Penulis: Victor Chris Samuel Purba, B.Eng, M.Eng., Ph.D.

Salah satu komponen penting dari sebuah smart grid adalah smart meter. Smart meter didefinisikan sebagai sebuah pembaca penggunaan energi seorang konsumen dari suatu perusahaan utilitas yang memiliki fungsi lebih dari hanya merekam penggunaan energi dan menampilkannya pada meteran itu sendiri. Apa yang disebut dengan smart meter tidak hanya membaca dan merekam penggunaan energi, tetapi juga dapat mengirimkan informasi tersebut pada perusahaan utilitas secara remote sehingga mereka tidak perlu mengirimkan karyawannya untuk mengecek meteran dari konsumen-konsumennya secara manual. Perbedaan arsitektur dari meteran yang konvensional dan smart meter dapat disimpulkan dalam bagan pada Gambar 1. Penggunaan smart meter sekarang ini tidak hanya digunakan untuk mengukur listrik saja, tetapi juga utilitas lain seperti air dan gas. Artikel ini hanya berfokus kepada smart meter untuk listrik.

Gambar 1. Arsitektur meteran konvensional dan smart grid [1]. Panah pada gambar menunjukkan arah komunikasi.

Konsep dari pengukuran secara remote, atau disebut remote metering, sebenarnya sudah diperkenalkan pada tahun 1960an, tetapi baru pada tahun 1977 T. Paraskevakos menciptakan sistem remote metering yang komersil dan dapat terotomatisasi untuk jaringan listrik [2]. Perusahaan-perusahaan dan negara-negara di dunia sekarang ini sudah menghabiskan uang yang tidak sedikit untuk memasang smart meter pada pengguna listrik [3]. Di Indonesia sendiri, meteran di mana konsumen memasukkan token untuk dapat mengakses listrik (disebut prepaid meter) juga dikategorikan sebagai smart meter.

Penggunaan smart meter dalam sebuah jaringan listrik pada jaman sekarang akan semakin penting. Selain kemampuan pembacaan secara remote, smart meter juga dapat menjalankan perintah kontrol secara remote, memonitor dan mengontrol peralatan listrik rumah tangga dengan persetujuan konsumen, serta dapat mengumpulkan informasi diagnostik mengenai jaringan distribusi dan berkomunikasi dengan smart meter lainnya [1]. Kebutuhan akan pengukuran yang akurat dan tersinkronisasi antara utilitas dan konsumer juga semakin penting dikarenakan semakin pesatnya keberadaan generasi terdistribusi (yaitu, energi terbarukan pada sistem distribusi) di mana perusahaan utilitas tidak hanya menjual, tetapi juga membeli listrik dari konsumen, sehingga membutuhkan informasi yang tepat mengenai jumlah energi yang dihasilkan oleh kedua pihak pada jaringan listrik [3]. Selain merekam pembacaan energi, smart meter juga dapat merekam informasi terkait lainnya, seperti daya faktor, daya aktif, reaktif, dan daya semu (apparent power), harmonik, serta pemadaman listrik [4]. Smart meter pada negara-negara di mana transaksi energi dilakukan secara market-based dapat melakukan demand response. Di sini, konsumen dapat membaca harga dari listrik secara real time sehingga dapat memindahkan beban kepada saat harga listrik lebih murah [5].

Skema mengenai sistem smart meter diilustrasikan pada Gambar 1. Sistem tersebut menggunakan beberapa perangkat kontrol, sensor untuk mengetahui parameter elektrik, dan beberapa perangkat untuk mengirimkan data sinyal perintah [1]. Perpindahan data dari smart meter dapat dibagi menjadi 2 bagian (seperti pada Gambar 1), yaitu pada Local Area Network (LAN) dan Wide Area Network (WAN). Jika hanya ada satu konsumen pada suatu sistem smart meter, maka data langsung dikirim ke internet melalui gateway. Sistem komunikasi yang biasa digunakan pada sistem smart meter adalah komunikasi seluler [6,7], power line communication (PLC) [8], yaitu perpindahan data melalui medium jaringan listrik, Zigbee [9], dan Wi-Fi [4]. Jenis mikroprosesor/mikrokontroler untuk membaca dan memroses data sensor juga berbeda-beda. Jika hanya untuk membaca data sensor dan memroses data tersebut secara sederhana, mikrokontroler yang biasa digunakan sekarang adalah Arduino [4,7]. Artikel ini akan membahas satu model smart meter yang diajukan oleh [4]. Model ini dapat diimplementasikan menggunakan alat-alat pada laboratorium IEE.

Gambar 2. Bagan smart meter yang menggunakan teknologi IoT yang diajukan oleh [4].

Skema dari sistem smart meter yang diajukan oleh [4] diilustrasikan pada Gambar 2. Komponen-komponen utama dari sistem ini adalah Arduino UNO ATMEGA328, Modul Wi-fi ESP8266, transformer arus, transformer tegangan, dan satu layar LCD 16×2. Data kemudian dikirimkan melalui Wi-fi ke platform IoT ThingSpeak yang digunakan untuk mengumpulkan dan menyimpan data dalam cloud, serta dapat diakses melalui web browser atau aplikasi mobile.

Pada sistem ini, transformer arus dan tegangan digunakan untuk menurunkan arus dan tegangan (step down) dari sumber sehingga berada pada jangkauan yang dapat dibaca oleh Arduino, yaitu 0 – 5 V. Dalam hal ini, transformer dengan rating 230V/10V dan 5A/5mA untuk transformer tegangan dan arus digunakan. Kemudian, sebuah ofset DC ditambahkan sehingga nilai mereka berada pada jangkauan tersebut. Arus dan tegangan yang telah diturunkan ini dihubungkan pada pin input analog dari Arduino untuk dibaca. Selanjutnya daya aktif, reaktif, semu, energi, dan faktor daya dapat dihitung dan ditampilkan pada LCD. Urutan dari komputasi parameter elektrik berdasarkan data mentah, yaitu data bacaan langsung dari sensor, adalah sebagai berikut: [4]

1. Ukur nilai mentah dari tegangan dan arus melalui port ADC dari Arduino dan mulai sebuah counter untuk menghitung jumlah dari sampel digital (N) yang terkumpul pada waktu tertentu.
2. Saring nilai offset dari sampel mentah yang terkumpul untuk mendapatkan nilai instan tegangan dan arus (kita sebut dan ).
3. Cari nilai instan daya aktif dengan mengalikan dengan .
4. Hitung beberapa parameter elektrik berikut:
   1. Tegangan dalam RMS (root mean square): ,
   2. Arus dalam RMS: ,
   3. Daya aktif rata-rata: ,
   4. Daya semu: ,
   5. Faktor daya:
5. Hitung energi dari daya aktif dalam basis per satu detik.
6. Tambah hitungan energi per detik secara terus menerus untuk mendapatkan bacaan yang sebenarnya.

Gambar 3. Flow chart proses bekerja smart meter yang diajukan oleh [4].

Flow chart proses bekerja dari smart meter ini ditunjukkan pada Gambar 3. Proses ini dimulai dengan inisialisasi dan mendirikan koneksi menggunakan modul Wi-fi. Jika terhubung, maka kemudian mendirikan koneksi dengan channel IoT, dalam hal ini menggunakan ThingSpeak. Lalu, arduino mulai membaca data analog dari sensor, yaitu arus dan tegangan dari sumber yang telah diturunkan dengan transformer. Selanjutnya, semua parameter elektrik dihitung, yaitu daya aktif, reaktif, semu, faktor daya, dan energi. Data parameter elektrik diunggah ke ThinkSpeak dan ditampilkan di layar LCD.

Pada artikel ini, kita membahas mengenai definisi dan kegunaan smart meter pada suatu jaringan listrik. Perbedaan mendasar dengan meteran konvensional, yaitu smart meter memiliki kemampuan untuk mengirimkan suatu informasi kepada perusahaan utilitas, beserta perbedaan arsitektur mereka telah dibahas. Salah satu desain dari sistem smart meter dari literatur yang menggunakan alat-alat yang relatif mudah didapatkan dan terjangkau juga telah dijelaskan pada artikel ini.

Daftar Pustaka

[1] S. S. S. R. Depuru, L. Wang, V. Devabhaktuni and N. Gudi, “Smart meters for power grid — Challenges, issues, advantages and status,” 2011 IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition, 2011, pp. 1-7, doi: 10.1109/PSCE.2011.5772451.

[2] S. Nimbargi, S. Mhaisne, S. Nangare and M. Sinha, “Review on AMI technology for Smart Meter,” 2016 IEEE International Conference on Advances in Electronics, Communication and Computer Technology (ICAECCT), 2016, pp. 21-27, doi: 10.1109/ICAECCT.2016.7942549.

[3] L. Peretto, “The role of measurements in the smart grid era,” in IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, vol. 13, no. 3, pp. 22-25, June 2010, doi: 10.1109/MIM.2010.5475163.

[4] S. Saha, S. Mondal, A. Saha and P. Purkait, “Design and Implementation of IoT Based Smart Energy Meter,” 2018 IEEE Applied Signal Processing Conference (ASPCON), 2018, pp. 19-23, doi: 10.1109/ASPCON.2018.8748696.

[5] L. I. Minchala-Avila, J. Armijos, D. Pesántez and Y. Zhang, “Design and Implementation of a Smart Meter with Demand Response Capabilities,” in Energy Procedia, vol. 103, doi: 10.1016/j.egypro.2016.11.272.

[6] L. Labib, et. al., “Design and implementation of low-cost universal smart energy meter with demand side load management,” in IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 11, no. 16, pp. 3938-3945, doi: https://doi.org/10.1049/iet-gtd.2016.1852.

[7] B. Sahani, T. Ravi, A. Tamboli and R. Pisal, “IoT based smart energy meter,” in International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 2017, vol.4, no. 4, pp. 96-102.

[8] G. Aurilio, D. Gallo, C. Landi, M. Luiso and G. Graditi, “A low cost smart meter network for a smart utility,” 2014 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) Proceedings, 2014, pp. 380-385, doi: 10.1109/I2MTC.2014.6860772.

[9] V. Preethi and G. Harish, “Design and implementation of smart energy meter,” 2016 International Conference on Inventive Computation Technologies (ICICT), 2016, pp. 378-382, doi: 10.1109/INVENTIVE.2016.7823225.