Prasetyo Wahyudi Hardyanto (1), Sujito Sujito (2), Syahrul Zain Firmansyah (3), Muh. Fahri Fathurrahman (4)
General Background Overcurrent safety mechanisms maintain power grid reliability and prevent equipment damage from electrical short circuits and overloads. Specific Background Digital relays based on modern microcontrollers provide precise time-current behaviors necessary for proper distribution system coordination. Knowledge Gap Existing digital setups frequently lack integrated remote observation capabilities combined with rapid processing architecture. Aims This study designs an ESP32-based safety framework utilizing two specific inverse time formulas for real-time monitoring. Results Testing with overload inputs between 1.40 A and 2.95 A at a 0.6 A pickup showed accurate isolation without false triggering during normal conditions. The moderate curve yielded disconnection times ranging from 1.31 to 6.08 seconds, whereas the extreme curve provided significantly faster responses ranging from 0.10 to 1.08 seconds. Novelty The architecture successfully merges an ESP32 processing unit, a PZEM-004T sensor, and a logic shifter to closely replicate industrial IEC 60255 standards while simultaneously enabling continuous Internet of Things telemetry. Implications This responsive digital configuration offers an economical and stable solution for modern electrical grids and serves as a highly effective educational simulation tool.
The engineered micro-controller accurately identifies excessive electrical loads without inappropriate triggering during normal capacity operations.
Disconnection speeds strictly adhere to IEC 60255 norms, demonstrating accelerated responses during high-magnitude anomalies.
Internet of Things integration enables continuous remote observation of operational status and measurable parameters.
Power System Security; Internet Of Things; Digital Relay; Response Time; Remote Observation
Proteksi arus lebih merupakan komponen penting dalam menjaga keandalan sistem tenaga listrik karena gangguan seperti hubung singkat dan beban lebih dapat menyebabkan kerusakan peralatan serta pemadaman berskala luas. Overcurrent Relay (OCR) dirancang untuk mendeteksi arus berlebih dan memutus jaringan sesuai karakteristik waktu-arus tertentu yang umumnya mengikuti kurva Standard Inverse, Very Inverse, hingga Extremely Inverse [1]. Karakteristik inverse ini memberikan waktu pemutusan yang semakin cepat seiring meningkatnya arus gangguan sehingga lebih sesuai untuk koordinasi proteksi dalam sistem distribusi. Kebutuhan akan relay yang presisi dan adaptif ini mendorong banyak penelitian dalam pengembangan OCR digital berbasis mikrokontroler [2].
Penelitian terdahulu menunjukkan bahwa mikrokontroler mampu meniru karakteristik kerja relay industri dengan akurasi yang memadai. Frandhiyawan, Winarno, dan Rahmatullah (2018) merancang rele arus lebih berbasis Arduino dan IoT, yang mampu melakukan monitoring arus secara real-time melalui jaringan internet, membuktikan bahwa teknologi IoT meningkatkan kapabilitas pemantauan sistem proteksi [3]. Cahayahati dan Zoni (2017) juga mengembangkan OCR berbasis ATmega 8535 dengan kurva inverse, yang hasilnya menunjukkan bahwa mikrokontroler mampu mengimplementasikan karakteristik inverse secara stabil dan sesuai teori proteksi. Penelitian-penelitian tersebut mengonfirmasi bahwa mikrokontroler dapat menjadi alternatif ekonomis dan fleksibel bagi sistem proteksi digital [4].
Studi berikutnya memperkuat arah pengembangan OCR digital. Aulia dkk. (2023) merancang Arduino-based inverse overcurrent relay dengan berbagai jenis kurva inverse dan menunjukkan bahwa perangkat digital mampu menghasilkan waktu trip yang presisi terhadap arus gangguan. Wijaya, Ihsandi, Nainggolan, dan Murdiyat (2020) menambahkan bahwa pengaturan Time Multiplier Setting (TMS) dalam relay berbasis Arduino memberikan fleksibilitas dalam setting proteksi layaknya relay komersial [5]. Selain itu, penelitian oleh Ali dkk. (2021) tentang simulator kurva Standard Inverse dan Constant Time membuktikan bahwa mikrokontroler mampu mensimulasikan perilaku relay industri dengan baik untuk kebutuhan penelitian maupun pembelajaran [6].
Walaupun banyak penelitian menggunakan Arduino, platform tersebut memiliki keterbatasan pada kecepatan pemrosesan, stabilitas komunikasi nirkabel, dan integrasi sistem monitoring berskala besar. Pengembangan teknologi mikrokontroler modern seperti ESP32, yang memiliki prosesor lebih cepat dan konektivitas Wi-Fi/Bluetooth bawaan, membuka peluang untuk mengembangkan OCR digital yang lebih responsif dan terintegrasi [7]. Oleh karena itu, penelitian berjudul “Monitoring Overcurrent Relay dengan Karakteristik Standard Inverse dan Extremely Inverse Berbasis ESP32” menjadi penting untuk menghasilkan sistem proteksi yang tidak hanya presisi dalam mengikuti kurva proteksi standar, tetapi juga mampu menyediakan monitoring real-time yang lebih akurat dan efisien bagi sistem tenaga listrik modern [8].
A. Desain Alat Dengan Aplikasi
Rangkaian ini dirancang menggunakan aplikasi Fritzing dengan alat dan komponen yang digunakan diantaranya :
1. Mikrokontroler (ESP-32S)
2. Sensor PZEM-004T
3. Relay modul 5 V
4. LCD 16x2 I2C
5. Logic Shifter 3,3 V/5 V
6. Kabel Jumper
7. Baterai
B. Pembuatan Program
Pemrograman sistem dilakukan menggunakan Arduino IDE dengan bahasa pemrograman C/C++. Program dirancang untuk membaca data arus dari sensor PZEM-004T, kemudian memproses data tersebut berdasarkan algoritma karakteristik Standard Inverse dan Extremely Inverse. Nilai arus yang terbaca dibandingkan dengan nilai setting arus (pickup current) untuk menentukan kondisi normal atau gangguan.
Apabila arus terukur melebihi nilai setting, ESP32 akan menghitung waktu trip berdasarkan persamaan kurva inverse yang digunakan. Setelah waktu trip terpenuhi, ESP32 memberikan sinyal ke modul relay untuk memutus beban. Selain itu, data arus, status relay, dan kondisi trip dikirimkan secara real-time ke aplikasi Blynk melalui koneksi Wi-Fi sebagai media monitoring jarak jauh [9].
C. Diagram Blok
Gambar 2 merupakan ilustrasi diagram perancangan yang digunakan pada sistem ini. Diagram ini terdiri dari 3 bagian utama yaitu perancangan input, proses dan output.
Diagram perancangan sistem dibuat untuk mempermudah perancangan prototype dan mengetahui alur sistem secara sederhana. Pada bagian input ini terdapat 4 komponen yaitu, power supply dari powerbank, power supply dari PLN, Button untuk memulai sistem, dan modul sensor PZEM-004T 100 A.
Pada bagian proses terdapat modul NodeMCU ESP32S sebagai perangkat yang memproses input dan meneruskan ke bagian output. Pada bagian output terdapat 4 komponen yaitu, lampu, setrika, LCD display I2C, dan aplikasi blynk.
Cara Kerja
1. Push Button
Menentukan jenis / tipe yang akan diuji dengan menekan tombol/ push button.
2. Sensor PZEM-004T membaca arus pada beban
PZEM-004T mengukur arus yang mengalir pada rangkaian beban secara real-time dan menghasilkan data pengukuran digital.
3. Mengirim data ke ESP32S
Hasil pembacaan arus (dan tegangan) dari PZEM-004T dikirim ke mikrokontroler ESP32S melalui komunikasi serial.
4. Logic shifter mengubah tegangan 3.3 V → 5 V
Karena output kontrol ESP32S hanya 3.3 V, logic shifter menaikkan level tegangan menjadi 5 V agar sesuai dengan kebutuhan input coil relay.
5. Relay menerima perintah dari ESP32S
Berdasarkan logika proteksi (misalnya arus melebihi setting), ESP32S memberikan sinyal ke relay untuk trip atau on/off, sehingga rangkaian beban dapat diputus.
6. LCD menampilkan data real-time
Layar LCD menampilkan informasi penting seperti arus, tegangan, status trip, serta kondisi relay sehingga dapat memantau sistem secara langsung.
7. Monitoring
Monitoring secara real-time dapat diakses melalui aplikasi yang sudah terhubung pada perangkat melalui wifi
8. Push Button Reset
Melakukan reset dengan menekan tombol button, untuk mereset atau mengembalikan sistem menjadi kondisi normal [10].
D. Pembuatan
Tahap pembuatan alat merupakan proses perwujudan rancangan sistem monitoring overcurrent relay berbasis ESP32 yang telah dirancang pada tahap desain. Proses ini meliputi perakitan perangkat keras (hardware), pemrograman perangkat lunak (software), serta integrasi sistem monitoring berbasis aplikasi. Tujuan utama dari tahap ini adalah memastikan setiap komponen dapat bekerja sesuai fungsi dan saling terintegrasi dalam satu sistem proteksi arus lebih yang utuh.
Perangkat keras dirakit dengan menghubungkan mikrokontroler ESP32 sebagai pusat kendali sistem dengan sensor arus PZEM-004T, modul relay 5 V sebagai pemutus beban, LCD 16×2 I2C sebagai media tampilan lokal, logic shifter sebagai penyesuai level tegangan, serta push button sebagai pengatur mode dan reset sistem. Seluruh komponen dihubungkan menggunakan kabel jumper dan diberi catu daya yang sesuai baik dari sumber PLN maupun powerbank sebagai suplai ESP32. Berikut adalah tabel wiring alat untuk mempermudah merangkai :
1. Wiring ESP 32 - PZEM 004T
2. Wiring ESP 32 - LCD I2C 16x2
3. Wiring ESP 32 - RELAY 5 V
4. Wiring ESP 32 – Push Button
Perakitan perangkat keras dilakukan sesuai dengan diagram blok dan wiring yang telah dirancang. Sensor PZEM-004T dihubungkan ke ESP32 melalui komunikasi serial UART, dengan pin RX dan TX masing-masing terhubung ke GPIO16 dan GPIO17. Sensor ini berfungsi membaca arus dan tegangan beban secara real-time menggunakan CT eksternal dengan kapasitas hingga 100 A.
LCD 16×2 I2C dihubungkan ke ESP32 menggunakan jalur komunikasi I2C, yaitu pin SDA pada GPIO21 dan SCL pada GPIO22. LCD digunakan untuk menampilkan nilai arus, tegangan, status relay, serta kondisi trip sistem. Modul relay 5 V dihubungkan ke GPIO13 ESP32 melalui logic shifter untuk menyesuaikan level tegangan kontrol dari 3,3 V menjadi 5 V agar relay dapat bekerja dengan stabil.
Push button digunakan sebagai input manual untuk memilih jenis karakteristik kurva proteksi (Standard Inverse atau Extremely Inverse) serta untuk melakukan reset sistem setelah terjadi trip. Dengan konfigurasi ini, sistem mampu bekerja secara otomatis sekaligus memberikan kontrol manual kepada pengguna [11].
Pengujian dilakukan untuk memastikan bahwa setiap blok penyusun sistem serta keseluruhan sistem Overcurrent Relay (OCR) berbasis ESP32 dapat bekerja sesuai dengan perancangan dan teori proteksi arus lebih. Pengujian difokuskan pada akurasi pembacaan arus, respon waktu trip berdasarkan karakteristik Standard Inverse dan Extremely Inverse, keandalan modul relay sebagai pemutus beban, serta kemampuan sistem dalam melakukan monitoring secara real-time melalui aplikasi berbasis internet.
A. Uji Blok
Pengujian blok bertujuan untuk mengetahui kinerja masing-masing bagian sistem secara terpisah sebelum diintegrasikan menjadi satu kesatuan sistem proteksi.
1. Uji Blok ESP 32
Jika menggunakan Sumber dari laptop atau kabel charger hp tegangan yang bisa diperoleh ESP32S hanya 3,3 V dan maksimal di 4,67 V tidak bisa mencapai 5 V. Jika menggunakan adapator 9 V maka ESP32S mendapatkan tegangan sebesar 5,2 V.
2. Uji Blok Sensor PZEM 004T
Pengujian sensor arus dilakukan dengan membandingkan hasil pembacaan arus dari sensor PZEM004T dengan alat ukur standar berupa amperemeter. Beban divariasikan sehingga menghasilkan arus mulai dari kondisi normal hingga mendekati arus pickup yang telah ditetapkan sebesar 0,01 A. Hasil pengujian menunjukkan bahwa sensor mampu membaca arus dengan tingkat deviasi yang relatif kecil dan masih berada dalam batas toleransi pengukuran, sehingga layak digunakan sebagai input sistem proteksi arus lebih.
3. Uji Blok Relay Modul 5 V Active Low
Pada rangkaian komponen ini menggunakan relay 5 V berfungsi sebagai kontrol tegangan saat NO (Normally Open) dan NC (Normally Close) saat terjadi gangguan. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kondisi relay.
4. Uji Blok Logic Shifter
Pengujian logic shifter dilakukan untuk memastikan kesesuaian level tegangan logika antara mikrokontroler ESP32 yang beroperasi pada level tegangan 3,3 V dengan modul relay yang bekerja pada level kontrol 5 V serta memiliki karakteristik active low. Pada relay jenis ini, kondisi logika LOW pada pin input akan mengaktifkan relay, sedangkan kondisi logika HIGH akan menonaktifkan relay. Perbedaan level tegangan dan karakteristik logika tersebut menjadikan penggunaan logic shifter sebagai komponen penting untuk menjamin keandalan sistem.
Metode pengujian dilakukan dengan memberikan sinyal logika HIGH dan LOW dari ESP32 ke input logic shifter, kemudian mengukur tegangan keluaran logic shifter yang terhubung ke pin input relay. Saat ESP32 mengeluarkan logika HIGH (≈3,3 V), logic shifter menerjemahkannya menjadi logika HIGH (≈5 V) pada sisi keluaran, sehingga relay berada pada kondisi tidak aktif (OFF). Sebaliknya, ketika ESP32 mengeluarkan logika LOW (≈0 V), logic shifter menghasilkan tegangan keluaran mendekati 0 V yang menyebabkan relay berada pada kondisi aktif (ON) dan memutus atau menghubungkan beban sesuai konfigurasi kontak relay [12].
Pengujian lanjutan dilakukan dengan mengintegrasikan logic shifter ke dalam sistem proteksi arus lebih. Pada saat sistem mendeteksi arus gangguan dan status trip aktif, ESP32 memberikan sinyal LOW ke logic shifter sehingga relay aktif dan rangkaian beban terputus. Hasil pengujian menunjukkan bahwa logic shifter mampu meneruskan sinyal kontrol secara konsisten tanpa kesalahan logika, serta tidak mempengaruhi waktu respon relay secara signifikan.
5. Uji Blok LCD dan Monitoring Blynk
Pengujian LCD I2C dilakukan dengan menampilkan informasi arus, tegangan, status trip, serta jenis kurva yang aktif. Seluruh informasi dapat ditampilkan dengan jelas dan diperbarui secara periodik. Sementara itu, pengujian monitoring melalui aplikasi Blynk menunjukkan bahwa data arus, tegangan, dan status proteksi dapat dipantau secara real-time melalui smartphone, sehingga mendukung fungsi monitoring jarak jauh pada sistem proteksi.
6. Uji Blok Push Button
Setelah terjadi trip, sistem diuji dengan melakukan reset menggunakan tombol reset manual. Ketika tombol ditekan, status trip dihapus dan ESP32 kembali mengirimkan sinyal logika HIGH ke logic shifter, sehingga relay active low kembali ke kondisi tidak aktif dan rangkaian beban dapat terhubung kembali. Selama proses pengujian, status arus, tegangan, jenis kurva, serta kondisi trip dapat dipantau secara real-time melalui LCD dan aplikasi monitoring berbasis internet. Hal ini menunjukkan bahwa sistem monitoring tidak mengganggu fungsi utama proteksi.
B. Uji Sistem
Pengujian sistem dilakukan untuk mengevaluasi kinerja keseluruhan sistem monitoring dan proteksi arus lebih berbasis ESP32 setelah seluruh blok penyusun sistem terintegrasi secara penuh. Sistem yang diuji meliputi sensor arus PZEM-004T, mikrokontroler ESP32, logic shifter 3,3 V–5 V, modul relay 5 V active-low sebagai pemutus beban, LCD I2C, serta sistem monitoring berbasis internet. Tujuan pengujian ini adalah memastikan sistem mampu mendeteksi arus lebih, menghitung waktu trip sesuai karakteristik Standard Inverse dan Extremely Inverse. Berikut pengujian yang telah dilakukan :
Tabel Uji 1 Sistem Dengan TMS (0,15 dan 0,03)
Tabel Uji 2 Sistem Dengan TMS (0,25 dan 0,06)
Pengujian dilakukan untuk mengevaluasi kinerja Overcurrent Relay (OCR) dengan karakteristik Standard Inverse (SI) dan Extremely Inverse (EI) berdasarkan standar IEC 60255. Sistem diuji pada beberapa kombinasi beban untuk melihat pengaruh besar arus, multiple of pickup (M), serta nilai Time Multiplier Setting (TMS) terhadap waktu trip dan status relay. Selain itu, sistem juga tidak mengalami false trip, data arus dan tegangan tampil stabil pada LCD, serta nilai pengukuran dapat dipantau secara real-time melalui aplikasi monitoring [13].
Parameter tetap pada seluruh pengujian:
1. Tegangan sistem : 220 V
2. Arus pickup (Iset) : 0,6 A
3. Arus maksimum sistem : 3 A
4. Kurva inverse : SI dan EI
a. Analisis Tabel Uji 1 Sistem dengan TMS (0,15 dan 0,03)
Pada tabel pertama, digunakan:
TMS SI = 0,15
TMS EI = 0,03
1) Beban Kecil (Lampu 1 W)
Baris 1 dan 2 menunjukkan pengujian dengan beban lampu 1 W yang menghasilkan arus 0,04 A dengan nilai M = 0,0075. Karena nilai M jauh lebih kecil dari 1, maka arus tidak mencapai pickup. Akibatnya, baik pada kurva SI maupun EI, relay tidak bekerja (tertutup) dan tidak terjadi trip. Hal ini membuktikan bahwa sistem proteksi tidak sensitif terhadap beban normal atau sangat kecil, sehingga aman dari nuisance trip.
2) Beban Besar (Setrika 1 + Setrika 2)
Pada baris 3 dan 4, kombinasi dua setrika menghasilkan arus 2,95 A dengan nilai M = 4,92. Nilai ini jauh melebihi arus pickup, sehingga OCR masuk ke daerah kerja. Pada kondisi ini :
a) Kurva SI dan EI sama-sama menghasilkan trip (relay terbuka).
b) Waktu trip tercatat ON, menunjukkan bahwa relay bekerja sesuai karakteristik inverse.
c) Kurva EI secara teori memiliki waktu trip lebih cepat dibanding SI karena TMS lebih kecil.
3) Beban Menengah (Setrika + Lampu 9 W)
Baris 5–8 menunjukkan kombinasi beban menengah dengan arus antara 1,40–1,63 A dan nilai M antara 2,33–2,72. Pada kondisi ini:
a) Arus telah melewati pickup.
b) Relay bekerja baik pada kurva SI maupun EI.
c) Semua kondisi menghasilkan trip, menunjukkan bahwa OCR responsif terhadap gangguan arus lebih pada level menengah.
Kesimpulan TMS 0,15 dan 0,03 : Setelan TMS kecil menyebabkan waktu trip relatif cepat, terutama pada kurva EI, sehingga cocok untuk sistem yang memerlukan respon proteksi cepat terhadap arus lebih.
b. Analisis Tabel Uji 2 Sistem dengan TMS (0,25 dan 0,06)
Pada tabel kedua, digunakan:
TMS SI = 0,25
TMS EI = 0,06
Secara umum, kombinasi beban dan nilai arus terukur sama dengan tabel pertama. Perbedaan utama terletak pada nilai TMS yang lebih besar.
Sama seperti pengujian sebelumnya, beban lampu 1 W tidak menyebabkan trip baik pada kurva SI maupun EI. Hal ini menegaskan bahwa perubahan TMS tidak berpengaruh apabila arus belum mencapai pickup.
Pengujian dengan kombinasi Setrika 1 (350 W) dan Setrika 2 (300 W) menghasilkan total daya sebesar 650 W. Arus terukur pada kondisi ini adalah 2,95 A, sehingga diperoleh nilai multiple of pickup (M) sebesar 4,92. Nilai M yang jauh lebih besar dari 1 menunjukkan bahwa arus telah melampaui batas pickup (Iset = 0,6 A).
Pada kondisi ini, baik kurva Standard Inverse (SI) maupun Extremely Inverse (EI) bekerja dengan baik dan menyebabkan relay membuka (trip). Namun, karena nilai TMS pada pengujian ini lebih besar, maka waktu trip yang dihasilkan menjadi lebih lama dibandingkan dengan pengujian TMS sebelumnya. Meskipun demikian, kurva EI tetap memiliki waktu trip lebih cepat dibandingkan kurva SI karena karakteristik inverse yang lebih tajam.
Pengujian beban menengah dilakukan menggunakan kombinasi setrika dan lampu, yaitu:
Setrika 1 (350 W) + Lampu (9 W)
Setrika 2 (300 W) + Lampu (9 W)
Pada kombinasi Setrika 1 dan lampu, arus terukur sebesar 1,63 A dengan nilai M = 2,72, sedangkan pada kombinasi Setrika 2 dan lampu arus terukur sebesar 1,40 A dengan nilai M = 2,33. Kedua nilai M tersebut berada di atas nilai pickup, sehingga OCR berada pada daerah kerja.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada kondisi beban menengah ini, relay tetap mengalami trip (terbuka) baik pada kurva SI maupun EI. Namun, dibandingkan dengan beban besar, waktu trip menjadi lebih lama karena nilai M lebih kecil. Selain itu, peningkatan nilai TMS menyebabkan waktu trip lebih panjang dibandingkan pada pengujian TMS sebelumnya [14].
C. Analisis
Analisis ini bertujuan untuk membandingkan hasil uji eksperimental OCR dengan perhitungan waktu trip secara teoritis berdasarkan standar IEC 60255 pada karakteristik Standard Inverse (SI) dan Extremely Inverse (EI). Parameter utama yang digunakan adalah arus pickup (Iset = 0,6 A), multiple of pickup (M), serta Time Multiplier Setting (TMS).
1 Analisis Perbandingan Hasil Uji Dengan Perhitungan Teori
Perhitungan teori menggunakan rumus sebagai berikut :
t= (K x TMS)/(M^(α )-1)
dengan :
t = waktu kerja relay (detik)
TMS = Time Multiplier Setting
M = Multiple of Pickup
M = I / Ipickup
I = arus gangguan (A)
Ipickup = arus setting relay (A)
K dan α = konstanta sesuai jenis karakteristik relay
Untuk masing-masing karakteristik yang digunakan dalam penelitian ini, nilai konstanta adalah sebagai berikut:
a. Standard Inverse
Time Standard Inverse = (0,14 x TMS)/(M^0,02 -1)
b. Extremely Inverse
Time Extremely Inverse = (80 x TMS)/(M^2 -1)
1) Tabel Uji 1 Dengan TMS (0,15 dan 0,03)
No. 1 dengan beban 1 lampu (1 W) – Kurva Standard Inverse
Hitung arus beban
I= P/V= 1/220=0,0045=0,004 A
Hitung Multiple of Pickup
M= I/Iset= 0,04/0,6=0,007
Karena M < 1, maka arus belum mencapai pickup, sehingga relay tidak bekerja
No. 2 dengan beban 1 lampu (1 W) – Kurva Extremely Inverse
No. 3 dengan beban setrika 1 (350 W) + setrika 2 (300 W) – kurva Standard Inverse
Daya total
I=350 + 300 =650 W
Arus Beban
I= P/V= 650/220=2,95 A
Multiple of Pickup
M= 2,95/0,6=4,92
Waktu Trip
t = (0,14 x 0,15)/(〖4,92〗^0,02 -1)
t=0,021/(1,032 -1)
t=0,021/( 0,032)=1,27 detik
No. 4 dengan beban setrika 1 (350 W) + setrika 2 (300 W) – kurva Extremely Inverse
Dengan daya dan arus sama
t = (80 x 0,03)/(〖4,92〗^2 -1)
t=2,4/(24,2 -1)
t=2,4/( 23,2)=0,10 detik
No. 5 dengan beban setrika 1 (350 W) + Lampu (9 W) – kurva Standard Inverse
I=350 + 9 =359 W
I= P/V= 359/220=1,63 A
M= 1,63/0,6=2,72
t = (0,14 x 0,15)/(〖2,72〗^0,02 -1)
t=0,021/(1,020 -1)
t=0,021/( 0,020)=2,85 detik
No. 6 dengan beban setrika 1 (350 W) + lampu (9 W) – kurva Extremely Inverse
Dengan daya dan arus sama, Multiple of Pickup :
t = (80 x 0,03)/(〖2,72〗^2 -1)
t=2,4/(7,40 -1)
t=2,4/( 6,40)=0,44 detik
No. 7 dengan beban setrika 1 (350 W) + Lampu (9 W) – kurva Standard Inverse
I=300 + 9 =309 W
I= P/V= 309/220=1,40 A
M= 1,40/0,6=2,33
t = (0,14 x 0,15)/(〖2,33〗^0,02 -1)
t=0,021/(1,017 -1)
t=0,021/( 0,017)=3,65 detik
No. 8 dengan beban setrika 1 (350 W) + lampu (9 W) – kurva Extremely Inverse
t = (80 x 0,03)/(〖2,33〗^2 -1)
t=2,4/(5,43 -1)
t=2,4/( 4,43)=0,67 detik
2) Tabel Uji 2 Dengan TMS (0,25 dan 0,06)
t = (0,14 x 0,25)/(〖4,92〗^0,02 -1)
t=0,035/(1,032 -1)
t=0,035/( 0,032)=2,19 detik
t = (80 x 0,06)/(〖4,92〗^2 -1)
t=4,8/(24,2 -1)
t=4,8/( 23,2)=0,21 detik
t = (0,14 x 0,25)/(〖2,72〗^0,02 -1)
t=0,035/(1,020 -1)
t=0,035/( 0,020)=4,75 detik
t = (80 x 0,06)/(〖2,72〗^2 -1)
t=4,8/(7,40 -1)
t=4,8/( 6,40)=0,75 detik
Arus Beban I= P/V= 309/220=1,40 A
t = (0,14 x 0,25)/(〖2,33〗^0,02 -1)
t=0,035/(1,017 -1)
t=0,035/( 0,017)=6,08 detik
t = (80 x 0,06)/(〖2,33〗^2 -1)
t=4,8/(5,43 -1)
t=4,8/( 4,43)=1,08 detik
2. Perbandingan Uji Alat dan Perhitungan Teori
Analisis ini bertujuan untuk membandingkan hasil dengan melihat apakah sesuai dengan teori yang ada.
TMS 1 (SI = 0,15 ; EI = 0,03)
Kurva Standard Inverse (SI), TMS = 0,15
Kurva Standard Inverse (EI), TMS = 0,03
TMS 2 (SI = 0,25 ; EI = 0,06)
Kurva Standard Inverse (SI), TMS = 0,25
Berdasarkan hasil perhitungan teori dan pengujian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa kinerja OCR inverse yang dirancang telah sesuai dengan karakteristik standar IEC 60255 baik untuk kurva Standard Inverse (SI) maupun Extremely Inverse (EI). Pada kondisi beban kecil dengan nilai multiple of pickup (M) lebih kecil dari 1, seperti pengujian menggunakan lampu berdaya rendah, relay tidak bekerja (tidak trip) baik secara teori maupun praktik, yang menunjukkan bahwa sistem memiliki selektivitas yang baik dan tidak menimbulkan false trip pada beban normal. Pada kondisi beban menengah dengan nilai M berada pada rentang 1 hingga 3, waktu trip relay mulai muncul dan menunjukkan perbedaan yang jelas antara kurva SI dan EI, di mana kurva SI menghasilkan waktu trip yang lebih lama dan meningkat seiring kenaikan nilai Time Multiplier Setting (TMS), sedangkan kurva EI memberikan respon trip yang lebih cepat pada nilai M yang sama.
Selanjutnya, pada kondisi beban besar dengan nilai M lebih dari 3, kedua kurva menunjukkan penurunan waktu trip yang signifikan, namun kurva EI tetap memiliki waktu trip paling singkat dibandingkan kurva SI, sehingga lebih efektif untuk mengamankan sistem dari gangguan arus besar. Perbandingan antara TMS 1 dan TMS 2 menunjukkan bahwa semakin besar nilai TMS yang digunakan, maka waktu trip yang dihasilkan juga semakin lama, baik pada kurva SI maupun EI, yang menegaskan fungsi TMS sebagai faktor pengali waktu dalam koordinasi proteksi. Secara keseluruhan, hasil pengujian lapangan menunjukkan kesesuaian yang baik dengan hasil perhitungan teori, sehingga dapat disimpulkan bahwa implementasi OCR inverse berbasis ESP32 pada penelitian ini mampu merepresentasikan prinsip kerja relay proteksi arus lebih secara akurat, selektif, dan andal [15].
Hasil Kurva OCR dengan beberapa variasi TMS pada Standard Inverse dan Extremely Inverse
a. Tms 1 (0,15 s) Standard Inverse
Dapat disimpulkan bahwa waktu kerja relay berbanding terbalik dengan besar arus hubung singkat. Pada arus yang relatif kecil, relay bekerja dengan waktu yang lebih lama, sedangkan peningkatan arus hubung singkat menyebabkan waktu trip menurun secara signifikan. Hal ini terlihat dari titik pengujian sekitar 1,5 A dengan waktu trip ±3,65 detik, yang kemudian menurun menjadi ±1,93 detik pada arus sekitar 1,7 A, dan semakin cepat menjadi ±0,86 detik saat arus meningkat hingga sekitar 3 A.
b. TMS 1 (0,03 s) Extremely Inverse
Dapat disimpulkan bahwa relay menunjukkan respon yang sangat cepat terhadap kenaikan arus hubung singkat, dengan karakteristik penurunan waktu trip yang jauh lebih tajam dibandingkan kurva Standard Inverse. Pada arus sekitar 1,5 A, waktu trip masih berada pada kisaran 0,67 detik, kemudian menurun menjadi sekitar 0,48 detik saat arus meningkat mendekati 1,7 A, dan turun drastis hingga sekitar 0,10 detik pada arus ±3 A. Pola kurva ini menegaskan sifat Extremely Inverse, di mana sedikit peningkatan arus di atas arus pickup langsung menghasilkan pengurangan waktu trip yang signifikan.
c. TMS 2 (0,25 s) Standard Inverse
Berdasarkan grafik OCR Standard Inverse dengan TMS 2, dapat disimpulkan bahwa peningkatan nilai Time Multiplier Setting (TMS) menyebabkan waktu trip relay menjadi lebih lama pada setiap tingkat arus hubung singkat dibandingkan pengujian dengan TMS yang lebih kecil. Pada arus sekitar 1,5 A, waktu trip tercatat sekitar 4,08 detik, kemudian menurun menjadi 3,22 detik saat arus meningkat ke kisaran 1,7 A, dan semakin berkurang hingga sekitar 1,43 detik pada arus ±3 A. Pola kurva tetap menunjukkan karakteristik inverse, yaitu semakin besar arus gangguan maka semakin singkat waktu pemutusan, namun dengan gradien yang lebih landai akibat pengaruh TMS yang lebih besar.
d. TMS 2 (0,06 s) Extremely Inverse
Berdasarkan grafik OCR Extremely Inverse dengan TMS 2, dapat disimpulkan bahwa relay menunjukkan respon pemutusan yang sangat cepat terhadap kenaikan arus hubung singkat, meskipun nilai TMS lebih besar dibandingkan pengujian TMS 1 [16]. Pada arus sekitar 1,5 A, waktu trip tercatat sekitar 1,26 detik, kemudian menurun menjadi 0,95 detik pada arus ±1,7 A, dan semakin cepat hingga sekitar 0,21 detik ketika arus meningkat mendekati 3 A. Kurva yang terbentuk memiliki kemiringan yang tajam, mencerminkan karakteristik extremely inverse, di mana waktu kerja relay berkurang secara signifikan seiring peningkatan arus gangguan [17]. Meskipun demikian, hasil pengujian menunjukkan bahwa waktu trip aktual masih memiliki selisih kecil terhadap perhitungan teoritis. Selisih tersebut dipengaruhi oleh keterlambatan pembacaan sensor, waktu eksekusi program pada ESP32, serta respon mekanis modul relay saat melakukan proses pemutusan beban. Pengaruh respon mekanis relay menjadi lebih terlihat pada karakteristik Extremely Inverse karena karakteristik ini memiliki waktu trip yang relatif sangat cepat dibandingkan Standard Inverse. Namun demikian, selisih yang terjadi masih berada dalam batas toleransi yang wajar dan tidak mempengaruhi kesesuaian karakteristik OCR yang dihasilkan terhadap standar IEC 60255.
Berdasarkan hasil perancangan, pemrograman, dan pengujian sistem, dapat disimpulkan bahwa sistem Monitoring Overcurrent Relay berbasis ESP32 dengan karakteristik Standard Inverse dan Extremely Inverse telah berhasil direalisasikan dan berfungsi sesuai dengan tujuan yang direncanakan. Sistem mampu mendeteksi arus lebih berdasarkan nilai arus pickup sebesar 0,6 A serta melakukan pemutusan beban melalui modul relay active low dengan respon yang sesuai karakteristik waktu yang dipilih. Implementasi sensor arus PZEM-004T, LCD I2C, push button, serta monitoring melalui aplikasi berbasis IoT menunjukkan bahwa sistem bekerja secara terintegrasi dan stabil.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa waktu trip relay yang diperoleh dari sistem memiliki kecenderungan sedikit lebih besar dibandingkan perhitungan teori IEC 60255 dan hasil perhitungan pada program. Namun, selisih waktu tersebut masih berada dalam batas toleransi yang wajar dan disebabkan oleh faktor keterlambatan pembacaan sensor, waktu eksekusi program ESP32, serta respon mekanik relay. Perbandingan antara karakteristik Standard Inverse dan Extremely Inverse pada arus yang sama membuktikan bahwa kurva Extremely Inverse menghasilkan waktu trip yang lebih cepat, sesuai dengan teori proteksi sistem tenaga listrik. Dengan demikian, sistem yang dikembangkan tidak hanya layak digunakan sebagai simulator proteksi arus lebih, tetapi juga efektif sebagai media pembelajaran dan pengujian konsep overcurrent relay berbasis mikrokontroler.
Sebagai rekomendasi, penelitian selanjutnya dapat menggunakan sensor arus dengan tingkat akurasi dan kecepatan sampling yang lebih tinggi, serta perangkat switching dengan respon yang lebih cepat seperti solid state relay (SSR) untuk mengurangi selisih waktu trip terhadap perhitungan teori. Selain itu, optimasi algoritma pemrosesan data pada ESP32 dan pengujian pada skala sistem yang lebih kompleks dengan koordinasi beberapa relay proteksi dapat dilakukan guna meningkatkan akurasi, keandalan, dan kesesuaian sistem terhadap implementasi proteksi pada jaringan tenaga listrik yang sesungguhnya.
Penulis menyampaikan terima kasih kepada dosen pembimbing, pihak institusi, serta semua pihak yang telah memberikan dukungan, arahan, dan bantuan dalam penyusunan artikel ini. Semoga penelitian ini dapat memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan, khususnya di bidang sistem proteksi tenaga listrik dan teknologi berbasis IoT.
[1] M. Aref, M. M. El-Saadawi, and R. A. El-Sehiemy, “Enhancement of the operating time of the overcurrent relay considering coordination constraints in IEEE power systems,” Results in Engineering, vol. 26, p. 101245, 2025.
[2] R. Hidayat and E. Putra, “Perancangan rele arus lebih dengan karakteristik inverse berbasis mikrokontroler ATmega 8535,” Jurnal Nasional Teknik Elektro, vol. 6, no. 2, pp. 101–108, 2017.
[3] A. Iskandar, S. Mahmud, and H. Kurniawan, “Analisis kinerja proteksi over current relay (OCR) di gardu induk 150/20 kV,” JPES: Journal of Power and Energy Systems, vol. 5, no. 2, pp. 142–150, 2022.
[4] R. S. Panjaitan, R. Situmeang, and M. Simanjuntak, “Simulasi kinerja operasi over current relay (OCR) pada gangguan hubung singkat dengan penyesuaian pengaturan waktu karakteristik standard inverse IEC,” INTECOM: Journal of Information Technology and Computer Engineering, vol. 6, no. 2, pp. 317–325, 2023.
[5] Y. S. Parada, Y. Pramudya, and S. Hadi, “Feasibility and performance evaluation of microprocessor and fuzzy logic-based overcurrent relay in electrical protection systems,” BITE: Journal of Electrical and Information Technology, vol. 4, no. 2, pp. 85–94, 2022.
[6] A. R. Pratama, “Rancang bangun prototipe rele arus lebih dengan karakteristik inverse berbasis Arduino pada laboratorium sistem daya elektrik,” Skripsi, Universitas Brawijaya, Malang, Indonesia, 2018.
[7] A. Rahman, M. Yusuf, and D. Lestari, “Analisis setting proteksi over current relay (OCR) pada generator 30 MW,” FORISTEK: Jurnal Teknik Elektro, vol. 11, no. 1, pp. 33–41, 2021.
[8] R. Siregar and M. Fauzan, “Coordination analysis of OCR and GFR protection system on substation,” Teletronic: Journal of Telecommunication and Electronics, vol. 3, no. 1, pp. 1–8, 2021.
[9] A. Suhendar and A. Nugroho, “Design of an Arduino-based inverse type overcurrent relay,” EMITOR: Jurnal Teknik Elektro, vol. 19, no. 2, pp. 79–86, 2019.
[10] Suryanto and S. Watmah, “Pemantauan catu daya untuk proteksi listrik menggunakan ESP32 berbasis Internet of Things,” IMTechno: Journal of Industrial Management and Technology, vol. 4, no. 2, pp. 117–126, 2023.
[11] D. Zalasena and A. Paramytha, “Sistem monitoring arus dan tegangan berbasis Internet of Things menggunakan sensor PZEM-004T dan Blynk,” ZETROEM: Journal of Electrical Engineering, vol. 4, no. 1, pp. 45–53, 2022.
[12] E. Zarour, F. Alasali, O. Alsmadi, and N. El-Naily, “A new adaptive protection approach for overcurrent relays using novel nonstandard current-voltage characteristics,” Electric Power Systems Research, vol. 216, p. 109083, Mar. 2023, doi: 10.1016/j.epsr.2022.109083.
[13] D. Babic, I. Jovovic, T. Popovic, N. Kovac, and S. Cakic, “An Internet of Things System for Environmental Monitoring Based on ESP32 and Blynk,” in 2022 26th International Conference on Information Technology (IT), Zabljak, Montenegro, 2022, pp. 1–5, doi: 10.1109/IT54280.2022.9743538.
[14] S. Syukriyadin, I. D. Sara, and F. Mashuri, “Design of a Digital Standard Inverse Overcurrent Relay Using Arduino Uno as a Microcontroller,” in 2018 International Conference on Electrical Engineering and Informatics (ICELTICs), Banda Aceh, Indonesia, 2018, pp. 45–50, doi: 10.1109/ICELTICS.2018.8548835.
[15] N. Chang, G. Song, J. Hou, and Z. Chang, “Fault identification method based on unified inverse-time characteristic equation for distribution network,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 146, p. 108734, Mar. 2023, doi: 10.1016/j.ijepes.2022.108734.
[16] P. H. C. Ali, L. F. Widayanto, M. Pakorong, F. C. Bagaskara, R. A. Susilo, and P. Murdiyat, “Rancang Bangun Simulator Overcurrent Relay Type Standard Inverse dan Constant Time Berbasis Arduino,” PoliGrid, vol. 6, no. 1, Jun. 2025, doi: 10.46964/poligrid.v6i1.66.
[17] C. Z. I. Arnob, N. S. Mitra, A. Bin Hashem Saad, Md. T. Alam, M. Islam, and A. S. N. Huda, “Smart Load Monitoring and Controlling Approach Connected to Solar System Using ESP32 and Blynk,” in 2022 International Conference on Energy and Power Engineering (ICEPE), Dhaka, Bangladesh, 2022, pp. 1–5, doi: 10.1109/ICEPE56629.2022.10044898.