## Pengembangan
Monitoring System dan Electronic Load
Controller (ELC) pada Pembangkit Listrik Tenaga Arus Sungai

## (PLTAS)
1,2 Dominikus Sulistiono *) , 1 Seno. D. Panjaitan, 1 Managam. R, 3 Alfeus Sunarso,
3 Agato, 3 IG. Gunawan Widodo, 2 Halasan Sihombing
1 Jurusan Teknik Elektro Universitas Tanjungpura Pontianak
2 Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Pontianak
3 Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Pontianak
E-mail : domi_polnep@yahoo.com *)

## Abstrak
Paper  ini  menggambarkan  pengembangan electronic  load  controller  (ELC) yang  dilengkapi  dengan sistem  pemantau (monitoring  system) parameter  kelistrikan  pada  sistem  PLTAS.  Sistem  ini dikembangkan dengan tujuan untuk menjaga frekuensi generator sinkron konstan pada frekuensi 50 Hz.  Di  sini  generator  sinkron  dapat  menghasilkan  frekuensi  dan  tegangan  yang  konstan  jika  beban listrik  dan  debit  air  terjaga  konstan.  Pada  kondisi  daya  yang  dibangkitkan  lebih  besar  dari  beban konsumen,  maka  ELC  menjaga  frekuensi  dan  tegangan  konstan  dengan  menambahkan  beban penyeimbang  pada  terminal  generator.  ELC  yang  dikembangkan  ini  menggunakan  teknik zero crossing  detector  (ZCD) dan phase  angel  regulation dalam  melakukan  pengaturan  daya beban penyeimbang (ballast  load) .  Sistem  pemantau  melengkapi  ELC  sebagai  alat  bantu  dalam  melihat karakteristik  parameter  pembangkit  dan  pola  konsumsi  beban,  serta  mempermudah  dalam troubleshooting. Saat  ini  sistem  sudah  dioperasikan  di  PLTAS  Nanga  Manjang  Kabupaten  Sekadau Provinsi Kalimantan Barat.  Dari data dalam tiga hari yang  tercatat pada sd card menunjukkan, bila arus  pada  beban  pengguna  rendah,  maka  arus  pada  beban  penyeimbang  meningkat,  sehingga tegangan yang dihasilkan konstan dan frekuensi tidak melebihi dari 50,5 Hz.
Kata Kunci: PLTAS, Generator sinkron , Electronic Load Controller, Ballast load , Monitoring system.

## 1 Pendahuluan
Di  Indonesia  berdasarkan  data  dari  Dirjen  EBTKE  (2013),  sumber  energi  mini-mikrohidro berpotensi sebesar 769,7 MW sementara yang terpasang sebesar 512 MW. Untuk wilayah Kalimantan  Barat  sendiri  berdasarkan  data  dari  Masyarakat  Ketenagalistrikan  Indonesia (MKI)  bahwa  potensi  kelistrikan  teoritis  untuk  pembangkit  listrik  tenaga  air  sebesar 359,585  MW  yang  tersebar  di  tujuh  kabupaten.  Sementara  potensi  untuk  pembangkit listrik  dengan  head  rendah  (head  ≤  4  meter)  berdasarkan  survei  dari  Tim  PENPRINAS MP3EI  POLNEP  banyak  terdapat  pada  daerah  pedalaman  terisolir  yang  belum  terjangkau jaringan  listrik  dari  PT.PLN.  Potensi  pembangkit  dengan  memanfaatkan  head  rendah  ini cocok  jika  dimanfaatkan  sebagai  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Arus  Sungai  (PLTAS) berpenggerak kincir air [1][2].
Permasalahan  utama  pada  pembangkit listrik tenaga air termasuk juga pada pembangkit listrik tenaga arus sungai (PLTAS) adalah fluktuasi frekuensi dan tegangan pada generator karena fluktuasi beban konsumen. Mengendalikan tegangan dan frekuensi pada generator dapat dilakukan dengan menjaga keseimbangan daya aktif antara daya generator dengan daya  beban  konsumen.  Fluktuasi  frekuensi  dan  tegangan  yang  terjadi  merupakan  salah satu efek yang dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan kelistrikan. Untuk itu, maka
Electronic  Load  Controller  (ELC)  digunakan  untuk  menyelesaikan  permasalahan  fluktuasi frekuensi tersebut [2][3]. Agar diperoleh frekuensi generator konstan dilakukan pengaturan ballast  load  dengan  beberapa  teknik  seperti  phase  angle  regulation,  binary  load  [4][6]. Pengaturan  seperti  tersebut  biasa  dilakukan  pada  ballast  load  dengan  sumber  tegangan AC.  Pada  metode  lain  pengaturan  dilakukan  dengan  merubah  sumber  AC  menjadi  DC, sehingga beban yang digunakan beban DC dengan dioda tak terkontrol mau pun terkontrol. Kelebihan teknik ini memiliki hasil pengaturan yang cukup baik dengan respon yang cepat [7][8]. Pengaturan frekuensi juga dapat dilakukan dengan melakukan pengaturan governor kecepatan  turbin,  namun  memiliki  kelemahan  yaitu  lambat  dibandingkan  dengan menggunakan  ballast  load  [5].  Pada  penelitian  yang  dilakukan  ini  ELC  dikembangkan dengan  dilengkapi  monitoring  system  sebagai  alat  dukung  dalam  operasi  dan  perawatan pembangkit.  Monitoring  system  ini  berfungsi  mengamati  pola  penggunaan  beban konsumen  dengan  mencatat  data  arus  dan  tegangan  pada  sd  card  setiap  10  detik pembacaan.
Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kemampuan masyarakat desa akan teknologi lokal, sehingga masyarakat memiliki kemampuan dalam memenuhi kebutuhan sendiri baik dalam hal melakukan perawatan dan perbaikan, bahkan juga jika akan membangun sendiri pembangkit  listrik  tenaga  air.  Hal  ini  juga  selaras  dengan  tantangan  yang  sedang  kita hadapi ke depan yaitu tantangan dalam menghadapi pasar bebas ASEAN.

## 2 Metode
Penelitian ini melakukan Pengembangan Monitoring System dan Electronic Load Controller pada  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Arus  Sungai  (PLTAS).  Metode  untuk  mewujudkan  itu dilakukan  dalam  tiga  tahapan  yaitu  :  perancangan,  implementasi  dan  uji  unjuk  kerja. Masing-masing tahapan memiliki fungsi sebagai berikut :
1. Perancangan  berfungsi  untuk  mencari  disain  rangkaian  yang  baik  dan  memilih komponen-komponen sesuai dengan rating yang dibutuhkan serta mudah diperoleh.
2. Implementasi berfungsi untuk mewujudkan prototipe sesuai disain yang sudah dibuat.
Dimulai dengan disain PCB menggunakan software eaglepcb kemudian memindahkan print out disain PCB ke plastik transparan yang selanjutnya disetrika pada papan PCB. Papan PCB yang sudah menempel gambar disain selanjutnya dilakukan etsa (etching). PCB yang telah di etsa kemudian pada setiap kaki komponennya dibor sesuai dengan ukuran  kaki  komponen.  Setelah  PCB  dalam  kondisi  benar  komponen  disolder  pada papan  PCB.  Program  akhir  kemudian  ditanamkan  pada  minimum  system  ELC  dan monitoring system untuk kemudian dilakukan pengujian.
3. Uji  Unjuk  Kerja  dilakukan  untuk  melihat  fungsi  per  bagian  blok  ELC  dan  monitoring system,  serta  fungsi  secara  keseluruhan.  Pengujian  fungsi  blok  ELC  dilakukan  mulai dari  input  proses  kendali  dan  output.  pengujian  input  untuk  mengetahui  kerja rangkaian  ZCD. Pengujian  proses  untuk mengetahui  fungsi pembacaan  frekuensi dan proses aktifasi TRIAC terhadap perubahan frekuensi. Pengujian blok monitoring system diawali  dengan  melakukan  kalibrasi  sensor  arus  dengan  membandingkan  alat  ukur referensi dan sensor arus yang dihubungkan dengan beban terkontrol. Beban diberikan meningkat  secara  bertahap  dengan  besar  beban  setiap  tahap  100  watt.  Setiap perubahan beban dicatat, data ini kemudian diregresi, persamaan dari hasil regrasi ini dijadikan  persamaan  dalam  menginterpretasi  nilai  arus  yang  diukur  oleh  sensor. Setelah setiap blok berfungsi dengan baik kemudian dirakit pada panel kontrol untuk
kemudian dilakukan pengujian lapangan yaitu pada sistem Pembangkit Listrik Tenaga Arus Sungai.

## 3 Perancangan
Skema dari pengembangan sistem pemantau parameter kelistrikan dan ELC terlihat seperti Gambar 1. Sistem yang dikembangkan ini digunakan pada pembangkit dengan daya target 2  KW.  Generator  yang  digunakan  jenis  generator  sinkron  tiga  phase,  220V/380V,  empat kutub hubungan Y (way), 20 kW, yang digerakkan oleh kincir air jenis breast shoot .
Gambar 1 Diagram pengawatan monitoring system dan ELC
Pada  sistem  pembangkit  berpenggerak  air  daya  generator  dipengaruhi  oleh  debit  air, sedangkan daya konsumen bervariasi. Agar frekuensi tetap maka putaran generator harus dijaga tetap pada 1500 rpm. ELC bertugas menjaga agar beban keseluruhan sama dengan daya  yang  dibangkitkan  generator,  walaupun  beban  konsumen  bervariasi.  Jika  beban konsumen  berkurang,  maka  kekurangan  daya  di  konsumen  akan  ditambahkan  oleh  ELC pada ballast  load ,  sehingga  daya  input  sama  dengan  daya  output.  Untuk  melakukan  itu
maka  beban  konsumen  dan ballast  load dihubungkan  paralel  pada  terminal  generator. Proses penyeimbangan beban tersebut seperti pada persamaan (1).
P G = P C + P B (1)
Dimana, P G =  Daya  yang dibangkitkan  generator (yang selalu  dijaga  konstan),  P C = beban konsumen,  dan  P B = ballast  load. Ballast  load merupakan  beban  resistive,  bisa  berupa lampu pijar atau heater .

## Gambar 2 Rancangan sistem keseluruhan
Seperti ditunjukkan Gambar 2, ELC yang dirancang terdiri dari trafo penurun tegangan pada setiap  phase,  penyearah  gelombang  penuh,  mikrokontroler,  saklar  elektronik  (TRIAC)  dan ballast  load .  Proses  pengendalian  dilakukan  oleh  mikrokontroler  seperti  pada  Gambar  3, yaitu  dengan  membaca  sinyal  ZCD,  kemudian  menghitung  periode  setengah  gelombang yang  berbanding  terbalik  dengan  frekuensi  listrik.  Perlu  diperhatikan  bahwa  bahwa  pada frekuensi  standar  50  Hz,  periode  setengah  gelombang  adalah  10.000  mikrodetik.  Jika periode setengah gelombang yang terjadi kurang dari 10.000 mikrodetik, berarti daya kincir
lebih besar dari beban konsumen, sehingga frekuensi melebihi 50 Hz dan tegangan phase melebihi  220V/380V.  Untuk  menjaga  frekuensi  dan  tegangan  konstan  pada  kondisi normal, maka  mikrokontroler akan  mengaktifkan  TRIAC  yang terhubung  pada ballast  load pada  periode  tertentu  sehingga  frekuensi  dan  tegangan  yang  berlebihan  turun.  Jika frekuensi dan tegangan turun di bawah nilai standar, maka TRIAC dinonaktifkan dan ballast load terputus  dari  jalur  daya.  Selang  waktu  TRIAC  pada  kondisi  aktif  ditentukan berdasarkan  selisih  antara  periode  setengah  gelombang  standar  (10.000  mikrodetik) dengan periode setengah gelombang sesaat. Semakin besar selisih periode, semakin besar selang  waktu  TRIAC  dalam  keadaan  aktif.  Perlu  diperhatikan  bahwa  pengendalian  TRIAC dilakukan setiap periode setengah gelombang untuk masing-masing phase.
Gambar 3 Diagram alir ELC
Pada  blok monitoring  system sensor  arus  dan  tegangan  adalah  input  sistem.  Data  yang terukur  itu  ditampilkan  pada  layar  LCD  yang  kemudian  disimpan  dalam  sebuah sd  card . Periode yang digunakan agar mikrokontroler menampilkan data pada layar LCD yaitu setiap
satu detik, sedangkan periode penyimpanan data ke dalam sd card adalah setiap 10 detik. Diagram alir dari proses monitoring system ini seperti terlihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Diagram alir monitoring system.

## 4 Implementasi
Untuk  mengimplementasikan  rancangan  ELC,  rangkaian  elektronik  dibuat  pada  dua  buah PCB, PCB I/O seperti Gambar 5 dan PCB untuk mikrokontroler seperti Gambar 6.
Gambar 5 PCB input dan output ELC

## Gambar 6 Minimum system ELC
Pada rangkaian mikrokontroler seperti Gambar 6, terdapat lampu indikator frekuensi yang fungsinya memberikan indikasi frekuensi yang terukur pada saat ELC beroperasi. Jika LED merah menyala mengindikasikan  frekuensi lebih  besar  dari 50,5 Hz,  dan  jika LED  kuning menyala  mengindikasikan  frekuensi  di  bawah  49,5  Hz,  sedangkan  jika  frekuensi  normal pada  49,5  –  50,5  Hz  LED  hijau  menyala.  Pada  rancangan monitoring  system juga  dibuat pada dua buah PCB, yaitu PCB untuk mikrokontroler (LCD display, modul sd card , RTC dan PCB pengkondisi sinyal sensor.

## Gambar 7 Pengujian ELC
Setelah  ELC,  rangkaian  proteksi  dan monitoring  system selesai  dirakit,  dilakukan pengecekan  untuk  memastikan  bahwa  rangkaian  telah  sesuai  dengan  rancangan  dan kemudian  dilakukan  uji  unjuk  kerja  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  7.  Pengujian  ELC dilakukan  dengan  menghubungkan  sisi  input  sistem  dengan  jaringan  tiga  phase  serta menghubungkan  sisi  output  sistem  dengan  beban.  Kemudian  pada  mikrokontroler ditanamkan  program  khusus  yang  membaca  periode  setengah  gelombang  input  untuk mengaktifkan TRIAC. Dengan program ini dipastikan bahwa input dan output dapat bekerja dengan  baik,  ditandai  dengan  beban  lampu  yang  menyala  dengan  kondisi  berkedip. Pengujian monitoring system dilakukan untuk memastikan setiap sinyal dari sensor dapat terbaca,  tampil  pada  layar  LCD  dan  dapat  tersimpan  ke  dalam sd  card .  Selain  itu, pembacaan  sensor  arus  dan  tegangan  dikalibrasi  dengan  membandingkan  pembacaan sensor dengan tang ampere dan voltmeter.
Gambar 8 Pengujian sistem elektronik

## Gambar 9 Pengujian pada PLTAS
Setelah  pengujian  berkerja  sesuai  rencana,  pengujian  dilanjutkan  dengan  uji  unjuk  kerja pada  sistem  pembangkit  listrik  tenaga  arus  sungai.  Pada  pengujian  unjuk  kerja  ELC dibebani  dengan  beban  terkontrol,  yaitu  dengan  menggunakan  lampu  pijar  pada  beban konsumen.  Beban  diberikan  meningkat  secara  bertahap.  Setelah  pengujian  untuk  kerja berjalan dengan baik, barulah beban konsumen sesungguhnya dihubungkan.
J.Oto.Ktrl.Inst (J.Auto.Ctrl.Inst)

## 5 Uji Unjuk Kerja
Berdasarkan  pengujian  yang  dilakukan  diperoleh  data  di  antaranya  yaitu  :  data  kalibrasi sensor arus, data unjuk kerja ELC dan data keseimbangan arus beban. Data unjuk kerja ini merupakan data hasil pengukuran yang tersimpan di dalam sd card monitoring system .
Gambar 10 Grafik kalibrasi sensor arus
Data  kalibrasi  sensor  arus  yang  telah  dilakukan  terlihat  pada  grafik  seperti  Gambar  10, data  ini  diregresi  sehingga  dihasilkan  persamaan  untuk  menghitung  arus  oleh mikrokontroler.
Gambar 11. Grafik unjuk kerja ELC.
Tahapan  pengujian  unjuk  kerja  ELC  pada  PLTAS  tampak  seperti  pada  Gambar  8  dan Gambar 9, pengujian dilakukan dengan dua kondisi, yaitu saat PLTAS beroperasi tanpa ELC dan  saat  PLTAS  beroperasi  dengan  ELC  seperti  pada  grafik  gambar  11.  Saat  PLTAS beroperasi tanpa  ELC  (1) terlihat jika  beban konsumen  tidak aktif  frekuensi naik tinggi  di atas  normal.  Namun  disaat  beban  konsumen  aktif  (2)  hingga  2000  miliampere  atau sebesar 400 watt, frekuensi mulai terlihat turun sesaat kemudian naik berfluktuasi di atas normal. Dari kondisi ini terlihat bahwa pembangkit tanpa terpasang ELC maka frekuensinya tidak akan terkendali. Pada periode berikutnya saat PLTAS beroperasi dengan ELC aktif (3) dan beban konsumen tetap, frekuensi mulai turun dan berfluktuasi pada kisaran 50 Hz, hal ini terjadi karena mikrokontroler mengaktifkan  TRIAC sehingga daya  dibuang pada ballast load sebesar  kekurangan  daya  yang  dibutuhkan.  Pada  saat  ELC  aktif  arus ballast load meningkat  berfluktuatif  di  atas  1500  miliampere.  Grafik  menunjukkan  saat  ELC  aktif,
frekuensi  generator  pada  PLTAS  tidakmelebihi  50,5  Hz,  walau  pun  beban  konsumen berubah-ubah (3,4,5). Namun pada grafik juga terlihat bahwa frekuensi bisa turun di bawah 49,5 Hz.
Gambar 12. Grafik arus beban.
Berdasarkan data pada sd card terlihat keseimbangan  phase pada beban konsumen dan ballast load seperti terlihat pada Gambar 12. Data ini sangat berguna bagi operator dalam melakukan  operasi  dan  perawatan.  Salah  satunya  sebagai  rujukan  dalam  pengaturan keseimbangan antar phasa pada beban konsumen.

## 6 Kesimpulan
Dari  hasil  pengujian  per  bagian  dan  uji  unjuk  kerja  dapat  disimpulkan  bahwa  alat monitoring  System dan Electronic  Load  Controller  (ELC) yang  dikembangkan  dapat berfungsi dan bekerja dengan baik sesuai dengan rencana. Pada saat ELC aktif, walau pun beban  konsumen  berubah-ubah,  frekuensi  konstan  tidak  lebih  dari  50,5  Hz.  Namun penurunan frekuensi di bawah 49,5 Hz terjadi dan tidak dapat dikontrol oleh ELC. Ini terjadi kemungkinan  disebabkan  pada  saat  beban  bertambah  cukup  besar  pada  saluran  kincir terjadi  turbulensi  dan  kincir  lambat  meningkatkan  putarannya  ke  putaran  nominal  (1500 rpm).  Sedangkan  fungsi monitoring  system juga  sesuai  dengan  rencana,  ini  ditunjukkan bahwa monitoring  system dapat  membaca  arus  setiap  phase,  dapat  menampilkan  pada LCD, dan dapat menyimpan data ke dalam sd card .

## 7 Ucapan Terima Kasih
Penelitian  ini  dapat  terlaksana  berkat  dukungan  dana  dari  DIKTI,  PEMDA  Sekadau  dan PEMDA Bengkayang melalui skema penelitian PENPRINAS MP3EI tahun 2012-2014.

## 8 Daftar Pustaka
[1] Gerald  Muller.  “Performance  Characteristics  of  Water  Wheels”, Journal  of  Hydrolic Research. Vol. 42, No.5(2004), pp. 451-460.
[2] James Senior, Patrick Wiemann, Gerald Muller.”The Rotary Hydraulic Pressure Machine for Very Low Head Hydropower Sites”. Civil Engineering, University of Southampton, UK.
[3] W.L.chen,  and  Y.Y.Hsu,  “Experimental  Evaluation  of  an  Isolated  Induction  Generator with Voltage and Frequency Control,” in IEEE 2006 International Symposium on Power Electronic, Electrical Drives, Automation and Motion , 2006, pp. 497-502.
[4] D.Henderson. “An Advanced Electronic Load Governor for Control of Micro Hydroelectric Generation”, IEEE Trans. Energy Convers., vol.13, no.3, pp. 300-304, sep.1998.
[5] Lucas.  G.  Scherer  and  Robinson.  F  de  Camargo.  “Frequency  and  Voltage  Control  of Micro  Hydro  Power  Stations  Base  On  Hydrolic  Turbine’s  Linier  Model  Applied  On
Induction Generators”, IEEE
[6] Nam  Win  Aung,  Aung  Ze  Ya.  Microcontroller  Based  Electrical  Parameter  Monitoring System  of  Electronic  Load  Controller  Used  in  Micro  Hydro  Power  Plant. Journal  of
Electrical  and  Electronic  Engineering. Vol.3,  No.  5,  2015,  pp.  97-109.doi: 10.11648/j.jeee.20150305.11.
[7] B,Singh, S.S. Murthy and S. Gupta. “Analysis and Implementation of an electronic load controller for a self-excited induction generator”, IEE Proc.-Gener. Transm. Distrib, Vol. 151, No.1, January 2004.
[8] Bhim  Singh,  Gaurav.  K.  Kasal,  Sanjay  Gairola.”Power  Quality  Improvement  in Conventional Electronic Load Controller for an Isolated Power Generation”. IEEE Trans.
On Energy Conv. Vol. 23, No. 3, September 2008.