanPada makalah ini dijelaskan pengembangan sistem SCADA untuk memonitor dan mengendalikan pembangkit listrik tenaga hibrida yang terdiri dari PLTB dan PLTS. Dengan aplikasi SCADA ini, proses monitoring dan pengendalian pembangkit-pembangkit yang lokasinya berjauhan dilakukan secara terpusat dengan bantuan perangkat muka yang mempermudah dalam pengambilan keputusan untuk pengendalian sistem. Pengembangan lebih lanjut yang akan dilakukan adalah penambahan jumlah pembangkit dan parameter input yang dimonitor dan output yang dikendalikan, dan implementasi pada pembangkit yang sebenarnya.

Daftar Pustaka[1] J. Baghdadchi dan D.S. Varmette. (2002). WindBased Hybrid Power Systems in Rural Western New York, Proceedings of WINDPOWER Conference. [2] E. Muljadi dan J. T. Bialasiewicz. (2003). Hybrid Power System with a Controlled Energy Storage. Proceedings of 29th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. [3] L.H. Tay, W.W.L. Keerthipala, L.J. Borle. (2001). Performance Analysis of A Wind/Diesel/Battery Hybrid Power System. Proceedings of the Australasian Universities Power Conference (AUPEC-2001). Perth, Australia.

[4] S. S. Dihrab, M.A. Alghoul, K. Sopian, M.Y. Sulaiman. (2009). Potential of Hybrid PV/Wind Turbine System in Jordan. Procedings of Global Conference on Renewables and Energy Efficiency for Desert Regions 2009. Amman, Jordan. [5] E. Ortjohann, O. Omari, R. Saiju, N. Hamsic, D. Morton. (2003). A simulation Model For Expandable Hybrid Power Systems. Proceedings of 2nd European PV-Hybrid and Mini-Grid Conference. Kassel, Germany. [6] K.Ch. Karasavvas. (2008). Modular Simulation of A Hybrid Power System With Diesel, Photovoltaic Inverter And Wind Turbine Generation. Journal of Engineering Science and Technology Review 1. [7] W.F. Young, J.E. Stamp, J.D. Dillinger, M.A. Rumsey. (2003). Communication Vulnerabilities and Mitigations in Wind Power SCADA Sytems. Proceedings of American Wind Energy Association WINDPOWER 2003. Texas, USA. [8] http://www.sielcosistemi.com/en/products/winlog _scada_hmi/ [9] G.R. Walker. (2001). Evaluating MPPT Converter Topologies Using A MATLAB PV Model. Journal of Electrical & Electronics Engineering, Australia, Vol. 21. No. 1, pp. 49-56. [10] F.M. Gonzalez-Longatt. (2005). Model of Photovoltaic Module in Matlab. Proceedings of II CIBELEC 2005. Puerto La Cruz, Venezuela. [11] H.L. Tsai, C.S. Tu, Y.J. Su. (2008). Development of Generalized Photovoltaic Model Using MATLAB/SIMULINK. Proceedings of World Congress on Engineering and Computer Science 2008. San Fransisco, USA. [12] B.K. Kumar. (2009). Matlab Based Modelling of Photovoltaic Panels and Their Efficient Utilization for Maximum Power Generation. Proceedings of 1st National Conference on . Salem, India. [13] M. R. Patel. (1999). Wind and Solar Power Systems. CRC Press. [14] D. Bailey dan E. Wright. (2003). Practical SCADA for Industry. Newnes Publication. [15] B. Pandjaitan. (1999). Teknologi Sistem Pengendalian Tenaga Listrik Berbasis SCADA. Prehallindo. [16] M. Dobriceanu, A. Bitoleanu, M. Popescu, S. Enache, dan E. Subtirelu. (2008). SCADA System for Monitoring Water Supply Networks. WSEAS Transactions on Systems. [17] MODBUS Application Protocol Specification V1.1b dari http://www.Modbus-IDA.org.

D-12

teknoin09-2

Documents