III. METODE PENELITIAN 3 - digilib.unila.ac.iddigilib.unila.ac.id/3750/17/BAB III.pdf · pada PLN...
Transcript of III. METODE PENELITIAN 3 - digilib.unila.ac.iddigilib.unila.ac.id/3750/17/BAB III.pdf · pada PLN...
III. METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
Pengerjaan dan perancangan tugas akhir ini dilakukan dari bulan Januari - Mei
2013, bertempat di Laboratorium Sistem Tenaga (STE) Jurusan Teknik Elektro
Universitas Lampung.
3.2 Alat dan Bahan
Alat dan bahan tugas akhir ini, diantaranya :
1. Satu unit Laptop dengan spesifikasi Intel Core i5 prosesor 1,86 GHz dan sistem
operasi Windows 8.1 Pro sebagai media perancangan dan pengujian simulasi.
2. Perangkat lunak Python 2.7.5 sebagai alat bantu untuk perhitungan dan analisa.
3. Perangkat lunak ETAP Power Station 7.5.0 sebagai alat bantu untuk
pembanding perhitungan.
4. Data-data bus pembangkit dan bus beban serta diagram penyulang kangkung
pada PLN GI Menggala.
22
3.3 Tahap Penelitian
Dalam penyelesaian tugas akhir ini ada beberapa langkah kerja yang dilakukan
diantaranya :
3.3.1. Studi Literatur
Studi literatur dimaksudkan untuk mempelajari berbagai sumber referensi atau
teori (buka buku dan internet) yang berkaitan dengan penelitian, yaitu berupa
perhitungan aliran daya tiga fasa tidak seimbang dan software yang digunakan
untuk membuat simulasi aliran daya.
3.3.2. Studi Bimbingan
Berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai masalah-masalah yang
timbul selama penulisa penelitian berlangsung.
3.3.3. Pengambilan Data
Pada tahap ini dimaksudkan untuk mengambil data yang nantinya akan diolah dan
dianalisa dengan metode Newton-Rhapson. Data yang akan digunakan dan
dikumpulkan adalah :
1. Data beban tiap fasa di trafo distribusi pada GI Menggala.
2. Data impedansi urutan positif, urutan negative dan urutan nol.
3. Data One-line diagram sistem distribusi 20 KV pada GI Menggala.
23
3.4 Pemodelan Objek-Orientasi Aliran Daya Tiga Fasa Tak Seimbang
Dalam Penelitian ini semua model power system dinyatakan dalam keadaan steady-
state yang sering digunakan untuk analisa aliran daya. Secara umum, magnitude
dari semua nilai-nilai power system dinyatakan dalam per-unit (pu) dan sudut
dalam bentuk radian. OOP (Objek Orientasi Program) adalah pendekatan program
yang menjamin keuntungan besar untuk membayangkan model power system
dalam dunia nyata ke dalam model komputasi. Di penelitian ini untuk model kelas
komponen sistem tenaga yang dibuat seperti di gambar 9.
Gambar 1. Bentuk Kelas Komponen OOP Sistem Tenaga [10]
3.4.1. Format Data
Pengolahan data yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan input
text. Dalam data ini berisikan tentang data – data power system yang akan
dilakukan penelitian ini yaitu data bus, data beban, dan data transmisi.
3.4.2. Kelas Power System
Di kelas ini berisi tentang pembacaan data dari format data. Di kelas inilah
menentukan perintah aliran daya tak seimbang.
24
3.4.3. Kelas Analisa
Dalam kelas analisa disini berisi tentang fungsi rumus – rumus aliran daya
tiga fasa tak seimbang yaitu berupa mencari admitansi tiga fasa tak
seimbang, daya masing-masing fasa per bus, Jacobian tiga fasa tak
seimbang, dan selisih tegangan.
Disini selisih tegangan inilah yang akan digunakan untuk menghitung daya
aktif per fasa dan daya reaktif per fasa di bus slack, magnitude tegangan dan
sudut tegangan fasa di bus beban apakah masih dalam batas-batas toleransi.
3.4.4. Kelas Bus
Di kelas bus berisikan sifat-sifat dari sifat bus, dimana bus ini dihubungkan
ke branch (cabang) satu ke branch (cabang) yang lainnya. Sifat bus yang
digunakan didalam penelitian ini adalah
a. Nomor identifikasi bus
b. Magnitude tegangan per fasa dalam pu
c. Sudut tegangan per fasa dalam derajat
d. Tegangan maksimum dan minimum dalam pu ± 5%
e. Type bus
3.4.5. Kelas Generator
Di kelas ini sebenarnya tidak digunakan dalam penelitian, karena tidak ada
generator dalam jaringan distribusi. Sifat genarator yang digunakan didalam
penelitian ini adalah
a. Nomor identifikasi generator
b. Nomor bus
c. Magnitude tegangan per fasa dalam pu
25
d. Dasar MVA generator
e. Daya aktif generator (Pgenerator) per fasa dalam pu
3.4.6. Kelas Beban
Di kelas beban berisikan sifat-sifat dari beban. Sifat beban yang digunakan
didalam penelitian ini adalah
a. Nomor identifikasi beban
b. Nomor bus
c. Magnitude tegangan per fasa dalam pu
d. Sudut tegangan per fasa dalam derajat
e. Daya aktif beban (Pdemand) per fasa dalam pu
f. Daya reaktif beban (Qdemand) per fasa dalam pu
g. Faktor daya
h. Type beban
Data beban yang digunakan dalam tugas akhir ini menggunakan beban type
CP (Constant Power) dimana P dan Q dianggap konstan. Representasi ini
dipakai untuk studi aliran daya. [11]
3.4.7. Kelas Transformator
Di kelas trafo ini juga tidak digunakan dalam penelitian ini. Sifat transmisi
yang digunakan didalam penelitian ini adalah
a. Nomor identifikasi transmisi
b. Dari bus nomor
c. Ke bus nomor
d. Resistansi transmisi per urutan nol, positif dan negatif dalam pu
e. Reaktansi transmisi per urutan nol, positif dan negatif dalam pu
26
f. Rating transmisi dalam MVA
g. Tap Trafo
3.4.8. Kelas Transmisi
Di kelas transmisi berisikan sifat-sifat dari transmisi. Sifat transmisi yang
digunakan didalam penelitian ini adalah
a. Nomor identifikasi transmisi
b. Dari bus nomor
c. Ke bus nomor
d. Resistansi transmisi per urutan nol, positif dan negatif dalam pu
e. Reaktansi transmisi per urutan nol, positif dan negatif dalam pu
f. Rating transmisi dalam MVA
Dalam penelitian ini saluran transmisi pengiriman aliran daya dianggap saluran
pendek. Sehingga efek kapasitansi dapat diabaikan tanpa mengurangi akurasi
perhitungan. [4]
27
3.5 Diagram Alir Penelitian
Gambar 2. Diagram Alir Penelitian
28
3.6 Algoritma Program Dalam tugas akhir tentang perhitungan aliran daya tiga fasa tak seimbang ini
melalui beberapa langkah , diantaranya sebagai berikut :
a) Memasukkan Data.
b) Membentuk Matriks admitansi bus (Yabc)
Dalam penelitian ini diterapkan saluran yang dimodelkan oleh sebuah matriks
impedansi. Pada matriks ini terdapat elemen diagonal yang disebut impedansi
sendiri, dan elemen off-diagonal yang disebut impedansi bersama. Untuk
persamaan matriks impedansi jaringan tiga fasa antara bus i dan bus j , sesuai
dengan gambar 6 dan persamaan 6 adalah
���� = ���� ��� ���
��� ��� ���
��� ��� ���
�
Zabc merupakan impedansi saluran dari masing-masing fasa (a,b,c).
Zaa, Zbb, Zcc merupakan bentuk impedansi fasa sendiri.
Zab, Zac, Zba, Zbc, Zca, Zcb merupakan bentuk impedansi fasa bersama.
Sesuai dengan gambar 6, maka persamaan 2 menjadi :
���� = 1
����
Untuk persamaan mencari matriks admitansi bus per fasa sebagai berikut :
[A] = �1 1 11 �� �1 � ��
�
Dimana 1 + a + a2 = 0
a = 1∠120° = -0.5 + j0.866
a² = 1∠240° = -0.5 – j0.866
29
a3 = 1∠360° = 1 + j0
Sehingga untuk matriks admitansi bus per fasa di sistem tiga fasa tak
seimbang menjadi seperti berikut [8]:
���� = [�]�
�� 0 00 �� 00 0 ��
� [�]� � (1)
���� ��� ���
��� ��� ���
��� ��� ���
� = �
��
�� �� ��
�� �� ��
�� �� ��
� (2)
Dimana :
�� = (�� + �� + ��)
�� = (�� + �. �� + ��. ��)
�� = (�� + ��. �� + �. ��)
Admitansi untuk n bus adalah sebagai berikut :
Bus j
Fasa a Fasa b Fasa c
Bus i
Fasa a Yijaa Yij
ab Yijac
Fasa b Yijba Yij
bb Yijbc
Fasa c Yijca Yij
cb Y11cc
Tabel 1. Tabel admitansi untuk n-bus
c) Menentukan Nilai Awal Tegangan e(0) dan f(0).
Untuk bus slack diketahui dan bus beban (PQ) diasumsikan nilai tegangan
awalnya 1 pu dan sudut fasa tegangan nol derajat. Dalam polar Vi = |Vi |∠ θi
30
dan dirubah kedalam rectangular menjadi Vi = ei + jfi. Dalam penelitian ini
sudut di rubah ke radian, dengan rumus :
� = ����� � �
180 (3)
Dimana :
����� = ���
���� ��� ����� (4)
����� = ���
���� ��� ����� (5)
i = 1,2,3,...
d) Menentukan Iterasi n = 0
e) Menghitung Nilai Daya Injeksi (Pinjabc, Qinj
abc dan Vinjabc)
Dengan mengikuti persamaan 4 dan 5 medapatkan persamaan daya tiga fasa
tak seimbang. Persamaan ini dirubah ke dalam persamaan rectangular :
����� = (��
��� + ������)�����
��� − ��������. (��
��� − ������
�
���
)
Dan dipisah menjadi daya aktif dan daya reaktif :
����� = � �[��
���( �����
. ������ − ��
���. ������) + ��
���(�����. ���
���
� € �
+ �� ���. ���
���)]�
����� = � ����
���(��
���. ���
��� − �� ���. ���
���� − ��
���
(�����. ���
���
� € �
+ �� ���. ���
���)]�
Dimana i = 1,2,3,.....
Untuk bus generator (PV) karena disini menggunakan rectangular, maka Qinj
yang sebenarnya dalam polar tidak diperhitungkan, maka diganti menjadi
Vinjabc yang diperhitungkan dalam rectangular.
. [9]
31
����� = (��
���)� + �������
�
f) Menghitung Besarnya Selisih Daya (Power Mismatch) ΔPabc, ΔQabc dan Selisih
Tegangan ΔVabc.
������ (�) = �� ���
��� − �� ������ (�) (6)
������ (�) = �� ���
��� − �� ������ (�)
(7)
Untuk bus generator (PV) karena penelitian ini dalam kawasan rectangular,
maka ΔQiabc yang seharusnya 0 diganti menjadi ΔVi
abc.
������ (�) = �� ���
��� (�) − �� ������ (�) (8)
Dimana i = 2,3,.....
g) Memeriksa apakah nilai ΔPabc, ΔQabc dan ΔVabc sudah mencapai nilai toleransi
yang diinginkan. Jika belum lanjutkan ke langkah h. Jika sudah mencapai
konvergensi yang diinginkan maka lanjut ke langkah k.
h) Menghitung Persamaan Jacobian.
ΔPjabc
=
������
������
������
������
������
������
������
������
x
Δejabc
ΔQjabc
������
������
������
������
������
������
������
������ Δfj
abc
ΔPkabc
������
������
������
������
������
������
������
������ Δek
abc
ΔVkabc
������
������
������
������
������
������
������
������ Δfk
abc
Tabel 2. Persamaan Jacobian Tiga Fasa Rectangular
Dimana :
i = bus slack SL
j = bus beban PQ
32
k = bus generator PV
Elemen Diagonal ( i = j )
���
���
������ = ��(��
���. ������ − ��
���. ������)� + ��
���. ������
� € �
+ �����. ���
��� (9)
������
������ = � �(��
���. ������ + ��
���. ���
��� )� − �����. ���
���
� € �
+ �����. ���
��� (10)
������
������ = − � �(��
���. ������ + ��
���. ���
��� )� − �����. ���
���
� € �
+ �����. ���
��� (11)
������
������ = ��(��
���. ������ − ��
���. ������)� − ��
���. ������
� € �
− �����. ���
��� (12)
������
������ = 2��
��� (13)
������
������ = 2��
��� (14)
Off Diagonal ( i ≠ j )
������
������ = ��
���. ������ + ��
���. ������ (15)
������
������ = −��
���. ������ + ��
������� (16)
������
������ = −��
���. ������ + ��
������� (17)
33
������
������ = − ��
���. ������ − ��
���. ������ (18)
������
������ = 0 (19)
���
���
������ = 0 (20)
Dimana :
i = bus 2,3,...
j = bus 2,3,...
i) Menghitung Tegangan Bus Baru.
����� (���) = ��
��� (�) + ������ (�) (21)
����� (���) = ��
��� (�) + ������ (�)
(22)
j) Kembali ke langkah e.
k) Menghitung Aliran Daya di Bus Slack dan Bus PQ
Dari persamaan 14 dan 15 ini digunakan untuk menghitung aliran daya P dan
Q di bus slack dan P di bus beban.
����� = � �[��
���( �����
. ������ − ��
���. ������) + ��
���(�����. ���
���
� € �
+ �� ���. ���
���)]�
����� = � �[��
���(��
���. ���
��� − �� ���. ���
���)− ��
���
(�����. ���
���
� € �
+ �� ���. ���
���)]�
34
3.7 Diagram Alir Program
Gambar 3. Diagram Alir Program
35
3.8 Simulasi Python 2.7.5
Seperti yang telah disebutkan pada bab sebelumnya bahwa tujuan dari tugas
akhir ini adalah membuat simulasi aliran daya tiga fasa tak seimbang yang akan
digunakan untuk menghitung tegangan per-fasa di tiap-tiap bus dan
mengevaluasi tegangan apakah masih dalam batas yang aman. Peraturan Umum
Instalasi Listrik (PUIL) memberika toleransi sebesar -10% dan +5% dari
tegangan nominal. [14]
Simulasi aliran daya tiga fasa tak seimbang pada GI Menggala dilakukan
dengan python 2.7.5. Selanjutnya hasil simulasi ini akan dievaluasi tegangan
sebelum dan sesudah diinjeksikan pembangkit PLTD di tegangan yang
mengalami drop tegangan besar.
Simulasi dilakukan dengan cara :
3.8.1. Memasukkan Parameter
Parameter yang diperlukan untuk melakukan simulasi ke dalam bentuk text atau
notepad, adapun datamasukan yang dibutuhkan dalam perhitungan aliran daya
tiga fasa tak seimbang ini adalah:
a. Base MVA (Referensi Daya)
Base MVA yang digunakan disini dalam satuan 100 MVA.
b. Jumlah Bus
Untuk mengidentifikasi bus yang tersambung. Disini dimasukkan
magnitude tegangan dan sudut asumsi per fasa di tiap-tiap bus.
c. Jumlah Beban
36
Jumlah beban yang ada pada penyulang kangkung. Disini dimasukkan nama
beban, nomer bus, daya aktif dan daya reaktif per fasa
d. Jumlah Line
Jumlah line yang tersambung pada penyulang kangkung. Disini dimasukkan
line yang tersambung dari bus satu ke bus selanjutnya, beserta resistansi dan
reaktansi dalam urutan positif, urutan negatif dan urutan nol.
Sistem kelistrikan penyulang kangkung pada GI Menggala terdiri dari 177 trafo
distribusi dimana 79 trafo distribusi terdapat di daerah menggala, 43 trafo
distribusi di daerah Simpang Pematang dan 55 trafo distribusi di daerah
Wiralaga. Trafo distribusi dalam tugas akhir ini dianggap sebagai beban.
3.8.2. Langkah-Langkah Simulasi
Untuk melakukan simulasi dengan menggunakan python 2.7.5, maka Single
Line Diagram dari penyulang kangkung pada GI Menggala yang akan dianalisa
akan dibuat daftar per object yaitu mulai dari bus, pembangkit, beban dan
transmisi. Gambar 11 merupakan contoh daftar per object dalam bentuk
notepad.
Untuk simulasi aliran daya tiga fasa tak seimbang, maka terlebih dahulu kita
membuat notepad dan diberi nama ‘case_kangkung’. Berikut ini langkah-
langkahnya :
37
Gambar 4. Input Data di Python 2.7.5 dalam Notepad
a. Jalankan program python 2.7.5
Program python 2.7.5 dapat digunakan setelah diinstal ke dalam komputer,
setelah itu menginstal numpy 1.6.1 sebagai library perhitungan. Setelah
program dijalankan maka akan tampak tampilan seperti gambar 12 yang
merupakan tampilan pertama python 2.7.5.
Gambar 5. Tampilan Awal Python 2.7.5
38
b. Membuat studi kasus yang baru
Untuk membuat studi kasus baru maka kita harus membuat notepad di
folder Python Unbalanced Rectangular dengan diberi nama
case_kangkung seperti pada gambar 13.
Gambar 6. Input Data Text
Lalu buka text tersebut dan diisi nilai variable berupa jumlah bus,
pembangkit, beban dan transmisi. Sesuai gambar 11.
c. Men-simulasi software Python unbalanced rectangular
Setelah text ‘case_kangkung’ sudah diisi, maka software python bisa di
jalankan.
Gambar 7. Running Program
39
d. Membuat Analisa dari Hasil Simulasi
Setelah pengolahan data selesai, maka dilakukan analisa data sesuai hasil
dari simulasi Python 2.7.5.
e. Penulisan Laporan
Dalam tahap ini dilakukan penulisan laporan hasil dari penelitian secara
lengkap mencangkup tinjauan pustaka hingga proses simulasi yang
dilakukan dan analisa serta kesimpulan dan saran.