Adi Candra
Swastika
School of
Electrical Engineering and Informatics
Institut
Teknologi Bandung
Bandung,
Indonesia
Resa Pramudita
School of
Electrical Engineering and Informatics
Institut
Teknologi Bandung
Bandung,
Indonesia
Reviewer : Denny Anggara
Abstrak
Smart Grid dan Internet of Things
(IoT) adalah dua teknologi yang menjadi sangat berkembang akhir-akhir ini.
Dalam perspektif penghematan energi, jaringan cerdas adalah solusi yang sangat
baik untuk mengoptimalkan konsumsi energi sementara IoT dapat menjadi solusi
yang menawarkan kemudahan bagi konsumen untuk memiliki metode realtime untuk
mengontrol dan memantau penggunaan energi di rumah. Dalam makalah ini penulis
mengajukan rancangan rancangan sistem smart grid berbasis IoT untuk smart home.
Arsitektur protokol yang diusulkan untuk digunakan, kerja sistem, dan tantangan
dalam desain sistem dianalisis sehingga desain yang diusulkan dapat
meningkatkan optimalisasi sistem Smart grid itu sendiri.
Pada saat ini, sistem jaringan
listrik konvensional bisa dibilang ketinggalan jaman untuk dapat mengejar
pertumbuhan permintaan yang cepat untuk ketersediaan energi listrik. Perubahan
iklim global semakin parah setiap tahun, membuat para ilmuwan industri tenaga
listrik berlomba-lomba membuat sistem inovasi untuk menggantikan jaringan
listrik yang ada saat ini.
Teknologi yang saat ini sedang
dikembangkan secara intensif adalah smart grid atau smart electrical grid
system. Menurut D. Subagio dalam presentasinya, dijelaskan bahwa smart grid
khususnya di Indonesia, didorong oleh beberapa faktor penting, termasuk
peningkatan penggunaan energi, khususnya energi listrik rata-rata 3% per tahun.
Penggunaan energi terus meningkat seiring dengan pertumbuhan ekonomi dan
populasi. Dalam pandangan energi Indonesia 2013, menurut dijelaskan bahwa
peningkatan kebutuhan energi rata-rata diperkirakan sebesar 4,7% per tahun
selama tahun 2011 hingga 2030. Penggunaan Subsidi Bahan Bakar terus meningkat
setiap tahun, pertumbuhan penduduk diperkirakan oleh Bappenas dan BPS untuk
periode 2011-2030 rata-rata pertumbuhan 1,23% per tahun.
II. LITERATURE REVIEW
A.
Smart Grid System
Grid pintar akan menjadi salah satu
aplikasi paling penting dalam abad terakhir. Menurut M. Hamed, ia
menjelaskan bahwa smart grid memiliki beberapa definisi termasuk kutipan dari
(IEC 2010) smart grid adalah jaringan listrik pintar yang mampu
mengintegrasikan tindakan atau kegiatan semua pengguna, mulai dari pembangkit
listrik hingga konsumen di pesan. untuk membuat keamanan listrik yang efisien,
berkelanjutan, ekonomis dan suply. Sementara itu, menurut kutipan lain dari
Departemen Energi Amerika Serikat, bahwa teknologi jaringan cerdas dimungkinkan
oleh teknologi komunikasi dua arah, sistem kontrol, dan pemrosesan komputer. Teknologi
canggih ini termasuk sensor canggih yang dikenal sebagai Phasor Measurement
Units (PMUs) yang memungkinkan operator untuk menilai stabilitas jaringan,
meter digital canggih yang memberikan informasi yang lebih baik kepada konsumen
dan melaporkan penghentian otomatis, relay yang wajar dan pulih dari kesalahan
di gardu secara otomatis, sebuah saklar pengumpan otomatis yang mengarahkan
kekuatan di sekitar masalah, dan baterai yang menyimpan energi berlebih dan
membuatnya tersedia nanti ke jaringan untuk memenuhi permintaan pelanggan.
B.
Internet of Things
IoT adalah paradigma baru dalam
teknologi komunikasi belakangan ini. Konsep IoT yaitu "di mana saja, kapan
saja, setiap media" mendorong perkembangan teknologi komunikasi.
Menurut M. Yun, B. Yuxin,
pertumbuhan teknologi komunikasi antar perangkat menimbulkan beberapa
pertanyaan dan tuntutan baru untuk mengoptimalkan kerja sistem itu sendiri, dan
sistem IoT sangat mungkin digunakan sebagai sistem yang dapat lakukan optimasi.
Ini menjelaskan mengapa IoT sangat diinginkan baru-baru ini, di mana teknologi
IoT dengan jutaan perangkat dapat dengan mudah dihubungkan dalam satu jaringan.
Sistem IoT memiliki tiga
karakteristik penting:
1. Komprehensif
akal: seperti penggunaan RFID, sensor, kode dua dimensi untuk mengumpulkan
informasi dari objek kapanpun dan dimanapun.
2. Transmisi yang
andal: menyediakan data akurat untuk menyediakan informasi waktu nyata dari
objek melalui jaringan telekomunikasi dan Internet yang saling beriringan.
3. Pemrosesan
cerdas: menggunakan komputasi cerdas seperti komputasi awan dan identifikasi fuzzy
untuk menganalisis dan memproses sejumlah besar data dan informasi, untuk
tujuan menerapkan kontrol cerdas ke objek.
C.
Implementation of IoT for Smart Home
Sistem rumah pintar dapat menjadi
bagian penting dari sistem jaringan cerdas. Smart home adalah cara penting
untuk mewujudkan interaksi real-time antara pengguna dan jaringan, meningkatkan
kapasitas jaringan listrik dari layanan terintegrasi, memenuhi permintaan untuk
pemasaran interaktif dan meningkatkan kualitas layanan. Aplikasi rumah pintar,
seperti yang dijelaskan oleh M. Kaur, S. Kalra, sistem jaringan cerdas yang
dibuat untuk ruang lingkup rumah dapat digunakan untuk menggabungkan jaringan
komunikasi, peralatan listrik dan layanan listrik.
D.
IoT Layer
Menurut IoT dapat dibagi menjadi 4
lapisan yang terdiri dari lapisan perangkat, lapisan jaringan, lapisan awan,
dan lapisan aplikasi
Lapisan perangkat terdiri dari dua
sub lapisan, benda, dan gerbang. Dalam kasus sub-lapisan terdapat smart plug
dan smart meter yang umumnya digunakan untuk mengukur konsumsi daya di area
lokal. Ada juga beberapa sensor yang digunakan untuk mengukur perubahan di
rumah dan nantinya akan diproses menjadi pesanan. Fungsi utama dari gateway
adalah untuk menghubungkan lapisan perangkat dan lapisan jaringan. Pada lapisan
bawah gerbang ada modul komunikasi yang memungkinkan komunikasi terjadi antara
sub-layer dan sub layer gateway. Fungsi utama dari lapisan jaringan di sini
adalah untuk menghubungkan lapisan perangkat dan lapisan aplikasi melalui
komunikasi nirkabel atau berbasis kawat.
E.
IoT Communication Technologies and Standard
Dengan begitu banyak perangkat yang
digunakan dalam IoT, jadi kami harus menjelaskan beberapa komunikasi dan
teknologi standar yang memungkinkan perangkat berkomunikasi satu sama lain.
1.
Zigbee
Zigbee adalah teknologi komunikasi
nirkabel yang dikembangkan oleh Zigbee Alliance [10]. Zigbee bekerja di atas
standar IEEE 802.15.4 dalam pita 2,4 GHz atau 915/868 MHz yang tidak
berlisensi. Zigbee dapat menangani jaringan mesh dan memiliki konsumsi daya
yang rendah.
2.
Bluetooth Low
Energy (BLE)
Bluetooth adalah komunikasi nirkabel
berdaya rendah yang dirancang dan dikembangkan oleh Bluetooth Special Interest
Group. Dibandingkan Bluetooth konvensional, BLE menggunakan lebih sedikit daya.
3.
Home Plug
Home Plug adalah bagian dari PLC
(Power Line Communication), di mana komunikasi menggunakan kabel listrik untuk
membawa sinyal listrik dan arus secara bersamaan.
4.
LoRa
LoRaWAN adalah spesifikasi dari Low
Power Wide Area Network (LPWAN) yang ditujukan untuk baterai nirkabel yang
dioperasikan pada hal-hal di jaringan regional, nasional atau global.
5.
XMPP
XMPP (Extensible Messaging and Precense Protocol) is a
technology based on open XML for real time communication.
6.
HTTP
HTTP (HyperText Transfer Protocol)
adalah protokol data tingkat aplikasi berdasarkan TCP / IP (Transmission
Control Protocol / Internet Protocol).
III. MODEL DESIGN
Implementasi desain IoT dalam
makalah ini akan fokus pada implementasi IoT di smart grid dan smart home, di
mana mereka tidak dapat dipisahkan. Model desain IoT dalam grid cerdas
diilustrasikan pada Gambar
A. Proposed Architecture
Server akan mengelola dua operasi, yaitu server jaringan cerdas yang dikendalikan oleh SCADA (Kontrol Data dan Kontrol Akuisisi) dan bertanggung jawab atas respons permintaan energi. Yang kedua adalah aplikasi dan server cloud yang mengontrol layanan cloud, seperti kontrol notifikasi konsumen melalui telepon pintar dan kontrol otomasi rumah.
B. Topology
Setiap rumah dalam satu area akan terhubung melalui Home Gateway dengan topologi jaringan mesh. Menggunakan topologi jaringan ini, implementasi Radio Frequency (RF) dalam komunikasi antara Home Gateway atau yang biasa disebut Wireless Mesh Network (WMN) dapat dimungkinkan dan kemudian dapat mengurangi biaya implementasi. Dalam lingkup yang lebih besar kita dapat menggunakan teknologi LoRa untuk mendukung WMN.
C. Network Protocol
Ada beberapa protokol yang digunakan dalam makalah ini. Misalnya, lapisan perangkat menggunakan standar IEEE 1901.2010, sedangkan perangkat sensor menggunakan BLE atau Zigbee. Semua protokol akan terhubung dan diproses lebih lanjut oleh gateway rumah berdasarkan komputer mini Raspberry Pi. Berbagai jenis perangkat sensor akan diimplementasikan untuk mendukung otomatisasi rumah dan manajemen energi. Misalnya, ketika sensor gerak tidak mendeteksi pengguna di suatu ruangan, beberapa perangkat elektronik dapat dimatikan secara otomatis.
D. APP Server
Implementasi HTTP dan XMPP dilakukan di bagian ini dan berfungsi untuk berkomunikasi dengan server koneksi FCM. Server aplikasi akan mengirim pesan ke server koneksi FCM, pesan akan dikirim ke Aplikasi Klien.
E. FCM/GCM Connection Server
Server koneksi FCM / GCM berfungsi untuk menerima pesan dari server aplikasi dan kemudian meneruskannya ke aplikasi klien.
F. Client App
Pesan dari server koneksi FCM / GCM akan diterima oleh aplikasi klien. Setiap aplikasi klien harus didaftarkan terlebih dahulu untuk mendapatkan ID sebelum dapat digunakan.
IV. CHALLENGES IN THE IOT-BASED SMART GRID SYSTEM DESIGN FOR SMART HOME
Ada sejumlah tantangan untuk sistem jaringan cerdas berbasis IoT, yaitu: komunikasi, biaya, keamanan informasi, dan stabilitas koneksi yang akan dijelaskan lebih lanjut di bawah ini:
a. Cost
Karena sistem baru yang masih belum diimplementasikan di Indonesia, pengembangan sistem smart grid cukup mahal. Misalnya, menurut Prof. Martin Djamin, e.a [17] mengatakan pengembangan jaringan cerdas di Amerika Serikat menghabiskan biaya sekitar $ 1 triliun, dan Inggris membutuhkan investasi sebesar $ 2,56 miliar untuk memanfaatkan jaringan cerdas. Terlepas dari investasi energi terbarukan sebagai sistem energi alternatif, itu juga relatif mahal, efisiensinya masih kecil.
b. Information Security
Serangan cyber yang mungkin terjadi pada sistem smart grid biasanya menyerang kontrol grid cerdas, gangguan dan memblokir lalu lintas pada informasi jaringan smart grid, serta server yang terinfeksi malware. Beberapa konsekuensi yang terjadi ketika sistem smart grid diserang oleh peretas, menurut beberapa literatur seperti A. B. Setiawan, A. Syamsudin, dan Y. Rosmansyah, dan K. Kaur dan N. Kumar adalah
Penyampaian informasi yang salah dikirim oleh peretas dalam bentuk data palsu sehingga sistem tidak dapat menerima data dengan benar.
Server cloud diserang oleh malware pada sistem, memungkinkan pihak yang tidak berwenang untuk mengontrol peralatan di rumah.
Ada beberapa contoh kasus serangan pada sistem smart grid yang terjadi:
1.) Stuxnet Virus
virus ini pertama kali terdeteksi pada tahun 2010 di mana virus menyebar melalui penggunaan USB flash drive dan menyerang sistem SCADA pada smart grid, menurut statistik 60% virus yang menyebar melalui media ini.
2. Night Dragon Virus
Virus ini sering menyerang perusahaan yang bergerak di sektor energi dengan menyerang komputer di perusahaan dengan sistem operasi Windows untuk mendapatkan informasi rahasia di perusahaan seperti rincian keuangan, perusahaan penawaran, dan lain-lain.
3.) Slammer worm virus
Dari sejumlah referensi virus ini menginfeksi pembangkit listrik di Ohio yang menyebabkan pembangkit listrik berhenti beroperasi untuk beberapa waktu.
4.) Communication and connection stability
Sistem smart grid adalah sistem pintar, smart here artinya sistem dapat bekerja secara otomatis untuk menangkap respon sistem secara real-time, misalnya dalam sistem grid pintar ketika distribusi daya di suatu area berlebih, maka respon dari sistem akan meredistribusi sebagian kelebihan listrik ke kurangnya pasokan listrik lokal, sehingga distribusi listrik berjalan efisien.
Untuk merespon dalam sistem realtime dari satu area ke area lain akan membutuhkan komunikasi antara sistem yang memiliki respon cepat dan latensi kecil sehingga komunikasi antara setiap komponen atau bagian dari sistem grid pintar berjalan lancar untuk memaksimalkan penggunaan listrik yang efektif dan dapat diandalkan.
Conclusion
IoT telah merevolusi teknologi informasi dan telekomunikasi dan membawa kemungkinan teknologi jaringan cerdas dan rumah pintar. Makalah ini telah membahas ikhtisar IoT yang mendukung jaringan cerdas dan teknologi rumah pintar. Lebih jauh lagi, menerapkan IoT dalam jaringan cerdas dapat mengurangi konsumsi energi, tetapi lebih banyak tantangan harus dihadapi sebelum kita sampai di sana. Saat ini, Indonesia sedang dalam pengembangan jaringan cerdas dan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Indonesia (BPPT) mengatakan bahwa sebelum tahun 2025, teknologi smart grid dapat diimplementasikan setidaknya 50% untuk mendukung keberadaan kota pintar.