Intisari--- Pada penelitian ini, tiga model beban dimasukkan kedalam Aliran Daya Newton-Raphson (UnilaPF) yang menggunakan koordinat tegangan rectangular. Ketiga model beban tersebut adalah Constant Power (CP), Constant Current (CC), dan Constant Impedance (CI), atau biasa disebut dengan Model Beban ZIP. Komposisi beban ZIP yang digunakan pada studi kali ini yaitu 100% CP, 100% CC, 100% CI, dan mixed load (30%CI, 30%CC, 40%CP). Simulasi yang telah dilakukan menunjukkan bahwa model beban ZIP memberikan pengaruh pada hasil analisa aliran daya pada sistem distribusi yang diteliti. Hasil dari program UnilaPF dibandingkan dengan program OpenDSS, dan diperoleh tegangan deviasi maksimal sebesar 1.2194% dengan total iterasi dari seluruh kasus sebanyak 10 iterasi pada UnilaPF dan 20 iterasi pada OpenDSS.Kata kunci--- Aliran Daya, Newton Raphson, Rectangular, ZIP. Abstract--- In this work, three load models are included into a Newton-Raphson power flow (UnilaPF) based on rectangular voltage coordinates. Those models includeConstant Power (CP), Constant Current (CC), and Constant Impedance (CI), or commonly called the ZIP load model. Various ZIP load compositions were considered in this study i.e. 100% CP, 100% CC, 100% CI, and mixed load (30% CI, 30% CC, 40% CP). Simulation also confirmed that inclusion of ZIP load model affected power flow results of the studied distribution system. Results of UnilaPF program were compared to OpenDSS program, and maximum voltage deviation of 1.2194% was observed with total iteration of all cases is 10 iterations on UnilaPF and 20 iterations on OpenDSS.Keywords--- Power Flow, Newton Raphson, Rectangular, ZIP

Hakim, Lukmanul

Pratama, Gusmao Rado

Zebua, Osea

English

Electrician

ELECTRICIAN – Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro  Volume 10, No. 3, September 2016 Penerapan Model Beban Zip Untuk Analisa Aliran Daya Tiga Fasa pada Penyulang Katu GI Menggala  Gusmau Rado Pratama1, Lukmanul Hakim2, Osea Zebua3  Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung, Bandar Lampung Jl. Prof. Sumantri Brojonegoro No.1 Bandar Lampung 35145 1gusmaurado@gmail.com 2plgsekip@eng.unila.ac.id 3oseaz89@yahoo.com   Intisari--- Pada penelitian ini, tiga model beban dimasukkan kedalam Aliran Daya Newton-Raphson (UnilaPF) yang menggunakan koordinat tegangan rectangular. Ketiga model beban tersebut adalah Constant Power (CP), Constant Current (CC), dan Constant Impedance (CI), atau biasa disebut dengan Model Beban ZIP. Komposisi beban ZIP yang digunakan pada studi kali ini yaitu 100% CP, 100% CC, 100% CI, dan mixed load (30%CI, 30%CC, 40%CP). Simulasi yang telah dilakukan menunjukkan bahwa model beban ZIP memberikan pengaruh pada hasil analisa aliran daya pada sistem distribusi yang diteliti. Hasil dari program UnilaPF dibandingkan dengan program OpenDSS, dan diperoleh tegangan deviasi maksimal sebesar 1.2194% dengan total iterasi dari seluruh kasus sebanyak 10 iterasi pada UnilaPF dan 20 iterasi pada OpenDSS. Kata kunci--- Aliran Daya, Newton Raphson, Rectangular, ZIP.  Abstract--- In this work, three load models are included into a Newton-Raphson power flow (UnilaPF) based on rectangular voltage coordinates. Those models includeConstant Power (CP), Constant Current (CC), and Constant Impedance (CI), or commonly called the ZIP load model. Various ZIP load compositions were considered in this study i.e. 100% CP, 100% CC, 100% CI, and mixed load (30% CI, 30% CC, 40% CP). Simulation also confirmed that inclusion of ZIP load model affected power flow results of the studied distribution system. Results of UnilaPF program were compared to OpenDSS program, and maximum voltage deviation of 1.2194% was observed with total iteration of all cases is 10 iterations on UnilaPF and 20 iterations on OpenDSS. Keywords--- Power Flow, Newton Raphson, Rectangular, ZIP.   I. PENDAHULUAN  Studi aliran daya adalah suatu studi yang dilakukan untuk mendapatkan informasi mengenai aliran daya atau tegangan sistem dalam kondisi operasi tunak. Dengan studi aliran daya, kita dapat mengetahui besarnya daya aktif dan daya reaktif yang mengalir di sistem, besarnya tegangan dan sudut fasa pada setiap bus, serta rugi – rugi yang ditimbulkan di sepanjang saluran. Studi aliran daya sangat dibutuhkan dalam perencanaan dan perancangan perluasan sistem tenaga serta dibutuhkan untuk mengevaluasi kerja sistem tenaga. Setiap beban memiliki karakteristik yang berbeda – beda sehingga setiap beban memiliki pengaruh yang berbeda - beda pula terhadap sistem tenaga. Oleh karena itu, beban perlu dimodelkan ke dalam persamaan matematis yang sesuai dengan karakteristiknya. Pada simulasi aliran daya, pemodelan beban yang biasa digunakan adalah beban constant power. Namun pada kasus tertentu, simulasi aliran daya yang dilakukan tidak memperoleh nilai konvergensi apabila menggunakan beban ELECTRICIAN – Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro     149    Volume 10, No. 3, September 2016 constant power. Sehingga karakteristik beban yang lainnya perlu diperhitungkan untuk memperoleh konvergensi dari suatu sistem tenaga tersebut, yaitu beban constant current dan constant impedance. Oleh karena itu dibuatlah simulasi aliran daya tiga fasa di jaringan distribusi (UnilaPF) ini. Metode yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan aliran daya adalah Metode Newton Raphson dalam bentuk persamaan rectangular, dan menggunakan software python 2.7.9 dengan menggunakan ketiga pemodelan beban yaitu constant power, constant current, dan constant impedance.  Dengan demikian kita dapat mengetahui besar daya total yang disalurkan, besar rugi – rugi saluran, dan tegangan di tiap – tiap fasa saluran. Dengan menggunakan persamaan dalam format rectangular, hasil yang diperoleh akan memiliki nilai yang berkesesuaian dengan program pembanding yaitu OpenDSS dengan selisih yang tidak terlalu besar. Kemudian iterasi yang diperoleh akan lebih sedikit bila dibandingkan dengan program OpenDSS yang menggunakan format polar.  II. TINJAUAN PUSTAKA  Metode yang terdapat dalam menganalisa aliran daya yaitu Metode Gauss-Seidel, Metode Newton-Raphson, dan Metode Fast Decoupled. Pada penelitian ini, metode yang digunakan untuk menganalisa aliran daya adalah Metode Newton Raphson. Keunggulan dari metode ini yaitu memiliki iterasi yang lebih sedikit bila dibandingkan dengan Metode Gauss – Seidel. Jumlah iterasi pada Metode Newton – Raphson juga tidak bergantung kepada ukuran sistem yang dianalisa. Hal ini juga berdampak kepada waktu analisa yang lebih sedikit bila dibandingkan dengan Metode Gauss Seidel [1]. Gbr. 1 Sistem distribusi antara dua bus[2]  Persamaan matriks admitansi yang digunakan yaitu:       = 	      = 	                  (1)  Sedangkan arus pada bus I pada gambar diatas adalah :      = 	 ∑     .               (2)  Dimana:       =       +        (3)  Sedangkan tegangan kompleks pada bus i dalam bentuk rectangular yaitu [2]: Vi = ei + jfi   (4)  Sehingga persamaan daya pada bus i pada adalah :     =     + 	      = 	        ∗ (5)     =     ∑       .        ∗        (6)     +       = (    +       ) ∑         −   .         (    −       )      	 (7)       Gbr. 2 Aliran daya pasa sistem distribusi dua bus [3]  Untuk PQ bus:     =     ∑             −             +           ∑             +                   (8)  ELECTRICIAN – Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro     150    Volume 10, No. 3, September 2016     =     ∑             −             −           ∑             +                     (9)  Sedangkan untuk PV bus, nilai Qi diganti dengan Vi yaitu [3] [4] :      =      +       (10)  Kemudian Model adalah representasi sederhana dari sistem fisik yang bersesuaian yang dinyatakan dalam persamaan matematika dan diterjemahkan ke dalam kode pemprograman komputer [5]. Sedangkan Pemodelan beban adalah representasi matematis dari hubungan antara daya dan tegangan, dimana daya yang terdiri dari daya aktif dan daya reaktif adalah output dari model. Sedangkan tegangan adalah input ke model. Pemodelan beban digunakan untuk menganalisa permasalahan stabilitas sistem tenaga, seperti stabilitas steady state, stabilitas transien, stabilitas jangka panjang dan kontrol tegangan [6]. Pada analisa aliran daya klasik, Bus beban (PQ Bus) biasa dimodelkan sebagai beban dengan daya aktif dan daya reaktif yang konstan. Kemudian pada analisa aliran daya modern, model beban statis direvisi dan digeneralisasikan berdasarkan sudut pandang implementasi dari perangkat analisa sistem tenaga. Pada implementasinya, beban memiliki pengaruh yang berbeda – beda terhadap sistem dan disebut dengan beban non-conforming, salah satunya adalah Beban ZIP [5].    A. Constant Power Beban Constant power akan  menjaga daya yang disuplai ke beban tetap konstan. Pada beban constant power nilai daya aktif dan daya reaktif yang tidak tergantung dengan variasi besarnya tegangan pada beban tersebut [6]. Persamaan beban dengan constant power ditunjukkan oleh persamaan berikut [8].    = 	           +              (11)  A. Constant Current Constant current adalah pemodelan beban yang dimodelkan bahwa beban menjaga besarnya arus yang mengalir pada beban tersebut. Pada beban constant current, besarnya daya aktif dan daya reaktif berubah sesuai dengan besarnya tegangan[6]. Persamaan beban constant current ditunjukkan oleh persamaan berikut [8]:   =     ∗ (12)   =   ∠                               .  ∠       (13)   = |  |            +                (14)  B. Constant impedance Constant impedance adalah pemodelan beban yang dimodelkan bahwa beban menjaga besarnya impedansi pada beban tersebut. Pada beban constant impedance, besarnya daya aktif dan daya reaktif berubah sesuai dengan kuadrat besarnya tegangan [6]. Persamaan beban constant impedance ditunjukkan oleh persamaan berikut [8]:   =     ∗ (15)   =   	     ∗ (16)   =  	  ∗  ∗ (17)   = 		|  |   ∗ (18)   = 		|  |  (  .  )                          (19)   = |  |              +                (20)  Pada penelitian ini, ketiga model beban tersebut akan dijadikan beban gabungan (mixed load) menjadi sebuah persamaan umum. Berikut ini adalah persamaan untuk beban gabungan [9]:         =     [       +       +     ] (21)         =     [       +       +     ] (22) Di mana : ELECTRICIAN – Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro     151    Volume 10, No. 3, September 2016 p1 + p2 + p3 = q1 + q2 + q3 =  1 (23)  III. METODE PENELITIAN  Program UnilaPF yang dikembangkan, terdiri dari beberapa kelas – kelas, yaitu :  A. Kelas Power System Kelas Power System merupakan kelas yang berisikan tentang pembacaan format data yang ada. Disini akan dilaksanakan proses pengolahan data yang akan dilakukan. Seluruh data di setiap komponen akan dipanggil oleh kelas power system dan kemudian akan diolah kedalam fungsi.  B. Kelas Analysis Kelas Analysis adalah kelas yang berisikan tentang rumus – rumus aliran daya tiga fasa tak seimbang. Mulai dari membuat matriks admitansi, menghitung nilai mismatch, membuat matriks Jacobian, hingga menyelesaikan persamaan matriks dari rumus – rumus tersebut. Di kelas ini juga terjadi proses iterasi yang akan terus dilakukan hingga nilai yang diperoleh sudah konvergen, yaitu nilainya lebih kecil dari nilai mismatch daya yang telah ditetapkan. Di kelas ini juga akan ditunjukkan hasil output yang diharapkan, yaitu berupa besanya tegangan dan sudut fasa pada tiap bus dan besarnya daya aktif dan daya reaktif.    Gbr. 3 Struktur kelas UnilaPF  Proses pengolahan data pada program UnilaPF ditunjukkan oleh Gambar 4.   Gbr. 4 Diagram alir program UnilaPF     ELECTRICIAN – Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro     152    Volume 10, No. 3, September 2016 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN  A. Data Penyulang Katu pada GI Menggala Sistem yang dianalisa adalah Penyulang Katu pada GI Menggala. Pada simulasi sistem distribusi Penyulang Katu pada GI Menggala, tegangan basis ditetapkan sebesar 20 kV.  Penyulang Katu itu sendiri terdiri dari 1 sumber grid yaitu Gardu Induk, 119 bus, 118 saluran, dan 106 beban. Total daya beban pada Penyulang Katu yaitu sebesar 4.039 MW dan 2.46 MVAr. Daya pada fasa a sebesar 1.239 MW dan 0.729 MVAr, daya pada fasa b sebesar 1.44 MW dan 0.912 MVAr, dan daya pada fasa 1.36 MW dan 0.823 MVAr.  B. Skenario Simulasi Skenario yang akan disimulasikan terdiri dari empat jenis skenario dengan porsi model beban yang berbeda – beda, yaitu :  1)  Seluruh beban dimodelkan sebagai beban constant power (100% CP) dengan kasus Penyulang Katu GI Menggala. 2)  Seluruh beban dimodelkan sebagai beban constant current (100% CC) dengan kasus Penyulang Katu GI Menggala. 3)  Seluruh beban dimodelkan sebagai beban constant impedance (100% CI) dengan kasus Penyulang Katu GI Menggala. 4)  Beban dimodelkan dengan 30% beban constant impedance, 30% beban constant current, dan 40% beban constant power (Mixed Load) dengan kasus Penyulang Katu GI Menggala.  C. Hasil Simulasi Program Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan, Kita melihat hasil simulasi pada skenario dengan beban Mixed Load sebagai sample, program UnilaPF membutuhkan 2 iterasi untuk mencapai nilai konvergensi. Sedangkan program OpenDSS membutuhkan 8 iterasi untuk mencapai nilai konvergensi. Kemudian diperoleh hasil magnitude tegangan pada masing – masing fasa dan ditunjukkan oleh Gambar 5(a), Gambar 5(b), dan Gambar 5(c).   Gbr. 5 Profil Tegangan pada Fasa A   Gbr. 6 Profil Tegangan pada Fasa B   Gbr. 7 Profil Tegangan pada Fasa C 0.720.760.800.840.880.920.961.001 112131415161718191101111Tegangan (pu)BusProfil Tegangan Fasa AUnilaPF OpenDSS0.680.720.760.800.840.880.920.961.001112131415161718191101111Tegangan (pu)BusProfil Tegangan Fasa BUnilaPF OpenDSS0.720.760.800.840.880.920.961.001 112131415161718191101111Tegangan (pu)BusProfil Tegangan Fasa CUnilaPF OpenDSSELECTRICIAN – Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro     153    Volume 10, No. 3, September 2016  Pada grafik profil tegangan, grafik antara UnilaPF dan OpenDSS saling berhimpitan. Hal ini membuktikan bahwa program UnilaPF memberikan hasil yang berkesesuaian dengan program OpenDSS dengan deviasi tegangan yang tidak jauh berbeda. Deviasi tegangan antara kedua program tersebut ditunjukkan oleh Gambar 8.    Gbr. 8 Grafik Deviasi Tegangan pada Skenario dengan Model Beban Mixed Load  Sedangkan rugi – rugi daya aktif dan rugi – rugi daya reaktif yang dihasilkan pada kasus dengan beban 30% Constant Impedance, 30% Constant Current, 40% Constant Power atau Mixed Load ditunjukkan oleh Gambar 7 dan Gambar 8.    Gbr. 9 Perbandingan Rugi – Rugi Daya Aktif pada Skenario dengan Model Beban Mixed load   Gbr. 10 Perbandingan Rugi – Rugi Daya Reaktif pada Skenario dengan Model Beban Mixed load  Setelah dilakukan simulasi antara program UnilaPF dan OpenDSS dengan seluruh skenario. Maka diperoleh hasil simulasi yang telah dirangkum. Hasil tersebut ditunjukkan oleh Tabel 1 dan Tabel 2.  Tabel 1. Tabel Deviasi Tegangan Maksimal antara UnilaPF dan OpenDSS No Skenario Max(│∆Va│) Max(│∆Vb│) Max(│∆Vc│) pu % pu % pu % 1 100% CP   0.00008 0.0087 0.00008 0.0087 0.00008 0.0089 2 100% CC   0.00105 0.1319 0.00152 0.1941 0.0008 0.0993 3 100% CI    0.00014 0.0157 0.00018 0.0202 0.00012 0.0133 4 Mixed Load   0.00491 0.6744 0.00855 1.2194 0.00305 0.4101  Tabel 2. Tabel Rugi – Rugi Daya Aktif dan Reaktif antara UnilaPF dan OpenDSS No Skenario P Losses (kW) Q Losses (kW) Unila PF Open DSS  Unila PF Open DSS 1 100% CP 139.796 139.8 167.268 167.3 2 100% CC 297.98 298.9 288.7 291.9 3 100% CI 83.16 83.3 80.82 80.9 4 Mixed Load 520.323 541.5 501.153 520.2   0.0000.0020.0040.0060.0080.0101 7 131925313743495561677379859197103109115Tegangan (pu)BusDeviasi Tegangan UnilaPF - OpenDSSSkenario KeempatFasa A fasa B Fasa C116.80237.50166.03116.6253.5171.40100200300Fasa A Fasa B Fasa CDaya Aktif (kW)Perbandingan Rugi - Rugi Daya AktifUnilaPF OpenDSS113.44197.91 189.80112.7209.6197.9050100150200250Fasa A Fasa B Fasa CDaya Reaktif (kVAr)Perbandingan Rugi - Rugi Daya ReaktifUnilaPF OpenDSSELECTRICIAN – Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro     154    Volume 10, No. 3, September 2016 A. Perbandingan antara Penerapan Beban Constant Power, Constant Current, Constant Impedance, dan Mixed Load Untuk melihat dan menganalisa setiap model beban yang disimulasikan, perlu adanya perbandingan antara setiap model yang disimulasikan. Perbandingan tegangan pada setiap model beban yang disimulasikan ditunjukkan oleh Gambar 8(a), Gambar 8(b), dan Gambar 8(c).   Gbr. 8(a). Perbandingan Tegangan pada Fasa A   Gbr. 8(b). Perbandingan Tegangan pada Fasa B   Gbr. 8(c). Perbandingan Tegangan pada Fasa C  Kemudian perbandingan rugi – rugi daya aktif dan reaktif pada setiap kasus ditunjukkan oleh Gambar 9.   Gbr. 9 Perbandingan rugi – rugi daya aktif dan rugi – rugi daya reaktif   V. KESIMPULAN DAN SARAN   A. Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi yang telah dilakukan, maka kesimpulan yang dapat diambil yaitu : 1) Program simulasi aliran daya tiga fasa dengan Metode Newton Raphson bentuk rectangular dapat diterapkan untuk model beban ZIP, dan memiliki kesesuaian dengan program OpenDSS yang menggunakan Metode Newton Raphson bentuk polar, dengan perbedaan tegangan 0.40.50.60.70.80.911 9 1725334149576573818997105113Tegangan (pu)BusPerbandingan Tegangan di Fasa A Pada Setiap Skenario Penyulang Katu GI Menggala Kasus 100% CP Kasus 100% CCKasus 100% CI Kasus Mixed Load00.20.40.60.811 9 1725334149576573818997105113Tegangan (pu)BusPerbandingan Tegangan di Fasa B Pada Setiap Skenario Penyulang Katu GI Menggala Kasus 100% CP Kasus 100% CCKasus 100% CI Kasus Mixed Load0.40.50.60.70.80.911 9 1725334149576573818997105113Tegangan (pu)BusPerbandingan Tegangan di Fasa C Pada Setiap Skenario Penyulang Katu GI Menggala Kasus 100% CP Kasus 100% CCKasus 100% CI Kasus Mixed Load3447.61563173.5552297.98 288.783.16 80.824520.323 501.153TOTAL LOSSES DAYA AKTIF (KW) TOTAL LOSSES DAYA REAKTIF (KVAR)Perbandingan Losses Daya Aktif dan Daya Reaktif Pada Setiap Skenario Penyulang Katu GI MenggalaKasus 100% CP Kasus 100% CCKasus 100% CI Kasus Mixed LoadELECTRICIAN – Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro     155    Volume 10, No. 3, September 2016 maksimal sebesar 0.00855 pu atau sebesar 1.2194% pada kasus Penyulang Katu GI Menggala. 2) Nilai magnitude tegangan, sudut tegangan, total rugi – rugi daya aktif, dan total rugi – rugi daya reaktif di setiap bus pada masing – masing fasa telah didapatkan dengan nilai yang hampir sama dengan OpenDSS. 3) Hasil simulasi menggunakan UnilaPF memiliki total iterasi yang lebih sedikit untuk seluruh kasus yaitu sebanyak 10 iterasi, sedangkan OpenDSS dengan iterasi sebanyak 20 iterasi.  4) Pemodelan beban ZIP yang disimulasikan memberikan hasil magnitude tegangan yang lebih tinggi dari beban constant power namun lebih rendah dari beban constant current dan constant impedance, dengan tegangan minimal sebesar 0.7091 pu.     B. Saran Saran yang dapat diberikan untuk penelitian selanjutnya yaitu : 1) Mencari komposisi model beban ZIP secara aktual pada setiap jenis. Hal ini dapat diperoleh melalui data beban yang telah di survey oleh PLN atau melalui survey secara mandiri. Dengan demikian, data yang disimulasikan dan hasil yang diberikan akan lebih mendekati nilai aktualnya. 2) Meneliti lebih lanjut mengenai konvergensi pada program UnilaPF. Mengingat UnilaPF memberikan hasil konvergen pada kasus 100% Constant Power, sedangkan program pembanding, OpenDSS, tidak konvergen. REFERENSI  [1] R. Aswani dan R. Sakthivel, “Power Flow Analysis of 110/11 KV Substation Using ETAP,” International Journal of Applied and Studies (iJARS), vol. 3, no. 1, 2014.  [2] M. Wahidi, “Analisa Aliran Daya Tiga Fasa Tak Seimbang Pada Penyulang Kangkung PT. PLN (Persero) Distribusi Lampung,” Universitas Lampung, Bandar Lampung, 2014. [3] L. Hakim, M. Wahidi, T. Handoko, H. Gusmedi, N. Soedjarwanto dan F. Milano, “Development of a Power Flow Software for Distribution System Analysis Based on Rectangular Voltage Using Python Software Package,” dalam 6th International Conference on Information Technology and Electrical Engineering (ICITEE), Yogyakarta, 2014.  [4] X.-F. Wang, Y. Song and M. Irving, Modern Power System Analysis, New York: Springer Science+Bussines Media, 2008.  [5] F. Milano, Power System Modelling and Scripting, London: Springer - Verlag, 2010.  [6] K. Linden dan I. Segerqvist, “Modelling of Load Devices and Studying Load/System Characteristics,” Chalmers University of Technology, Goteborg, 1993. [7] J. Zhu, Optimization of Power System Operation, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2009.  [8] “PowerWorld Corporation,” PowerWorld Corporation, 1996. [Online]. Available: www.powerworld.com/files/S01SystemModeling.pdf. [Diakses 12 January 2016]. [9] S. He, "Modeling Power System Load Using Intelligent Methods," Kansas State University, Manhattan, 2011.        

Penerapan Model Beban Zip Untuk Analisa Aliran Daya Tiga Fasa pada Penyulang Katu GI Menggala

https://electrician.unila.ac.id/index.php/ojs/article/download/2003/pdf

Penerapan Model Beban Zip Untuk Analisa Aliran Daya Tiga Fasa pada Penyulang Katu GI Menggala

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electrician