## Rancang Bangun 3 Phase Energy Meter untuk Analisis Kualitas Daya di Industri
Sri Wahyudi 1 , Eka Prasetyono 1 , Dimas Okky Anggriawan 1 , Mike Yuliana 1 , Anang Budikarso 1
1 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia Departemen Teknik Elektro
Surabaya, Indonesia E-mail: dimas@pens.ac.id

## Abstrak
Kualitas daya listrik merupakan salah satu hal yang penting dalam aplikasi di industri. Kualitas daya yang baik meningkat  kestabilan  dan  efisiensi  sistem  kelistrikan  di  industri  sehingga  terjadi  penghematan  biaya  produksi. Pemakaian  energi  pun  juga  harus  dipantau  untuk  keperluan  analisis  efisiensi  energi  listrik.  Oleh  karena  itu, makalah ini merancang sebuah alat yang bernama 3 phase energy meter yang dapat memonitor pemakaian energi dan kualitas daya untuk industri dengan sistem kelistrikan 3 fasa. 3 phase energy meter dilengkapi dengan sistem IoT sehingga pengamatan hasil pengukuran setiap sistem kelistrikan yang ada di industri dapat dilakukan di satu titik tanpa harus mendatangi lokasi. Hasil pengujian 3 phase energy meter menunjukkan bahwa 3 phase energy meter  mampu  mengukur besaran arus, tegangan,  ketidakseimbangan tegangan,  ketidakseimbangan arus,  faktor daya, daya aktif, daya reaktif dan daya total. Alat 3 phase energy meter dapat meningkatkan efisiensi produksi melalui analisis kualitas daya.
Kata kunci: 3 fasa, energy meter, kualitas daya, industri, IoT

## Abstract
The  quality  of  electric  power  is  one  of  the  important  things  in  the  industrial  application.  Good  power  quality increases stability and efficiency electrical system in industrial application so occurs saving in production costs. Energy consumption must also be monitored for the purpose of analyze electrical energy efficiency. Therefore, this paper designs a prototype the named a 3 phases energy meter that can monitor energy consumption and power quality for industry with a 3 phases electrical system. The 3 phases energy meter is equipped with an IoT system so that the observation of the measurement results of every electrical system in the  industry can be done at one point without having to go to the location. The testing result of 3 phase energy meter show that 3 phase energy meters capable for measure of current, voltage, voltage unbalance, current unbalance, power factor, active power, reactive  power  and  total  power.  The  prototype  of  3  phases  energy  meter  can  improve  production  efficiency through power quality analysis.
Keywords: 3 phases, energy meter, power quality, industry, IoT

## 1. Pendahuluan
Seiring dengan perkembangan jaman, sektor  industri semakin berkembang pesat. Banyak industri manufaktur  yang  didirikan  untuk  menghasilkan
produk  yang  dapat  menunjang  kebutuhan  manusia. Dan  agar  sebuah  industri  dapat  beroperasi  dengan baik,  dibutuhkan  ketersediaan  energi  listrik  sebagai salah  satu  kebutuhan  utama  dalam  produksi  industri tersebut  di  samping  bahan  baku.  Umumnya  sebuah
Jurnal Integrasi Vol. 15 No. 1, April 2023, 63-70 e -ISSN: 2548-9828
industri  membutuhkan  energi  listrik  yang  besar  saat beroperasi.  Dan  penyediaan  energi  listrik  tersebut merupakan  salah  satu  pengeluaran  terbesar  dari sebuah industri.
Berdasarkan  data  dari  kementrian  ESDM  Total konsumsi listrik sektor industri sepanjang tahun 2018 mencapai 76,345 TWh atau tumbuh 32,85 persen dari tahun sebelumnya, yaitu 71,72 TWh. Pertumbuhan ini didapat dari 87.829 pelanggan terdiri dari pelanggan prabayar  (23.602)  dan  pascabayar  (64.227).  Dari tahun  ke  tahun  penjualan  listrik  didominasi  oleh sektor industri  yang jumlah pelanggannya  sekitar 69 ribu atau naik 10 ribu dari tahun 2016 ke tahun 2017. Ini  menandakan  bahwa  sektor  industri  adalah  sektor yang  cukup  berpengaruh  pada  pemakaian  energi nasional.
Oleh  karena  itu  apabila  pemakaian  energi  tidak dipantau dengan baik akan menyebabkan pembengkakan  pada  biaya  produksi  yang  akan mengakibatkan  kerugian  pada  industri  tersebut. Selain  pemakaian  energi,  kualitas  daya  listrik  juga harus  di  pantau  sedemikian  rupa,  karena  selain mengakibatkan  losses  energi,  kualitas  daya  listrik yang jelek juga dapat mengakibatkan kerusakan pada peralatan  produksi  yang  akan  menambah  biaya pengeluaran  untuk  perawatan  dari  peralatan  industri tersebut.  Oleh  karena  itu  penulis  berencana  untuk merancang sebuah 3  phase  energy  meter yang dapat memantau pemakaian energi listrik pada mesin mesin industri yang menggunakan sistem 3 fasa secara real time .  Dalam  penelitian  sebelumnya energy  meter yang    di  buat  dengan  menggunakan  chip ADE7880ACPZ  yang  di  produksi  oleh  Analog Device yang mana chip tersebut memiliki harga yang relatif  mahal, oleh karena itu  dalam penelitian ini di kembangkanlah energy  meter dengan  menggunakan chip STM32TR yang di produksi oleh ST-Microelectronics yang memiliki harga relatif lebih murah. 3 phase energy meter ini juga dapat mengukur beberapa  parameter  kualitas  daya  seperti  daya  aktif, daya reaktif, power factor , nilai RMS arus, nilai RMS tegangan, under and overvoltage , unballance voltage dan unballance  current .  Yang  kemudian  hasil pengukuran  ini  akan  diolah  oleh  mikrokontroller
ARM STM 32 dan di cloudkan ke dalam database dan ditampilkan  dengan  GUI  ( Graphic  User  Interface ) pada  layar  smartphone  /  PC  dari  operator  /  teknisi. Selain  diukur  juga  terdapat  fitur  perekapan  kualitas daya  untuk  keperluan  analisa  seperti power  factor terendah , unballance tertinggi dan penentuan apakah parameter  kualitas  yang  diukur  sudah  sesuai  dengan standard  atau  belum.. 3  phase  energy  meter juga dilengkapi  dengan overcurrent  detection yang  dapat mendeteksi  arus  lebih  dan  memutusnya  lewat magnetic  contactor serta  memberikan  notifikasi gangguan  ke  pesan  telegram . Sebagai  catatan tambahan proses pemutusaan ketika terjadi gangguan overcurrent dilakukan  secara instant bukan invers , dan  juga  untuk 3  phase  energy  meter ini  hanya  bisa mengukur  dan  menampilkan  hasil  analisa  parameter kualitas daya dan pemakaian energi pada setiap mesin bukan satu industri, setelah itu pihak operatorlah yang bertindak  untuk  strategi  penghematan  energi  dan perbaikan kualitas daya yang akan dilakukan.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1 Design Penelitian
Untuk  diagram  alir  dari  proses  penelitian  ini ditunjukan pada gambar 1.

## 2.1 Perancangan Blok Diagram
Untuk memahami prinsip kerja sistem secara lengkap, maka di buatlah blok diagram yang menggambarkan prinsip kerja sistem secara keseluruhan. Dan berikut ini adalah  gambar blok  diagram dari 3 phase energy meter .
Gambar  2. Blok diagram sistem
Apabila  dilihat  pada  gambar  2  prinsip  kerja  dari 3 phase  energy  meter yaitu  sebagai  berikut.  Arus  dan tegangan  pada  setiap  line  3  fasa(  R,  S,  T  )  akan  di sensing oleh sensor arus( Current Transformer ) dan sensor  tegangan( Voltage  Divider )  yang  kemudian data hasil sensing ini akan masuk ke ADC IC power meter STPM32, data arus dan data tegangan tersebut akan  diolah  di  dalam IC  Power  Meter tersebut menjadi data - data parameter yang dibutuhkan untuk keperluan  analisis  kualitas  daya  seperti  daya  aktif, daya reaktif, power factor , nilai RMS arus, nilai RMS tegangan, under and overvoltage, unbalance voltage dan unbalance  current .  Yang  kemudian  data  -  data tersebut akan disimpan ke dalam register yang ada di dalam IC  Power  Meter tersebut  dan  dapat  diambil oleh mikrokontroller melalui komunikasi SPI. Data – data ini kemudian diolah lagi di dalam mikrokontroller dan disimpan ke cloud/web node red lewat  modul  ESP  8266,  untuk  protokol  komunikasi yang digunakan sendiri adalah protokol MQTT. Data –  data  yang  telah  tersimpan  di  cloud  dapat  dilihat melalui layar komputer/ smartphone dengan
GUI(  Graphic  User  Interface  )  yang  telah  di  buat untuk  memudahkan  operator  dalam  pembacaan. Selain  diukur  juga  terdapat  fitur  perekapan  kualitas daya  untuk  keperluan  analisa  seperti power  factor terendah, unballance tertinggi  serta  data  logger pemakaian  energi.  Selain  itu 3  phase  energy  meter juga  dilengkapi  dengan overcurrent  detection yang apabila  terjadi  arus  lebih  pada  sistem  yang  di monitoring  maka  mikrokontroller  akan  memutus magnetic  contactor pada  sistem  melalui  relay  yang terhubung  dengan  GPIO  mikrokontroller  serta mengirimkan notifikasi gangguan ke pesan telegram.

## 2.2 Pembuatan Hardware
Untuk proses pembuatan harwarenya sendiri terdiri dari  proses  pembuatan board PCB  dan  proses perangkaian  pada  panel  kayu  untuk  keperluan  uji coba. Dan untuk penelitian ini jenis mikrokontroller  yang  digunakan  adalah  ARM STM32F4  yang  di  solder  langsung  pada  board 3 phase energy meter .
Gambar  3. Board PCB yang sudah di solder
Gambar  4. Pemasangan board pada panel

## 2.3 Pembuatan Software
Software  yang  di  buat  di  sini  berupa  proses pemrograman dan kalibrasi 3 phase energy meter .
Selain  itu  juga  di  buat  bot  telegram  dan  tampilan web  yang  berguna  untuk  menampilkan  hasil pengukuran dan analisis kualitas daya dari 3 phase energy  meter .  Untuk  proses  kalibrasinya  sendiri terbagi  menjadi  kalibrasi  arus,  kalibrasi  tegangan dan kalibrasi sudut fasa. Dan untuk kalibrasi yang dilakukan adalah kalibrasi  satu  titik. Beban listrik diberi sumber tegangan 1 fasa kemudian tegangan dan  arus  tersebut  diukur  dengan power  meter eksternal  sekaligus  di  hubungkan  dengan 3  phase energy meter , hasil pengukuran pada power meter eksternal  dibandingkan  dengan  hasil  pembacaan nilai  register  pada 3  phase  energy  meter .  Nilai register  tegangan  ini  bisa  diamati  pada  tampilan debug software keil. Nilai register yang berubah-ubah tersebut kemudian dicatat pada tabel dan  pada  pengambilan  nilai  data  register  ini diambil 20 data. Untuk perhitungan nilai kalibrator arus dan tegangan diawali dengan perhitungan nilai target register sebagai berikut.

## (1)

## Di mana :
X v = Nilai target register dalam hexadecimal V n = Nilai tegangan terukur
A v = Gain register tegangan (2) cal v = Calibrator register tegangan (0,875) V ref = Tegangan referensi register (1,2 V) R1  = Resistor 1 voltage divider R2  = Resistor 2 voltage divider
(2)
Di mana : X i = Nilai target register dalam hexadecimal I n = Nilai arus terukur
A i = Gain register arus (2) cal i = Calibrator register tegangan (0,875) k s = Nilai sensitivitas sensor arus V ref = Tegangan referensi register (1,2 Volt)
Setelah  perhitungan  nilai  target  register,  maka  tahap selanjutnya  adalah  perhitungan  nilai  word  kalibrator arus  dan  tegangan.  Untuk  perhitungannya  bisa menggunakan rumus sebagai berikut.
(3)
Di mana :
CHV= Nilai word kalibrator
X v = Nilai target register dalam hexadecimal V AV = Nilai rata rata register dalam hexadecimal
(4)
Di mana :
CHC= Nilai word kalibrator
X i = Nilai target register dalam hexadecimal I AV = Nilai rata rata register dalam hexadecimal
Sedangkan  untuk  proses  kalibrasi  sudut  fasa dilakukan  dengan  cara  mengukur  nilai  daya  aktif dengan  power  meter  eksternal  dan  juga  diamati pada  tampilan  debug  software  keil  (ST-Link terpasang). Setelah itu nilai daya hasil pengukuran power  meter eksternal  dan  nilai  register  pada tampilan debug di masukan ke dalam perhitungan untuk  mendapatkan  nilai  error  seperti  yang ditunjukan pada persaamaan berikut.
(5)
Di mana :
e = Nilai error daya aktif
P m = Nilai daya pada 3 phase energy meter P i = Nilai daya pada power meter eksternal
Setelah itu di hitung nilai error dalam sudut, untuk rumus  perhitungan  nilai  error  dalam  sudut ditunjukan pada persamaan berikut.
(6)
Dimana :
= Nilai error dalam sudut
E = Nilai error daya aktif
Q = Sudut fasa ketika pengukuran (acos (cos Q))
Untuk  nilai  Q  ini  bisa  didapatkan  pada  saat
pengukuran  dengan  menggunakan  power  meter eksternal dengan melihat nilai cos Q pada tampilan power meter. Setelah didapatkan nilai error dalam sudut, maka langkah selanjutnya adalah menghitung  nilai correction  factor .  Dan  berikut adalah rumusnya.
(7)
Dimana : = Nilai correction factor
= Nilai error dalam sudut
Dan  untuk  perhitungan  nilai  kalibrator phase compensation dapat menggunakan patokan pada tabel 1.
Tabel 1. Perhitungan kalibrator phase compensation
Dan  untuk  pembuatan  web  dilakukan  dengan menggunakan  node-red  dengan  IBM  Cloud  sebagai server.  Sedangkan  untuk  pembuatan  bot  telegram dilakukan  dengan  menggunakan  BotFather  dan Manybot.  Dan  berikut  ini  adalah  tampilan  program flow dari web pada node-red.
Gambar  5. Program flow web pada node-red
Sedangkan untuk tampilan dari bot telegram yang telah di buat bisa dilihat pada gambar 6. Pada bot
telegram  tersebut  terdapat  3  buah  tombol  bantu yaitu On  Relay untuk  menyalakan  beban  melalui relay ,  Off  Relay untuk  mematikan  beban  melalui relay dan Resume untuk menampilkan resume atau hasil dari pengukuran dan analisa .
Gambar  6. Tampilan bot telegram

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada tahap ini dilakukan pengujian secara keseluruhan sistem yang sudah di buat. Pengujian ini dilakukan dengan  menggunakan sumber 1  fasa  yang di pararel karena tidak tersedianya sumber 3 fasa saat pengujian,  pengujian  ini  hanya  bertujuan  untuk melihat apakah keseluruhan sistem sudah bisa bekerja dan  menampilkan  data  atau  belum  ketika  di gabungkan,  pengujian  seharusnya  menggunakan sumber 3 fasa asli. Pengujian dimulai dengan proses menyalakan  alat,  mengamati  tampilan  monitoring pada web baik untuk bagian metering maupun untuk bagian  resume,  kemudian  dilanjutkan  dengan meresume  hasil  metering  pada  pesan  telegram,  dan simulasi apabila terjadi gangguan over current. Untuk tampilan  web  saat  pengujian  diperlihatkan  pada gambar
7-gambar 10.
Gambar  7. Tampilan web monitoring energy, unballance dan cos
Q
Gambar  8. Tampilan web grafik tegangan dan arus
Gambar  9. Tampilan web monitoring daya aktif dan daya reaktif
Gambar  10. Tampilan web untuk resume
Kemudian  dilanjutkan  dengan  menampilan  resume pada  bot  telegram  dan  simulasi  ketika  terjadi overcurrent. Dan tampilan resume pada bot telegram
diperlihatkan  pada  gambar  12  dan  ketika  terjadi gangguan overcurrent ditunjukan pada gambar 11 .
Gambar  11. Tampilan bot telegram ketika terjadi overcurrent
Gambar  12. Tampilan resume pada telegram
Dan terlihat pada gambar 11, ketika terjadi gangguan overcurrent ,  maka  relay  akan  langsung  memutus kontaktor  magnit, dan terdapat pesan  notifikasi pada telegram.  Untuk  pemutusan  gangguan overcurrent sendiri  dilakukan  secara instant .  Sedangkan  untuk penentuan  kondisi  gangguan  tegangan  diperlihatkan pada gambar 13-gambar 15.
Gambar  13. Tampilan ketika tegangan normal
Gambar  14. Tampilan ketika voltage interruption
Gambar  15. Tampilan ketika undervoltage
Ketika  kondisi  tegangan  normal  di  mana  tegangan terukur  berada  di  rentang  Vn-10%  sampai  Vn+5% maka  tampilan  web  akan  seperti  gambar  13 dan keterangan  yang  ditampilkan  pada  kolom quality adalah  normal,  sedangkan  ketika  terjadi  gangguan tegangan, yaitu ketika tegangan terukur berada di atas Vn+5%  atau  di  bawah  Vn-10%  maka  sistem  akan menghitung  waktu  ketika  terjadi  gangguan  dan tampilan  pada  kolom quality tertampil  detik  waktu perhitungan seperti yang ditunjukan pada gambar 14, dan  ketika  gangguan  tegangan  terjadi  lebih  dari  1 menit/60 detik maka akan ditampilkan jenis gangguan yang  terjadi  (undervoltage/overvoltage)  seperti  yang ditampilkan pada gambar 15 .

## 4. Kesimpulan
Setelah  melalui  proses  perencanaan,  pembuatan, integrasi  dan  pengujian.  Maka  didapatkan  beberapa kesimpulan yaitu 3 phase energy meter yang di buat untuk  keperluan  pengukuran  energi  dan  kualitas daya  di  industri  sudah  bisa  bekerja  dengan  cukup baik, 3 phase energi meter yang di buat  memiliki batas  pengukuran  terutama  untuk  arus  dan tegangan dimana arus maksimum yang bisa di ukur adalah 10 A RMS dan tegangan line-line maksimum yang bisa terukur adalah 380 V RMS , semakin jelek kualitas daya pada sistem maka semakin boros pula pemakaian energinya, untuk keperluan monitoring energi  dan  kualitas  daya  pada  web  sebaiknya menggunakan  jaringan  wifi  yang  cukup  baik agar data  bisa  dikirimkan  secara  lebih real  time ,  agar program komunikasi SPI untuk mendapatkan nilai register power meter bisa berjalan lebih lancar dan minim  error,  maka  perlu  menggunakan  program FreeRTOS untuk membagi looping pada mikrokontroller.

## Daftar Pustaka
[1]. Basel  Alsayyed  Ahmad,  Hoda  H.  ElSheikh,
Abbas  Fadoun. Review  of  Power  Quality
Monitoring  Systems .  Dubai:  United  Arab Emirates University, 2015
[2]. Dong-Jun  Won,  Il-Yop  Chung,  Joong-Moon Kim,  Student  Member,  Seung-Il  Moon, Jang-Cheol  Seo,  Jong-Woong  Choe,  Member.
Development  of  Power  Quality  Monitoring System with Central Processing Scheme . Korea:
Seoul National University,2002
[3]. Dugan Roger C., McGranaghan Mark F., Beaty H.  Wayne. Electrical  Power  System  Quality . New York : McGraw-Hill, 1996
[4]. Eddy L. Medeiros, Edson G. Costa, George R. S. Lira, Alex C. R. Alves and Caio V. A. Diniz. A  Low  Cost  Power  Quality  Meter  over the Internet . Brazil: Campina Grande, 2016
[5]. Fuchs, Ewald F. & Masoum, Mohammad A. S. Power  Quality  in  Power  System  and  Electrical Machines. Elsevier Inc, 2008
[6]. G. Petrović, I. Šimić, J.A. Bosnić, P. Mostarac. Power  Quality  Meter  Based  on  FPGA  and LabVIEW . Slovakia: Proceedings of the 11th
International Conference, 2017
[7]. Handal Fadhela K., Rashid Abdulmuuttalib T. A Prototype Design for Three Phase Smart Energy Meter. Irak : University of Basrah, 2017
[8]. Khosy  S.,  Ballal  M.  S.,  Suryawanshi  H.  M., Power quality analysis and its effect on Energi
Meter  Readings  and  Life  Expectancy .  India:
International  Conference  on  Circuit,  Power and Computing Technologies, 2014
[9]. Li  Penghui,  Zhao  Lijie,  Bai  Haijun,  Zhang Yanhua. Power  Quality  Monitoring  of  Power System  Based  on  Spectrum  Analysis .  China:
Shen Yang,2010
[10]. Maity  Tanmoy,  Das  Partha  Sarathi. A  Novel Three Phase Energy Meter Model Wireless Data Reading  and  Online  Billing  Solution. IEE Symposius on Computers & Informatics. India :
Durgapur Institute of Advanced Technology and
Management, Durgapur, 2011
[11]. Ming Zhang and Kaicheng Li. A Power Quality Monitoring  System  over  the  Internet .  China:
International Conference on Information
Science and Engineering, 2009
[12]. Masoud  Aliakbar  Golkar. Electric  Power Quality : Types and Measurements . Hong Kong:
Intemational  Conference  on  Electric  Utility Deregulation, 2004
[13]. Nuno R. Ramos, Pedro Pereira, Jo˜ao F. Martins.
Smart-Meter  in  Power  Quality .  Portugal:
International Young Engineers Forum
(YEF--ECE), 2017
[14]. Shuying  Yang. Method  of  Measuring  Power Quality  and  Development  of  Monitor  Device .
China:  North  China  Electric  Power  University,
2010
[15]. Wang  Fei,  Yang  Fan,  Liu  Tainyu,  Hu Xiaoguang. Measuring  Energy  Meter  of Three-phase Electricity-Stealing Defense
System. IEEE  Conference  on  Industrial
Electronics  and  Applications. China  : Beihang
University, 2011