PERBAIKAN STABILITAS DINAMIK SISTEM MULTIMESIN MENGGUNAKAN POWER SYSTEM STABILIZER BERBASIS-ANFIS

Transkripsi

1 Prosdng SENTIA 15 Polteknk Neger Malang Volume 7 ISSN: PERBAIKAN STABILITAS DINAMIK SISTEM MULTIMESIN MENGGUNAKAN POWER SYSTEM STABILIZER BERBASIS-ANFIS Muljono, A.B. 1, Gnarsa, I.M. 2, Nrartha, I.M.A. 3 1,2,3 Jurusan Teknk Elektro, Fakultas Teknk, Unverstas Mataram 1 agungbm@unram.ac.d, 2 kadekgn@yahoo.com, 3 nrartha@te.ftunram.ac.d Abstrak Sstem tenaga lstrk modern dalam operasnya melayan konsumen sangat rentan terhadap perubahan beban. Perubahan beban yang dalam analss stabltas dnamk (small sgnal stablty) merupakan salah satu gangguan yang sangat pentng, palng serng muncul dan tdak bsa dhndar. Peneltan n dfokuskan untuk membangun model stabltas snyal kecl dan perbakan stabltas sstem multmesn tersebut menggunakan power system stablzer (PSS) berbass-anfis. Metode ANFIS dgunakan karena ANFIS menggunakan data pelathan dalam pembentukan fungs keanggotaannya secara otomats sehngga proses komputas lebh sederhana dan lebh cepat dbandngkan dengan fuzzy Mamdan. Efektftas dan unjuk kerja dar PSS berbass-anfis duj dengan STL multmesn tga mesn. Dperoleh bahwa PSS tersebut mampu memperbak stabltas sstem multmesn dengan memperkecl peak overshoot menjad 3, pu dan memperpendek settlng tme menjad 4,01 s. Valdtas hasl tersebut dbandngkan hasl yang dperoleh dar PSS konvensonal. Kata kunc: Perbakan stabltas, dnamk, multmesn, PSS, ANFIS. 1. Pendahuluan Sstem tenaga lstrk (STL) modern melayan daerah (area) yang luas dengan pembangktan berada d luar kota yang letaknya bsa sangat jauh dar konsumen. Sementara tu, konsumen STL basanya terletak d kota sepert daerah ndustr, daerah naga dan perkantoran (komersl) dan daerah perumahan. Penyaluran tenaga lstrk dar pembangkt ke daerah-daerah konsumen maka dgunakan saluran transms dan dstrbus. Untuk mempermudah pelayanan dan pengaturannya maka daerah (area) yang sangat luas dbag menjad beberapa area pelayanan yang lebh sempt, Zhang & Da (12). Penyaluran tenaga lstrk antar area dgunakan saluran transms yang dsebut dengan sstem nterkoneks. Sementara tu, beban pada ss konsumen selalu berubah sehngga ss pembangkt harus selalu mengkut perubahan tersebut untuk menjaga kesetmbangan energ pada STL. Dalam mengkut perubahan beban tersebut maka rotor dar generator mengalam goncangan (oslas) yang dsebut dengan keadaan peralhan (transent) sebelum menuju keadaan mantap (steady state). Untuk mengatas oslas tersebut maka dgunakan PSS untuk memberkan redaman tambahan melalu sstem ekstas sehngga rotor dengan cepat mencapa settlng tme dan memperkecl ampltude devas kecepatan rotor, Bollnger et. al (1979). PSS dterapkan pada pembangkt yang menggunakan kolam pompa (pump storage power plant) dan mampu memperbak redaman pada mode lokal, Hsu & Su (1988). Unjuk kerja PSS dperbak dengan dlengkapnya menggunakan loop tambahan (auxlary loop), Sady & Hughes (1995). PSS daplkaskan pada sstem multmesn menggunakan teknk egenvalue dan egenvector, de Mello (1980). Stud stabltas pada sstem multmesn adalah memperhtungkan nteraks dnamk antar-mesn. Penggunaan support vector machne (SVM) untuk klasfkas stabltas transent dan dperoleh hasl bahwa SVM mampu memberkan unjuk kerja yang lebh bak darpada mult-layer perceptron-neural network, Mouln et al (04). Sementara tu, aplkas dar kontroler yang berbass kecerdasan buatan berkembang dengan bak dan aplkasnya pada bdang STL sepert: neural network pada kontroler PID-statc var convensator dgunakan untuk kendal chaos dan voltage collapse pada STL, Gnarsa et al. (13), ANFIS-PSS dgunakan untuk perbakan stabltas pada model mesn nonlnear, Gnarsa & Zebua (14), ANFIS PSS-statc var compensator (SVC) dgunakan untuk perbakan tegangan transent, Gnarsa et al. (14), ANFIS composte controller-svc dgunakan untuk kendal chaos dan voltage collapse, Gnarsa et al. (13) dan ANFIS dengan kontroler PID-loop dgunakan untuk perbakan tegangan transent, Gnarsa et al. (11). Juga, kontroler yang berbass logka fuzzy sepert: logka fuzzy berbass-lmu pengetahuan B-16

2 Prosdng SENTIA 15 Polteknk Neger Malang Volume 7 ISSN: dgunakan untuk mendesan PSS, Shah (13), adaptve rule-base fuzzy PSS pada sstem multmesn, Hussen & Shamekh (13) dan PSS berbass-logka fuzzy daplkaskan pada STL dan mampu memperbak stabltas dnamk STL tersebut, Kushwaha & Khare (13). Peneltan n membahas secara detal penerapan PSS berbass-anfis pada sstem multmesn. Pertama dlakukan adalah mengurakan stabltas dalam STL multmesn dan menyederhanakan STL yang berskala-besar menjad 3 (tga) area yang djelaskan pada Bagan 2. Berkutnya adalah mendesan PSS berbass-anfis termasuk memperoleh data pelathan melalu PSS konvensonal pada tap-tap mesn pada satu area, melath PSS berbass-anfis dan menerapkan PSS ANFIS tersebut sebaga penggant PSS konvensonal pada STL djelaskan pada Bagan 3. Langkah berkutnya adalah memperoleh hasl smulas dan menganalssnya yang dterangkan pada Bagan 4. Dan yang terakhr mengambl kesmpulan. 2. Stabltas Sstem Tenaga Lstrk Sstem tenaga lstrk (STL) secara umum terdr atas tga bagan utama, yatu sstem pembangktan, transms dan beban. Pada peneltan n dgunakan STL 39 bus dengan 10 generator, Padyar (1994), sepert yang dperlhatkan pada Gambar 7. Untuk penyederhanaan maka STL tersebut dbag menjad 3 (tga) area yatu: Area I, Area II dan Area III. Area I hanya terdr dar 3 (tga) bus generator (mesn) yatu Mesn ke-1, 2 dan 3. Peneltan pada tahap n hanya berfokus pada analss pada Area I saja. Selanjutnya, Mesn ke-1 dgunakan sebaga bus referens sehngga devas kecepatan ( ref) dan sudut rotor ( ref) selalu sama dengan nol. Devas kecepatan dan sudut rotor Mesn ke-2 dan 3 dbandngan dengan bus referens. Stabltas STL adalah kemampuan reaks STL terhadap gangguan pada keadaan operas normal dan usaha untuk mengembalkan STL menuju ke keadaan mantap setelah gangguannya menghlang. Stud keadaan mantap atau stabltas snyal kecl menyangkut satu atau beberapa mesn yang mengalam perubahan keadaan kerja secara perlahan-lahan. Stud n menyangkut kestablan letak kedudukan (locus) dar ttk kerja sstem. Kelakuan dnamk sstem sangat dtentukan oleh karakterstk turbn, generator, serta karakterstk sstem kendalnya (controllng system), yatu governor dan sstem ekstas, juga dtentukan pula oleh peralatan tambahan yatu PSS. Persamaan tors untuk mesn ke- dalam bentuk lnear dapat dtuls o (1) 1 Tm Te D M (2) dengan T m, T e, M, D, 0, dan adalah tors mekank, tors lstrk, konstanta peredaman, konstanta nersa, kecepatan rotor bass, devas kecepatan dan sudut rotor mesn ke-. Komponenkomponen mesn snkron untuk menglustraskan model lnear STL multmesn yang dlengkap dengan PSS dgambarkan pada Gambar 1. Sstem n mempunya persamaan keadaan sepert berkut: x t A xt B ut (3) yt Cxt 3. Desan PSS Berbass-ANFIS Fungs dasar (PSS) adalah menyedakan redaman tambahan ketka muncul oslas rotor dengan pengaturan sstem ekstasnya menggunakan snyal stablser tambahan (auxlary stablzng sgnal). Secara umum PSS terdr penguatan (Kstab), flter washout dan kompensas lag-lead. Dagram blok PSS konvensonal dapat dlustraskan pada Gambar 2. Adaptve neuro-fuzzy nference system (ANFIS) adalah arstektur yang secara fungsonal sama dengan fuzzy rule base model Sugeno. ANFIS mempunya 2 (dua) parameter yatu parameter prems dan konsekuen. Kedua parameter n ddapatkan dar pelathan menggunakan gabungan antara metode least squares estmaton (LSE) dan perambatan mundur (backpropagaton). Gambar 1. Model lnear multmesn dan PSS. B-17 Gambar 2. Dagram blok PSS

3 Prosdng SENTIA 15 Polteknk Neger Malang Volume 7 ISSN: Pada langkah maju parameter prems tetap dan parameter konsekuen ddentfkas dengan metode LSE. Sebalknya pada langkah balk kesalahan (error) snyal drambatkan mundur dan parameter prems dperbaharu menggunakan metode gradent descent. Msalkan suatu jarngan ANFIS mempunya 2 (dua) nput x, y dan 1 (satu) output O, dengan 2 (dua) aturan pada bass aturan model fuzzy Sugeno orde 1 (satu) adalah sebaga berkut: 1: If x s A 1 and y s B 1 Then f 1 = p 1 x + q 1 y + r 1 2: If x s A 2 and y s B 2 Then f 2 = p 2 x + q 2 y + r 2 maka output jarngan ANFIS tersebut adalah, Jang et al (1997). Semua output O 5, w f w f Supaya mampu berfungs sebaga penggant PSS konvensonal maka parameter-parameter dar PSS ANFIS tersebut harus dperoleh terlebh dahulu dengan cara dlath (traned) secara off-lne menggunakan data-data yang dperoleh dar menjalankan smulas PSS konvensonal. Data-data yang dperlukan untuk melath PSS ANFIS adalah data devas kecepatan rotor () dan turunannya ( ) sebaga nput. Dan, sebaga output adalah data devas snyal peredaman tambahan (v s). Data pelathan yang dpersapkan adalah matrks data pelathan yang terdr atas ttk data. Setelah parameter-parameter PSS ANFIS dperoleh maka PSS ANFIS dmasukkan ke dalam sebuah fuzzy controller pada lngkungan Smulnk, Matlab/Smulnk (09), sepert yang dperlhatkan pada Gambar 2(b). PSS berbass-anfis n daplkaskan pada STL untuk perbakan stabltas untuk meredam oslas rotor dalam Area I saja. 4. Hasl dan Analss Stabltas STL dsmulaskan pada program Matlab/Smulnk V.7.9, Matlab/Smulnk (09). Unjuk kerja dar program n duj dengan snyal step sebesar 0.1 pu dpaksakan pada mesn bus ke-2. Smulas n dlakukan dengan 2 (dua) skenaro yatu: (a). PSS dpasang hanya pada mesn ke-2 saja. Sementara tu, mesn ke-3 tanpa dlengkap dengan PSS; (b). PSS dpasang pada bus mesn ke-2 dan 3. STL yang doperaskan tanpa dlengkap dengan PSS maka terlhat bahwa kecepatan dan sudut rotor akan beroslas dalam waktu yang cukup lama (lebh dar s), hal n dtunjukkan pada Gambar 3 dan 4, masng-masng untuk devas kecepatan () dan sudut rotor () grafk WP (wthout PSS). Dalam operas STL oslas n tdak dharapkan karena mengganggu bak sstem mekank dar pada ss penggerak utama maupun sstem generator maupun sstem lstrk yang berhubungan dengan konsumen. Gangguan n menmbulkan w B-18 goncangan-goncangan yang membahayakan poros (shaft) antara turbn dan generator. Kerusakan yang dtmbulkan adalah mula dar retak-retaknya poros generator sampa dengan yang palng ekstrm adalah patah pada poros tersebut. a. PSS pada Satu Mesn (Mesn ke-2) PSS berbass-anfis daplkaskan pada pada mesn ke-2 maka dperoleh hasl sebaga berkut: gangguan yang dpaksakan berupa snyal step pada mesn ke-2. Gambar 3(a) dan Tabel 1 menunjukkan bahwa STL yang tanpa dlengkap dengan PSS (WP) ketka dpaksakan gangguan memberkan respons pada kecepatan rotor dengan peak overshoot ( 2mn) sebesar 5,210 5 pu beroslas dalam waktu yang cukup lama dengan settlng tme ( 2st) > s. Untuk devas sudut rotor masng-masng dperoleh nla sebesar 0,65 dan > s untuk peak overshoot ( 2mn) dan settlng tme ( 2st). Untuk mengatas hal tersebut maka STL dlengkap dengan PSS konvensonal (CP). Unjuk kerja PSS konvensonal dalam merespons gangguan step dapat dlhat pada Gambar 3(a) dan Tabel 1. Dalam menghadap gangguan n CP memberkan 4,810 5 pu dan 6,5 s masng-masng untuk peak overshoot sebesar dan settlng tme. Untuk devas sudut rotor masng-masng dperoleh nla sebesar 0,54 dan 6,4 s untuk peak overshoot ( 2mn) dan settlng tme ( 2st). Untuk memperbak respons n maka dgunakan PSS yang berbass-anfis (AP). Dengan menggunakan AP maka dperoleh respons 2,510 5 pu dan 5,2 s masng-masng untuk peak overshoot sebesar dan settlng tme. Untuk devas sudut rotor masng-masng dperoleh nla sebesar 0,42 dan 5,2 s untuk peak overshoot dan settlng tme. Nla steady state ( 2) dar devas sudut rotor mesn ke-2 untuk WP, CP dan AP adalah sama sebesar 0,38. Hasl smulas menunjukkan bahwa ketka PSS dpasang pada mesn ke-2 memberkan respons yang lebh bak darpada tanpa dlengkap dengan PSS dengan meredam peak overshoot menjad lebh kecl dan settlng tme yang lebh pendek. PSS berbass- ANFIS memberkan hasl yang lebh bak dbandngkan dengan PSS konvensonal yang mana PSS berbass-anfis mampu memperkecl peak overshoot dan memperpendek settlng tme dbandngkan dengan peak overshoot dan settlng tme dar PSS konvensonal. Akan tetap, berdasarkan pengamatan hasl smulas pada Gambar 4(a), (b) dan Tabel 1 untuk mesn ke-3 dperoleh bahwa respons dar devas kecepatan ( 3) dan sudut rotor ( 3) mash beroslas dalam waktu yang cukup lama (> s). Maka dpandang perlu untuk memasang PSS pada mesn ke-3 tersebut. Hasl smulas dan analss pemasangan PSS pada mesn ke-3 dberkan pada sub pembahasan berkutnya.

4 Prosdng SENTIA 15 Polteknk Neger Malang Volume 7 ISSN: PSS Tabel 1. Unjuk kerja PSS satu mesn. 2mn st 2mn () 2st WP 5,2 > 0,65 > CP 4,8 6,5 0,54 6,4 AP 2,5 5,2 0,42 5,2 3mn 3st 3mn 3st PSS 10 5 () () WP 2,2 > CP 1,8 > AP 1,3 > 6,5 > 5,4 > 4,2 > 2 () 0,38 3 () 0,1 Gambar 3. Devas kecepatan (2) dan sudut rotor (2) mesn ke-2 smulas n dapat dlhat pada Gambar 6 dan unjuk kerjanya durutkan pada Tabel 2. Gambar 6(a) memperlhatkan bahwa secara vsual STL yang dlengkap dengan PSS konvensnal (CP) mampu meredam oslas pada kecepatan rotor dengan nla 4, pu dan 6,45 s masng-masng untuk peak overshoot ( 2mn) dan settlng tme ( 2st). Devas sudut rotor masng-masng dperoleh nla sebesar 0,56 dan 6,37 s untuk peak overshoot ( 2mn) dan settlng tme ( 2st). Lebh jauh, PSS berbass- ANFIS (AP) mampu memberkan respons dengan dengan nla yang lebh kecl yatu 3, pu dan waktu yang yang lebh sngkat yatu 4,01 s masng-masng untuk peak overshoot dan settlng tme untuk devas kecepatan rotor. Masng-masng dperoleh nla sebesar 0,46 dan 4,32 s untuk peak overshoot dan settlng tme untuk devas sudut rotor. Dan, devas sudut rotor ke-2 ( 2) dalam keadaan steady state adalah sebesar 0,34. Gambar 6(a) dan 6(b) memperlhatkan respons dar mesn ke-3 untuk devas kecepatan dan sudut rotor. Dar Gambar 6(a), (b) dan Tabel 2 dapat dlhat mesn ke-3 ketka dlengkap dengan CP memberkan respons pada nla 1, pu dan waktu 6,39 s masng-masng untuk peak overshoot ( 2mn) dan settlng tme ( 2st). Respons sebesar masng-masng dperoleh 0,163 dan waktu 6,32 s untuk peak overshoot ( 2mn) dan settlng tme ( 2st). Ketka mesn ke-3 dlengkap dengan AP maka dperoleh respons nla 1, pu dan waktu 3,98 s masng-masng untuk peak overshoot dan settlng tme untuk devas kecepatan rotor. Respons sebesar masng-masng dperoleh 0,153 dan waktu 4,09 s untuk peak overshoot dan settlng tme untuk devas kecepatan rotor. Nla steady state untuk devas sudut rotor dperoleh sebesar 0,094. Berdasarkan hasl-hasl smulas tersebut dperoleh bahwa PSS konvensonal (CP) mampu meredam oslas STL akbat dar gangguan kecl. PSS berbass-anfis (AP) dgunakan untuk memperbak stabltas STL tersebut. Selanjutnya, AP mampu memberkan respons yang lebh bak darpada CP. Dperoleh juga bahwa PSS yang dpasang pada mesn ke-2 hanya mampu meredam oslas pada mesn ke-2 saja secara sempurna, sedangkan mesn ke-3 terus beroslas. Dan ketka PSS dpasang pada mesn ke-2 dan 3 maka PSS tersebut mampu meredam oslas pada kedua mesn tersebut secara sempurna. Gambar 4. Devas kecepatan dan sudut rotor mesn ke-3 ketka belum dlengkap PSS b. PSS pada Dua Mesn (Mesn ke-2 dan 3) Pada skenaro n PSS dpasang pada mesn ke- 2 dan 3. Selanjutnya, gangguan step 0,1 pu dpaksakan (forced) pada mesn ke-2. Hasl dar B-19

5 Prosdng SENTIA 15 Polteknk Neger Malang Volume 7 ISSN: Gambar 5. Devas kecepatan ( 2) dan sudut rotor ( 2) mesn ke-2 PSS Tabel 2. Unjuk kerja PSS mesn ke-2 dan 3. 2mn st 2mn () 2st CP 4,65 6,45 0,56 6,37 AP 3,38 4,01 0,46 4,32 3mn 3st 3mn 3st PSS 10 5 () () CP 1,83 6,39 0,163 6,32 AP 1,34 3,98 0,135 4,09 2 () 0,34 3 () 0,094 Gambar 6. Devas kecepatan dan sudut rotor mesn ke-3 setelah dpasang PSS. 5. Kesmpulan dan Saran STL yang beroperas melayan kebutuhan tenaga lstrk sangat rentan terhadap gangguan terutama gangguan yang dakbatkan oleh perubahan beban. Ketka STL mendapat gangguan maka kesembangan daya mekank-lstrk pada setap mesn mengalam gangguan yang menyebabkan kecepatan dan sudut rotor mengalam oslas untuk sementara sebelum dcapa kesetmbangan baru. Peneltan n menekankan pada perbakan stabltas B- STL multmesn menggunakan PSS berbass- ANFIS. Dperoleh bahwa PSS ANFIS mampu memperbak stabltas dengan peak overshoot dan settlng tme devas kecepatan rotor masng-masng pada nla 3, pu dan waktu 4,01 s untuk mesn ke-2. Lebh jauh, peak overshoot dan settlng tme dcapa pada nla 1, pu dan waktu 3,98 s untuk ke-3. Saran Peneltan n perlu dlanjutkan untuk analss stabltas dan prlaku sstem multmesn ketka dberkan gangguan snyal kecl pada mesn (generator) ke-3 pada Area I. Juga, analss stabltas snyal kecl dan perbakan stabltas yang melbatkan nteraks antar-area yatu Area II dan Area III. Ucapan terma kash: Terma kash penuls sampakan kepada DIKTI atas dukungan dananya sehngga peneltan n bsa berlangsung melalu Hbah Desentralsas Fundamental Unverstas Mataram 15. Daftar Pustaka: Bollnger, KE., Wnsor, R. & Campbell, A.(1979): Frequency Methods for Tunng Power Systems Stablzers to Damp Out Te_Lne Power Osclatons: Theory and Feld-test Results, IEEE Trans. on Power App. and Syst., PAS-98, No. 5. De Mello, FP. (1980): Coordnated applcaton of stablzer n multmachne power systems, IEEE Trans. on Power App. and Syst., PAS-99, No. 3. Gnarsa, IM. & Zebua, O. (14): Improvement of Stablty of Sngle Machne Nonlnear Model usng ANFIS-Power System Stablzer based on Feedback-lnearzaton, Telkomnka, Vol. 12 No.2. Gnarsa, IM., Muljono, AB. & Nrartha IMA. (14): Improvement of Transent Voltage Response usng PSS-SVC Coordnaton Based on ANFIS-algorthm n a Three-bus Power System, Proc. of the ICEET 14, Tokyo. Gnarsa, IM., Soeprjanto, A. & Purnomo MH. (13): Controllng Chaos and Voltage Collapse usng an ANFIS-based Composte Controller-Statc Var Compensator (CC-SVC) n Power Systems, Int. Journal of Elect. Power and Energy Syst., Vol. 46, pp Gnarsa, IM., Soeprjanto, A., Purnomo MH., Syafaruddn & Hyama, T. (11): Improvement of transent voltage responses usng an addtonal PID-loop on ANFIS-based CC-SVC to control chaos and voltage collapse n power systems, IEEJ Trans. on Power and Energy Syst., Vol. 131, No. 10, pp Gnarsa, IM., Muljono, AB. & Nrartha, IMA. (13): Controllng Chaos and Voltage Collapse Usng Layered Recurrent Network-

6 Prosdng SENTIA 15 Polteknk Neger Malang Volume 7 ISSN: based PID-SVC n Power Systems, Telkomnka, Vol. 11 No.3. Hsu, YY. & Su, CC. (1988): Applcaton of Power System Stablzer on a System wth Pumped Storage Plant, IEEE Trans. on Power Syst., Vol. 3 No. 1. Hussen, T. & Shamekh, A. (13): Adaptve Rulebase Fuzzy Power System Stablzer for a Multmachne System, Proc. of the MED Conf., pp Jang, J-SR, Sun, CT. & Mzutan, E. (1997): Neurofuzzy and soft Computng: A Computatonal Approach to Learnng and Machne Intelegence, Prentce-Hall, USA. Kushwaha, M. & Khare, R. (13): Dynamc Stablty Enhancement of Power System Usng Fuzzy Logc Based Power System Stablzer, Proc. of Int. Conf. on ICPEC, pp Matlab/Smulnk Ver (09): The Language of Techncal Computng, The Matworks Inc. Mouln, LS., da Slva, APA., El-Sharkaw, MA. & Marks II, RJ. (04): Support Vector Machnes for Transent Stablty Analyss of Large-scale Power Systems, IEEE Trans. on Power Syst., Vol. 19, No. 2. Padyar, KR. (1994): Power System Dynamc Stablty and Control, John Wley & Sons (Asa) Pte Ltd, Sngapura. Sady, M. & Hughes, FM. (1995): Performance Improvement of a Conventonal Power System Stablzer, Elect. Power & Energy Syst., Vol. 17 No. 5. Shah, B. (13): Comparatve Study of Conventonal and Fuzzy Based Power System Stablzer, Proc. of Int. Conf. on CSNT, IEEE, pp Zhang, KF. & Da, XZ. (12): Structural Analyss of Large-scale Power Systems, Mathematca Problem n Eng., Hndaw Pub Area III Area II Area I Gambar 7. STL yang danalss B-21