SISTEM PROTEKSI TERHADAP KESTABILAN FREKUENSI UNTUK PELEPASAN BEBAN BERBASIS FUZZY LOGIC CONTROL

Transkripsi

1 SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT S EDUCATIONS 2009 SISTEM ROTEKSI TERHADA KESTABILAN FREKUENSI UNTUK ELEASAN BEBAN BERBASIS FUZZY LOIC CONTROL A.SOFWAN ) dan B.UTOMO 2) ) Teknik Elektr S ISTN Jakarta 2) rand Indnesia Htel, Jakarta asfwan3@yah.cm ABSTRAK Hubungan antara beban dengan frekuensi dari suatu sistem penyaluran daya listrik saling berpengaruh. Dengan beban naik maka dapat mengakibatkan frekuensi turun dan sebaliknya. Sistem pembangkit tenaga listrik yang menggunakan penggerak utama engine generatr sering terdapat gangguan sehingga menyebabkan daya tersedia tidak dapat melayani beban. Oleh karena itu untuk dapat menghindari sistem menjadi terganggu (cllapsed) perlu dilakukan adanya pelepasan beban secara tmatis. Akibat dari lepas 2 unit pembangkit dapat mengakibatkan beban seakan naik, sehingga menggangu kestabilan frekwensi. Keadaan kritis dalam sistem karena jatuhnya unit pembangkit secara tiba-tiba dapat diidentifikasi secara tmatis melalui frekuensi yang menurun dengan cepat. Kestabilan frekuensi dapat dengan segera dapat teratasi dengan melepaskan beberapa beban. erbandingan antara nilai Set int 48 Hertz dengan nilai resent Value dari Frekuensi system akan menghasilkan utput Errr yang bertujuan untuk menggerakan UFR untuk melepaskan beban. ada saat beban maksimum dan terjadi trip pada 2 unit eneratr frekuensi pada detik ke 0. akan turun menjadi Hertz dan terjadi pelepasan beban sebesar 2875 MW, ternyata belum mampu untuk menghindari gangguan berat dalam system sehingga perlu dilakukan penambahan beban yang akan dilepas secara bertahap. Dalam penelitian dipaparkan sistem prteksi berbasis kesatabilan frekuensi dengan menggunakan fuzzy lgic cntrl yang dapat disimulasikan dengan perangkat lunak MATLAB. Kata Kunci: Kestabilan, Frekwensi, Fuzzy Lgic Cntrl, dan pelepasan beban. I. ENDAHULUAN Sistem Tenaga Listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi para pelanggan dengan frekuensi yang knstan. enyimpangan dari nilai nminal harus dalam batas tleransi yang diperblehkan. Jika terdapat gangguan dalam sistem yang menyebabkan daya tersedia tidak dapat melayani beban, misalnya karena ada unit pembangkit yang besar jatuh (trip), maka untuk menghindarkan sistem menjadi terganggu (cllapsed) perlu dilakukan pelepasan beban. Keadaan yang kritis dalam sistem karena jatuhnya unit pembangkit dapat diidentifikasi melalui frekuensi sistem yang menurun dengan cepat dan mendadak. enggunaan lgika Fuzzy guna mengntrl penurunan frekuensi hingga 48Hertz dalam merencanakan pelepasan beban tmatisasi, dan mnitring dapat direalisasikan. erencanaan yang dihasilkan pada utput system kendali ini disimulasikan dengan bantuan prgram Matlab. 2. enerating Set (enset) Secara garis besar perangkat genset terdiri dari 5 bagian atau kmpnen utama yaitu : ().Engine sebagai rime Mver, yang berfungsi merubah energi panas bahan bakar menjadi energi mekanik. (2) Alternatr, yang berfungsi merubah energi mekanis dari penggerak utama menjadi energi yang tersimpan.(3) AC/DC Cntrl anel,yang berfungsi sebagai cntrl starting dari dynam starter dan juga cntrl panel. (4). Base Frame, Yang berfungsi sebagai tempat dudukan dari unit enset. (5). Radiatr, Yang berfungsi sebagai unit pendingin eneratr elepasan Beban (Lad Shedding). ada saat t = t A ada unit pembangkit yang jatuh sehingga frekuensi menurun yang dimisalkan bahwa frekuensi menurun. Setelah mencapai titik B dilakukan pelepasan beban tingkat pertama leh Under Frequency Relay (UFR) yang bekerja setelah mendeteksi frekuensi sebesar F B. Dengan adanya pelepasan beban tingkat pertama maka penurunan frekuensi berkurang kecepatannya, sampai di titik C UFR mendeteksi frekuensi sebesar F dan akan melakukan pelepasan beban tingkat dua. ambar erubahan frekuensi sebagai fungsi waktu dan pelepasan beban. C A-9

2 SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT S EDUCATIONS 2009 A-20 Setelah pelepasan beban tingkat kedua frekuensi tidak lagi menurun tapi menunjukan gejala yang baik yaitu naik kembali menuju titik D. Naiknya frekuensi dari titik C menuju titik D disebabkan karena adanya daya yang masih tersedia dalam sistem adalah lebih besar daripada beban setelah mengalami pelepasan beban tingkat ke2.vernr unit-unit pembangkit dalam sistem mulai melakukan pengaturan primer. 2.3 enurunan Frekuensi angguan Unit embangkit. enambahan frekuensi sebagai fungsi waktu akan berlangsung apabila ada penambahan beban secara mendadak (step functin). Ditinjau dari respns gvernr. enambahan beban secara mendadak mempunyai dampak terhadap penurunan frekuensi sistem, begitu pula apabila ada unit pembangkit yang terganggu dan trip (jatuh) akan berdampak terhadap penurunan frekuensi. erhitungan penurunan frekuensi sebagai akibat tripnya salah satu unit pembangkit dimaksudkan untuk merencanakan pelepasan beban dengan menggunakan Under Frekuensi Relay (UFR) untuk menghindarkan gangguan (semi) ttal dalam sistem yang disebabkan terlalu banyak unit pembangkit yang ikut trip karena menjadi berbeban lebih. Sebelum ada unit pembangkit yang trip, keadaan adalah seimbang artinya daya yang dibangkitkan dalam sistem = beban jika unit pembangkit yang trip sebelum trip membangkitkan daya sebesar ke dalam sistem, maka pada saat unit ini trip S dalam sistem terjadi kekurangan daya yang dibangkitkan sebesar. Kekurangan daya inilah S yang menyebabkan frekuensi turun. Secara fisik, kekurangan daya ini menyebabkan kpel yang dihasilkan generatr-generatr dalam sistem T menjadi lebih kecil daripada kpel beban T dan T = T TB adalah < 0. Nilai T < 0 ini menyebabkan terjadinya percepatan negatif atas kecepatan sudut rtr generatr, karena B dω T = I. I adalah nilai mmen inersia bagian-bagian yang berputar dalam sistem, dinyatakan dengan persamaan = didapat : ω 2πf T = I.2π () = besarnya daya yang dibangkitkan dalam sistem sebelum ada gangguan unit pembangkit. = saat terjadinya gangguan unit pembangkit, B = beban sistem sebelum gangguan. = besarnya selisih daya antara yang dibangkitkan dengan beban setelah ada gangguan, dalam hal ini sebesar daya yang dibangkitkan leh unit yang terganggu, maka : S T T ω =. (2) Tω = ( ) = (3) S B = B karena sebelum gangguan daya dibangkitkan adalah sama dengan beban tanda negatif menunjukan adanya kekurangan daya dibangkitkan. Karena S ω πi 2π = 2 f selanjutnya didapat : = 2πI. 2πf 2 4π S f I = (4) Karena merupakan energi kinetis per daya terpasang, jadi dalam per unit, maka yang dinyatakan dalam per unit adalah: OT S SOT Dimana : OT = daya terpasang dalam MW dari unit-unit pembangkit yang berperasi sebelum ada gangguan. = daya terpasang dalam MW dari SOT unit yang mengalami gangguan. Dengan mengggunakan besaran-besaran per unit seperti yang dipakai untuk H maka persamaan (8) menjadi : f S = (5) 2 H OT SOT ada hubungan S T 2 f = diketahui bahwa : π S S Tω = atau. Frekuensi turun sejak terjadinya gangguan yaitu sejak t, berarti pada saat-saat setelah terjadi gangguan nilai frekuensi sudah lebih kecil daripada f. 2. Dengan turunnya frekuensi maka gvernr akan bereaksi dan akan melakukan pengaturan primer untuk memperkecil nilai T. 3. Dengan turunnya nilai frekuensi, besarnya beban juga turun, Sebagai akibat dari terganggunya unit pembangkit dalam sistem maka terjadi penurunan frekuensi, pengaruh dari gvernr belum diperhitungkan. Turunnya frekuensi yang disebabkan adanya gangguan unit pembangkit apabila lajunya ( ) besar dapat membahayakan sistem, sehingga untuk menghindarkan gangguan yang lebih besar perlu dilakukan pelepasan beban. elepasan beban artinya adalah sama dengan memperkecil pengaruh SO. Dalam perhitungan pelepasan beban pengaruh gvernr diabaikan sehingga didapat hasil perhitungan yang lebih aman. elepasan beban dilakukan dengan UFR yang bekerja seketika, tanpa time delay.

3 SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT S EDUCATIONS 2009 A Sistem Kendali Lgika Fuzzy. Himpunan klasik (Crisp) didefinisikan sebagai kleksi elemen atau byek u U, diskrit atau kntinyu bisa terbatas terhitung atau tak terhitung dan U adalah semesta pembicaraan. Setiap elemen bisa menjadi bagian dari suatu himpunan,a, A U bisa pula tidak. Dengan mendefinisikan fungsi karakteristik (fungsi keanggtaan) µ untuk suatu himpunan dengan memberikan harga bagi anggta dan bagi bukan anggta, suatu himpunan klasik dapat dipresentasikan leh persamaan (µ,0) dan (µ,). Fungsi karakteristik dua harga µ A (u) dapat digunakan untuk mewakili suatu byek u( u U ) milik A atau bukan. enggunaan himpunan crisp untuk menyatakan knsep relatif seperti misalnya pada "kecepatan","psisi" adalah sangat terbatas, dimana ekspresi seperti "cepat, lambat, sangat lambat", atau ` jauh, dekat, sangat dekat" merupakan harga pendekatan dan sangat tergantung pada kntek pembicaraan. Himpunan fuzzy memberikan kerangka untuk menyatakan ekspresi pendekatan di atas. Dalam himpunan fuzzy, fungsi karakteristik µ A = µ A (u) dimungkinkan mempunyai harga antara 0 dan l untuk menyatakan derajat keanggtaan setiap elemen dalam himpunan yang diberikan. enyajian himpunan fuzzy A secara diagramik ditunjukan pada gambar 2. Bentu k digramatik S-functin ditunjukan pada gambar 3 ambar 3: S-functin. 2. π -functin. Definisi π -functin adalah sebagai berikut: Bentuk diagramatik π -functin ditunjukan pada gambar 4. ambar 2. Himpunan Fuzzy A secara Diagramatik. enentuan keanggtaan suatu himpunan fuzzy tidak dibatasi leh aturan-aturan tertentu.cnth berikut ini adalah tiga macam keanggtaan yang dinyatakan dengan fungsi keanggtaan S,π dan T (triangular). Beberapa bentuk fungsi keangtaan dalam lgika fuzzy, diantarnya sebagai berikut:. S-functin. Definisi S-functin adalah sebagai berikut : ambar 4. π -functin 2. Triangular-functin. Triangular-functin didefinisikan sebagai berikut: Bentuk diagramatik Tringular-functin ditunjukan pada gambar 5. ambar 5: T-functin

4 SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT S EDUCATIONS 2009 A-22 enyusunan Aturan. ada umumnya aturan-aturan fuzzy dinyatakan dalam bentuk IF-THEN yang merupakan inti dari relasi fuzzy, dinyatakan dengan R, juga disebut umplikasi fuzzy. Relasi fuzzy dalam pengetahuan dasar dapat didefinisikan sebagai himpunan pada implikasi fuzzy. Aturan dasar fuzzy adalah dalam bentuk umum [] : () R : IFxis F AND.. x nis F n, Dimana F i dan THEN y is. adalah himpunan fuzzy U R masing-masing di dan V R, n T Dan x = ( x,..., x ) U X X n adalah variable linguistik. U dan y V III. ERENCANAAN SISTEM ENATURAN FREQUENCY FUZZY LOIC ada sistem yang diimplementasikan dalam sistem cntrl pada pengaturan parameter frequency dengan menggunakan Fuzzy Lgic ini adalah dengan memetakan Errr (e) Frequency sehingga Fuzzy Lgic Cntrller (FLC) dapat mengambil tindakan yang tepat untuk menyesuaikan utputnya. Harga Errr ditentukan dengan rumusan : penyetingan frekwensi pada level rendah yang masih diperkenankan. ada gambar tersebut menunjukkan adanya alur dari prses perubahan frekwensi dari suatu system pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik dengan memperhatikan keterkaitan antara beban dan frekwensi. 3.2 embuatan Membership Functin (MF) embuatan perangkat lunak FLC diawali dengan membentuk membership functin dari crisp input dan crisp utput. Crisp input yang digunakan yaitu errr sedangkan utput yang digunakan yaitu Under Frequency Relay (UFR). Tidak seperti FLC knvensinal yang membutuhkan batasan yang tepat dari input dan utputnya,flc menggunakan pendekatan secara lebih sederhana yaiu dengan menggunakan batasan-batasan Negatif, Nl dan sitif. ada desain ini, digunakan segitiga dan trapezium untuk MF input dan utput. Batasan-batasan yang digunakan untuk input (membership functin) dapat dilihat di table. Tabel Batasan Input Membership Functin Errr = S V Keterangan : S = Harga Setting int V = Harga Output ada saat t S V X errr FUZZY LOIC CONTROLLER Output UFR ambar 6: Blk Diagram lant dan Sistem Kendali Fuzzy. Saat S diinputkan ke dalam sistem maka sistem akan menghitung errr dan variable ini menjadi input dalam Fuzzy Lgic Cntrller yang berupa perangkat lunak sistem. Output dari FLC memberikan aksi kendali pada sistem, dalam hal ini mengaktifkan UFR (Under Frequency Relay) yang terpasang untuk melepaskan beban-beban. Frequency Dari data terlihat bahwa apabila dalam waktu t = 0 detik frekuensi tidak turun dan mencapai nilai 48 Hertz maka perhitungan bisa dihentikan. Nilai 48 Hertz pada flw chart tersebut merupakan hasil Tabel 2: Batasan Output Membership Functin 3.3 embuatan Rules Setelah selesai membuat input dan utput membership functin, langkah selanjutnya yaitu membuat rules. rses pembuatan rules dilakukan dengan menerapkan kemampuan manusia dalam mengendalikan suatu sistem kendali. Apa yang dilakukan leh FLC untuk menaikan dan menurunkan utput harus sesuai dengan harga utput saat itu dan sebelumnya, sehingga FLC dapat mengambil tindakan yang tepat untuk menyesuaikan utputnya. ada ambar 7 akan dijelaskan bagian-bagian kntrl blck dan akan dapat dijelaskan pula bagian-bagian cntrl blck 2.

5 SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT S EDUCATIONS 2009 A-23 ambar 7: anel Kntrl Blck 2 4. SIMULASI DAN ANALISA ada bab ini akan dilakukan pengujian dan analisa dari simulasi yang telah direncanakan. Dengan demikian akan diketahui keberhasilan dari simulasi Lad Shadding untuk menghindari gangguan berat dalam system. ada tabel 3 dapat dilihat beban yang akan dilepas pada saat terjadi prses Lad Shedding. Tabel 3: Tabel Knsumsi Daya Chiller lan. Tabel 4: arameter Setting int arameter Seting Keterangan int Frekuensi 50 Hz Frekuensi nminal dari eneratr Energy Kinetis 2.32 MW.Sec Data spesifikasi yg didapatkan dari eneratr Statisme 4 (Hz) Turunnya frekuensi dari keadaan beban nl sampai keadaan beban penuh Inertia Knstant 5 Sec Energi kinetis dibagi kapasitas mesin (H) UFR 48 Hz Under Frekuensi Relay setting int Shedding beban (MW) Beban yang dilepas pada saat Lad Shadding Kapasitas Daya yang dibangkitkan eneratr (MW) Lad 7.6 (MW) leh Unit eneratr Beban yang di pikul eneretr Berdasarkan data setting pada prses simulasi didapatkan data-data sebagai berikut : Tabel 5: Data-data rses simulasi. Nilai 7.6 MW Nilai b 7.6 MW. Nilai T MW. Nilai ST MW. Nilai S.9 MW. Hs sec. 4.. engujian rses Simulasi Untuk rses pengujian simulasi ini, diawali dengan memberikan nilai-nilai setting pint yang didapatkan atas dasar spesifikasi generatr yang diuji tersebut. Kemudian setelah itu sistem diberikan beban maximum dan dilakukan prses (black ut) pada eneratr untuk melihat penurunan frekuensi yang ditimbulkan. Dan akhirnya pada prses berikutnya dilakukan prses pelepasan beban untuk melihat kenaikan frekuensi Simulasi beban maximum terjadi trip pada salah satu generatr (Case-). ada prses pengujian simulasi ini diawali dengan memberikan setting pada nilai-nilai yang ditampilkan pada table IV.2 berikut dibawah ini. Table 6: Hasil erhitungan penurunan frekuensi sampai dengan.5 detik Waktu (detik) / (Hertz/det ik) frek. (Hertz) b (mw) Errr ada tabel 6 didapatkan nilai-nilai hasil simulasi dimana pada 0. detik terjadi penurunan frekuensi sebesar Hertz dan beban sistem berkurang menjadi MW, kndisi ini akan terus menurun jika tidak ada beban yang di lepas sampai detik ke.5 frekuensi akan turun mencapai Hertz dan beban sistem menjadi MW. ehingga didapatkan tampilan grafik hasil penurunan frekuensi seperti gambar 8.

6 SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT S EDUCATIONS 2009 A-24 ambar 8. rafik enurunan Frekuensi Salah Satu eneratr Trip. Beban sistem naik menjadi 7.39 MW, kndisi ini akan terus naik sehingga pada detik ke.5 nilai frekuensi menjadi Hertz dan beban sistem menjadi MW. Dari table IV.5 simulasi grafiknya di dapatkan seperti pada gambar 0 Dari grafik pada gambar 8 diperlihatkan pada saat terjadi trip pada satu unit generatr pada detik ke 0 frekuensi sudah turun sampai psisi 49 Hertz dan pada detik ke satu sudah mencapai nilai 48 Hertz jika tidak ada beban yang di lepas maka frekuensi akan semakin turun mencapai 43 Hertz dalam waktu 4 detik. Untuk mentrigger Under Frekuensi Relay melepaskan beban pada detik ke satu. ambar 9: rafik Errr (fuzzy Lgic) Dilihat dari grafik antara turunnya frekuensi mencapai nilai 48 Hz dan respn errr (prses pada fuzzy Lgic Cntrller) didapatkan pada detik ke satu sehingga harus dilakukan prses pelepasan beban pada detik ke satu untuk menghindari gangguan berat dalam system dan frekuensi naik kembali menuju frekuensi nminalnya 50 Hz. Table 9 Hasil erhitungan lad shadding sampai dengan.5 detik. Waktu (detik) / (Hertz/deti frek (Hertz) b (mw) Hasil perhitungan sampai.5 detik di tampilkan dalam bentuk table pada table IV.5 ada tabel IV.5 didapatkan nilai-nilai hasi simulasi dimana pada 0. detik setelah dilakukan pelepasan beban sebesar 2875 MW terjadi kenaikan frekuensi sebesar Hertz dari frekuensi awal sebesar Hertz. ambar 0. rafik kenaikan frekuensi setelah dilakukan prses Lad Shedding. Dari rafik pada gambar 0 dapat dilihat pada saat terjadi pelepasan beban sebesar 2875 MW frekuensi akan kembali naik pada detik ke 0 sebesar 49 Hertz dan sampai detik ke 5 akan sebesar 53 Hertz. Hubungan dari table 0 didapatkan nilai-nilai hasil simulasi dimana pada 0. detik terjadi penurunan frekuensi sebesar Hertz dan beban sistem berkurang menjadi ambar : rafik rses Lad Shading pada saat 2 eneratr trip. Dari grafik jelas terlihat bahwa untuk kasus 2 generatr trip dengan melakukan pelepasan beban sebesar mw tidak dapat menghindari gangguan berat dalam system dan mengakibatkan terjadinya (black ut) pada system eneratr. ada salah satu generatr trip frekuensi turun sampai dengan Hertz pada detik ke dan mulai dilakukan pelepasan beban dan frekuensi naik kembali pada nilai Hertz pada detik ke satu. ada 2 generatr trip (case-2) frekuensi menurun dengan cepat 4.53 Hertz pada detik ke satu dan pada saat dilakukan prses pelepasan beban tidak mampu menghindari gangguan berat sehingga pihak management perlu dilakukan pengkajian ulang untuk beban yang akan dilepas. V. KESIMULAN Dari hasil pengujian secara perangkat lunak, dapat diambil kesimpulan untuk rses elepasan beban untuk menghindari gangguan berat dalam system di rand Indnesia Shpping Twn diantaranya adalah :

7 SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT S EDUCATIONS 2009 A-25. erbandingan antara nilai Set int 48 Hertz dengan nilai resent Value (V) dari Frekuensi system akan menghasilkan utput Errr yang bertujuan untuk menggerakan UFR untuk melepaskan beban. 2. Batasan frekuensi yang terlalu dini memberikan resik bahwa pelepasan beban yang sesungguhnya tidak diperlukan bisa di prediksi dan apabila batasan frekuensi terlalu rendah bisa memberikan resik bahwa pelepasan beban berlangsung terlambat sehingga bisa terjadi gangguan (semi) ttal sehingga untuk itu diambil batasan set pint untuk simulasi ini sebesar 48 Hertz. 3. ada saat beban maksimum dan terjadi trip pada 2 unit eneratr frekuensi pada detik ke 0. akan turun sebesar Hertz dan pada saat pelepasan beban sebesar 2875 mw terjadi masih belum mampu untuk menghindari gangguan berat dalam system sehingga Management rand Indnesia perlu di lakukan pengkajian lagi dalam penambahan beban yang akan di lepas. USTAKA []. Tmthy, J.Rss, Fuzzy Lgic with Engineering applicatin, McrawHill Int. Editin, 995. [2]. Wd & Wllenberg, wer eneratin Operatin dan cntrl, wily. [3]. Maty,wer System Operatin dan Cntrl, Mcraw-Hill,84 [4]. Djiteng Marsudi, Operasi Sistem Tenaga Listrik, raha Ilmu, Jgyakarta [5]. Djiteng Marsudi, embangkitan Energi Listrik, Erlangga, Jakarta Kntrl Blck Kntrl Blck 2 ambar III.5 Tampilan windw prgram simulasi. Table 0. Hasil erbandingan antara case- dan case-2. sampai dengan detik ke Case- Case-2 Case- Case-2 Detik eneratr Trip 2 eneratr Trip Detik eneratr Trip 2 eneratr Trip Turunnya Frekuensi (Hertz) Lad Shadding (2.875 mw)