Rancang Bangun Sistem Pendeteksian dan Monitoring Harmonisa Menggunakan Metode DFT

Disampaikan Oleh, Dimas Okky Anggriawan 2209100195

Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo, M.Eng

Dr. Ardyono Priyadi, S.T, M.Eng

SEMINAR TUGAS AKHIR, JUNI 2013 Jurusan Teknik Elektro, ITS

Kampus ITS, Sukolilo

2 PENDAHULUAN Latar Belakang [tentang harmonisa]

Filter harmonisa pasif, sumber google

FLUKE 43B, sumber google

•Beban – beban non linier seperti inverter, VSD, Lampu Fluorescent, motor asinkron

Penyebab

•Menurunnya kualitas daya pada sistem tenaga listrik dan kerusakan-kerusakan dini pada peralatan sistem tenaga

Akibat •FLUKE 43B •HIOKI PQA 3195

Alat Ukur

Standar

•Melakukan proses pefilteran

Mereduksi

Harmonisa, http://elektro.unsyiah.ac.id

Harmonisa, http://1.bp.blogspot.com

3 PENDAHULUAN Latar Belakang [Pengukuran Harmonisa]

Alat Ukur Standar

• FLUKE 43B

•HIOKI PQA 3195

Kelemahan

•Mahal

• Tidak bisa terintergasi dengan Webserver

Prototipe

•CT-235

•Mikrokontroller

•Borland Delphi

•Metode DFT

FLUKE 43B, HIOKI, sumber google Prototipe

4 PENDAHULUAN

Tujuan

• Menggunakan mikrokontroller sebagai interface antara Current Transformer dengan Personal Computer

• Merancang suatu prototipe pendeteksian dan monitoring harmonisa dengan menggunakan metode Discrete Fourier Transform (DFT) dan mikrokontroller serta software borland delphi

Batasan

• harmonisa yang dianalisis adalah harmonisa arus

• Pengujian dilakukan pada beban linier 275 Watt pada jaringan distribusi 220 V

• Metode yang digunakan dalam menganalisis harmonisa adalah metode DFT

Tujuan dan Batasan

5 TINJAUAN PUSTAKA Harmonisa

Ket. Gambar

Menunjukkan bentuk gelombang arus dasar, arus harmonisa, dan arus terdistorsi.

Tentang Harmonisa

Definisi : Gejala pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan

bulat dengan frekuensi dasarnya [1] Sumber : Beban-beban non linier yang terhubung ke sistem

distribusi antara lain : inverter, UPS, komputer, printer, televisi, lampu fluorescent yang menggunakan elektronik ballast

Efek : Penurunan kualitas daya, rugi – rugi daya dan temperatur

secara abnormal pada peralatan-peralatan tenaga listrik [1]

6 TINJAUAN PUSTAKA Harmonisa

Cara Analisis Harmonisa

Umumnya analisis harmonisa arus dilakukan dengan

mentransformasikan sinyal arus dari domain waktu ke domain

frekuensi.

Analisis harmonisa selanjutnya merupakan proses perhitungan

magnitude dari komponen dasar dan komponen-komponen

harmonisa pada orde yang lebih tinggi dari suatu gelombang [2].

Ket. Gambar

Transformasi dari domain waktu ke domain frekuensi. sumber : http://img.felixonline.co.uk

7 TINJAUAN PUSTAKA Metode DFT

dtftetxfX 2).()( FT Kontinyu

FT Diskrit

Analisa DFT, sumber : www.phon.ucl.ac.uk

1

0)]2sin()2)[cos(()(

N

n Nnmj

NnmnxmX

1

0

2

)()(N

n

Nmnj

enxmX

imajiner

riilimajinerriil mX

mXmXmXmX)(

)(tan)()()( 122

1

0)2cos()()(

N

nriil N

nmnxmX

1

0)2sin()()(

N

nimajiner N

nmnxmX

8 TINJAUAN PUSTAKA Analisis Harmonisa

1

2

2

i

iTHDi

N

nn

Spektrum Arus

Menunjukkan representasi grafis dari level komponen pada domain frekuensi

Spektrum arus, Sumber, http://blogs.mathworks.com

Menunjukkan besarnya distorsi harmonisa terhadap arus frekuensi dasar Keterangan : i n adalah besarnya arus harmonisa orde n N adalah orde harmonisa tertinggi yang dianalisa i adalah arus fasa pada frekuensi dasar

Ket. Persamaan

9 PERANCANGAN PROTOTIPE Diagram Blok Keseluruhan Prototipe

Diagram blok pendeteksian dan monitoring harmonisa

Komponen Prototipe

1. Current Transformer 2. Driver akuisisi data 3. Mikrokontroller 4. RS 232 5. Borland Delphi

10 PERANCANGAN PROTOTIPE Pengujian CT

Beban I primer V out hitung (V) V out uji (V) Rasio

1 1,35 0,380 0,217 0,16

2 2,69 0,753 0,430 0,16

3 4,07 1,139 0,650 0,16

4 5,37 1,503 0,860 0,16

Tabel. Karakteristik input – output CT-235

Kesimpulan

Pengujian CT 235

Rasio Linier sebagai acuan untuk penggunaan CT sebagai Sensor arus

Ket. Tabel

11 PERANCANGAN PROTOTIPE Perancangan Desain Akuisisi Data

Parameter Akuisisi Data

Ket. Gambar

Rangkaian power supply

parameter nilai Keterangan Rasio CT 2000 Rasio primer dan sekunder CT Input Mikro 0 – 5 V Input dari CT-235 Rp CT 270 Resistor terpasang pada output CT Gain 1,004 Gain pada akuisisi data offset 2,491 Offset pada akuisisi data ADC 8 bit Resolusi 0,02 V Time Delay 0,4 Pengiriman data per sampel (mikro detik)

12 PERANCANGAN PROTOTIPE Perancangan Desain Akuisisi Data

Rangkaian input arus AC dari CT-235 Rangkain inverting amplifier

Rangkaian inverting adder amplifier Gelombang hasil rangkaian amplifier, sumber http://i.stack.imgur.com

13 PERANCANGAN PROTOTIPE Perancangan Desain Akuisisi Data

Ket. Gambar

Perancangan akusisi data

Ket. Gambar

Perancangan pengiriman data

14 PERANCANGAN PROTOTIPE Diagram Blok Software Analisis Harmonisa

Komponen Software

- Bagian Pembacaan Sinyal Dari mikrokontroller

- Bagian Pengkondisi Sinyal - Bagian Analisis Harmonisa

(metode DFT dan THDi) - Bagian Display

Diagram blok software analisis harmonisa

15 PENGUJIAN PROTOTIPE Beban dan Rangkaian Pengujian

Komponen Pengujian

- Beban

Linier : Resistor 4 x 275 Watt

- Alat Ukur Standar

Multimeter ( DC 0.5%, AC 1.5%)

FLUKE 43B (THD 3%, Arus r.m.s 1%)

CT-235 Hardware PC CT-PQA FLUKE 43B

Beban 275 Watt

16 PENGUJIAN PROTOTIPE Hasil Pengujian rangkaian buffer dan inverting

No

Tegangan input (V)

Tegangan output (V)

Kesalahan relatif (%)

1 0,412 0,413 0,24% 2 0,669 0,669 0% 3 0,757 0,757 0% 4 0,888 0,888 0%

Rata - rata 0,06%

Tegangan input (V)

Penguat (Gain)

Tegangan Out (V)

Tegangan Out hitung (V)

Kesalahan relatif (%)

0,438 1,004 0,44 0,439 0,23% 0,654 1,004 0,66 0,658 0,30% 0,884 1,004 0,89 0,887 0,34% 0,994 1,004 1 0.998 0,20%

Rata -rata 0,26%

Tabel. Hasil pengukuran rangkaian buffer Tabel. Hasil pengukuran Inverting Amplifier

xViRiRfVo

kesalahan relatif rata - rata = ((0,24%+0%+0%+0%)/4)=0,06%

kesalahan relatif rata – rata =((0,23%+0,3%+0,34%+0,2%)/4)=0,26%

Kesalahan relatif rata – rata pada rangkaian buffer adalah 0,06% dan rangkaian inverting amplifier adalah 0,26%

No

Tegangan input (V)

Tegangan output ADC (V)

Kesalahan relatif (%)

1 2,44 2,439 0,04%

2 2,011 1,998 0,64%

3 1,768 1,756 0,67%

4 1,546 1,547 0,06%

Rata - rata 0,35%

Tegangan input DC (E1)

Tegangan input DC (E2)

Tegangan Output (V)

Tegangan Output hitung (V)

Kesalahan Relatif (%)

0,12 2,491 2,62 2,611 0,3% 0,36 2,491 2,86 2,851 0,32% 0,59 2,491 3,02 3,081 0,23% 0,76 2,491 3,26 3,251 0,28%

Rata - Rata 0,28%

17 PENGUJIAN PROTOTIPE

Hasil Pengujian inverting adder dan output ADC

Tabel. Hasil pengukuran output ADC Tabel. Hasil pengukuran Inverting adder Amplifier

Kesalahan relatif rata – rata = ((0,04%+0,64%+0,67%+0,06%)/4)=0,35%

kesalahan relatif rata – rata = ((0,3%+0,32%+0,23%+0,28%)/4)=0,28%

Kesalahan relatif rata – rata pada rangkaian inverting adder amplifier adalah 0,28% dan output ADC adalah 0,35%

)2

21

1(RRfV

RRfVVo

18 PENGUJIAN PROTOTIPE

Pengukuran Bentuk Gelombang Arus

Gambar 4.4

Bentuk gelombang arus di prototipe pada data SinyalArus6.txt hasil pengukuran beban linier 275 Watt

Gambar 4.4 Bentuk gelombang arus hasil pengukuran beban linier 275 Watt diprototipe pada sampel 1 – 150 dari data SinyalArus6.txt

Terjadi error pembacaan pada amplitudo

Kesimpulan

Pada bentuk gelombang arus tersebut terlihat bahwa bentuk gelombang arus tidak mencapai titik puncak amplitudo arus. Hal ini akan mempengaruhi pembacaan arus r.m.s dan THDi

19 PENGUJIAN PROTOTIPE

Pengukuran Arus r.m.s

Data yang disimpan Prototipe

Level arus (A) Kesalahan (A)

Kesalahan relatif (%) Prototipe FLUKE

SinyalArus6 0,766 1,14 0,374 32,8% SinyalArus7 0,766 1,14 0,374 32,8% SinyalArus8 0,757 1,14 0,383 33,6% SinyalArus9 0,754 1,14 0,386 33,86%

SinyalArus10 0,754 1,14 0,386 33,86% Rata-rata 0,374 33,38%

Tabel. Hasil pengukuran arus r.m.s oleh prototipe pada beban linier 275 Watt

Kesimpulan

hasil pengukuran nilai arus r.m.s dibandingkan dengan FLUKE 43B memiliki error pembacaan relatif rata – rata adalah 33,38%

20 PENGUJIAN PROTOTIPE

Pengujian Hasil DFT

Gambar 4.10

Harmonisa keluar pada frekuensi kelipatan 50 Hz

Nilai amplitudo pada frekuensi dasar dan kelipatannnya dari hasil proses DFT pada data SinyalArus6.txt

Gambar 4.10 Nilai frekuensi pada frekuensi dasar dari hasil proses DFT pada data SinyalArus6.txt

Kesimpulan

• Pada prototipe menunjukkan frekuensi dasar 50 Hz mempunyai nilai amplitudo yang lebih tinggi daripada nilai amplitudo pada frekuensi kelipatan dari frekuensi dasar 50Hz muncul

21 PENGUJIAN PROTOTIPE

Pengujian Level THDi

Hasil pengukuran level THDi oleh prototipe pada beban linier 275 Watt

Kesimpulan

hasil pengukuran nilai THDi oleh prototipe dibandingkan dengan alat ukur standar FLUKE 43B memiliki error relatif pembacaan rata – rata adalah 26%

Beban Linier THDi Kesalahan Relatif (%)

FLUKE 43B (%) Prototipe (%) Bebanlinier1.txt 2% 1,48% 26% Bebanlinier2.txt 2% 1,48% 26% Bebanlinier3.txt 2% 1,48% 26% Bebanlinier4.txt 2% 1,48% 26%

Rata - rata 26%

22 PENGUJIAN PROTOTIPE

Pengujian Level THDi

Hasil pengukuran level THDi oleh prototipe pada beban non- linier 125 Watt

Kesimpulan

hasil pengukuran nilai THDi oleh prototipe dibandingkan dengan alat ukur standar FLUKE 43B memiliki error relatif pembacaan rata – rata adalah 64%

Beban non Linier THDi Kesalahan Relatif FLUKE 43B Prototipe komputer5.txt 84% 137% 63% komputer6.txt 84% 137% 63% komputer7.txt 84% 139% 65% komputer8.txt 84% 139% 65%

Rata - rata 64%

23 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan

Ket. Gambar

Kesimpulan Dari Pelaksanaan Tugas Akhir

Komunikasi serial antara mikrokontroller dengan personal computer memiliki keterbatasan dalam time delay dengan nilai maksimum sebesar 400 mikro detik. Pada proses ADC menggunakan jumlah 8 bit sehingga resolusinya sebesar 0.02 Volt. Metode DFT dalam mengolah data gelombang arus dalam domain waktu ke dalam bentuk domain frekuensi belum bisa secara realtime tetapi data gelombang arus disimpan terlebih dahulu. Prototipe yang dibuat dalam tugas akhir ini mampu memantau keberadaan harmonisa arus hingga orde 15 (frekuensi 750 Hz) dan dalam menyajikan data arus r.m.s dan THDi memiliki error pembacaan relatif rata – rata yaitu 33,38% dan 37,36%.

Sumber : Buku Tugas Akhir – Dimas Okky A

Prototipe sistem pendeteksian dan monitoring harmonisa arus yang dihasilkan

24 KESIMPULAN DAN SARAN Rekomendasi

Ket. Gambar

Rekomendasi Untuk Penelitian Selanjutnya

Perlu ditingkatkannya kapasitas dan spesifikasi CT agar keandalan dan ketelitian pengukuran dapat ditingkatkan Dalam proses ADC memerlukan IC yang lebih baik dengan mikrokontoller seperti ARM komunikasi antara mikrokontroller dengan personal computer memerlukan device yang mampu meningkatkan software borland delphi dalam penerimaan data. Metode transformasi bisa menggunakan metode transformasi lain seperti transformasi Wavelet, transformasi Stockwell Pengintegrasian prototipe dengan sistem web server sehingga data online dapat dikirim dan ditampilkan melalui media internet.

Sumber : Buku Tugas Akhir – Dimas Okky A

Salah satu panel pada viewform prototipe.

25 DAFTAR PUSTAKA

Ket. Gambar

Daftar Referensi Utama

[1] Arfian, E.T, “Desain Sistem Pendeteksian dan Monitoring Harmonisa Berbasis LabVIEW Menggunakan Metode Transformasi S”, Tugas Akhir Elektro ITS, 2011 [2] Setiawan, A, “Kajian Pengaruh Harmonisa Terhadap Sistem Tenaga Listrik”, Jurnal Eltek, Vol. 05, No. 02, Oktober, 2007 [3] Arrillaga, J., Watson, N.R., “Power System Harmonics Second Edition”, John Wiley & Sons Ltd, England, Ch. 1,2,5, 2003. [4] Radiana, S.G., “Discreate Fourier Transform Menjadi Fast Fourier Transform”<URL:http//te.ugm.ac.id/~risanuri/isyaratsystem/paperDFTkeFFT.pdf>, Desember 2009 [5] IEEE Standard 519-1992, “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1993 [6] Sholikul, M.H “Mengenal Mikrokontroller AVR Atmega 16”,Ilmukomputer.com 7] Teddy, M.Z “Pemrogaman Delphi Untuk Pemula: IDE dan Struktur Pemrogaman”, Ilmukomputer.com

Salah satu panel pada viewform prototipe.

26 DAFTAR PUSTAKA

Ket. Gambar

Daftar Referensi Utama

[7] Sevgi.Levent , Uluisika.Cagatay, “Labview - Based Virtual Instrument for Engineering Education: A Numerical Fourier Transform Tool”, Dogus University, Istanbul, 2006 [8] Rohman .Y, Budikarso .A, Amran .H , “Rancang bangun sistem pengukuran arus berbasis mikrokontroller Atmega 8535” Paper PENS, Surabaya [9] Rahmat , “Desain dan Implementasi Sistem Akuisisi Data Harmonisa Arus Listrik Secara Real Time”, POLI REKAYASA Vol 5, No. 1, Unand, Padang, 2009 [10] Sugiarto. I, Thiang, Siswanto.T.J “Disain dan Implementasi Modul Akuisisi Data sebagai Alternatif Modul DAQ LabVIEW” Universitas Kristen Petra, Surabaya

Salah satu panel pada viewform prototipe.

TERIMA KASIH

1. Bapak Sugiarto dan Ibu Endang Ariyani sebagai Ayah dan Ibu tercinta yang sudah memberikan kasih sayang yang luar biasa kepada saya

2. Prof. Mauridhi Hery P., Dr. Ardyono Priyadi, atas segala ilmu dan kesabaran dalam membimbing penulis hingga terselesaikannya Tugas Akhir ini.

3. Teman – teman asisten laboratorium instrumentasi, pengukuran dan identifikasi sistem tenaga (LIPIST) dan teman – teman asisten laboratorium elektronika dasar.

4. Arfian Ady Tama, Angga Pradana, Fauzi dan Vonda yang sudah membantu penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini.