OPTIMAL REACTIVE POWER DISPATCH UNTUK MEMINIMISASI RUGI-RUGI DAYA AKTIF PADA SISTEM LAMPUNG MENGGUNAKAN METODE GREY-WOLF OPTIMIZER (GWO)

Transkripsi

1 ol: 6, o. 2, Jul 2017 ISS: OPTIMAL REACTIE POWER DISPATCH UTUK MEMIIMISASI RUGI-RUGI DAYA AKTIF PADA SISTEM LAMPUG MEGGUAKA METODE GREY-WOLF OPTIMIZER (GWO) Osea Zebua 1*, I Made Gnarsa 2 1 Staf Pengajar Jurusan Teknk Elektro Unverstas Lampung 2 Staf Pengajar Jurusan Teknk Elektro Unverstas Mataram * Correspondng author, e-mal : oseaz2009@gmal.com Abstrak Optmal reactve power dspatch bertujuan untuk memperoleh operas yang aman dan ekonoms dar sstem tenaga lstrk dengan mengatur alokas daya reaktf pada sstem tenaga lstrk, antara lan dengan mengatur tegangan generator, kapastas kapastor paralel dan poss tap transformator. Optmal reactve power dspatch adalah masalah optmsas kombnas yang kompleks dan lebh mudah dselesakan dengan menggunakan metode-metode berbass kecerdasan buatan. Makalah n menyajkan penyelesaan masalah optmal reactve power dspatch untuk memnmsas rug-rug daya aktf menggunakan metode grey-wolf optmzer dengan sstem kelstrkan Lampung sebaga stud kasus. Perangkat lunak Matpower 5.1 dgunakan untuk menghtung alran daya dan rug-rug daya aktf. Smulas dlakukan dengan mengatur tegangan pada setap bus atau gardu nduk yang terhubung dengan generator dengan batas 0,95 pu sampa 1,05 pu, mengatur poss tap transformator pada gardu nduk Gumawang dan Seputh Banyak dengan batas 0,95 pu sampa 1,025 pu dan mengatur nla kapastas kapastor pada gardu nduk atar, Sutam dan Kalanda dengan batas 0 sampa 25 MAR. Hasl smulas menunjukkan bahwa metode grey-wolf optmzer dapat mengurang rug-rug daya aktf dar 18,97 MW menjad 18,2377MW. Kata Kunc : optmal reactve power dspatch, grey-wolf optmzer, mnmsas rug-rug.. Abstract -Optmal reactve power dspatch has a purpose to acheve secure and economc operaton of power system by regulatng reactve power allocaton n electrc power system, such as regulatng generators voltage, capacty of shunt capactors and tap poston of transformers. The optmal reactve power dspatch s complex combnatoral optmzaton problem and more easly solved by usng artfcal ntellgence-based methods. Ths paper presents the solvng of optmal reactve power dspatch problem to mnmze actve power loss usng grey-wolf optmzer method wth Lampung electrcal power system as a case study. Matpower 5.1 software s used to calculate power flow and actve power losses. The smulaton s performed by regulatng the voltage on each bus or substaton connected to the generator wth the lmt of 0.95 pu to 1.05 pu, adjustng tap poston of transformer on Gumawang and Seputh Banyak substatons wth a lmt of 0.95 pu to 1,025 pu and regulatng the capacty of shunt capactors n atar, Sutam and Kalanda substatons wth a lmt of 0 to 25 MAR. The smulaton results show that the gre-wolf optmzer method can reduce the total actve power losses from MW to MW. Keywords : optmal reactve power dspatch, grey-wolf optmzer, loss mnmzaton Copyrght 2017 JTE. All rghts reserved 1. PEDAHULUA Optmal reactve power dspatch atau penyaluran daya reaktf yang optmal bertujuan untuk operas yang aman dan ekonoms dar sstem tenaga lstrk. Masalah penyaluran daya reaktf yang optmal adalah masalah untuk mengalokaskan pembangktan daya reaktf untuk memnmsas rug-rug daya aktf transms atau memnmsas devas tegangan dengan memenuh fungs-fungs batasan, antara lan, batas atas dan batas bawah dar tegangan operas dar generator, dan sumber daya reaktf pada sstem tenaga lstrk sepert generator, kapastor dan tap transformator. Masalah penyaluran daya reaktf adalah masalah optmsas kombnas yang sangat kompleks yang mengkutsertakan fungs yang nonlner dengan fungs batasan yang nonlner dengan varabel yang dskrt dan kontnyu. Berbaga teknk dan metode berbass pemrograman matemats [1,2] telah dgunakan untuk menyelesakan permasalahan optmal reactve power dspatch, dan metode berbass Receved date , Revsed date , Accepted date DOI : /jnte.v62.414

2 ol: 6, o. 2, Jul 2017 ISS: matemats membutuhkan waktu yang lama untuk menemukan penyelesaan. Metode penyelesaan berbass kecerdasan buatan (artfcal ntellgence) lebh cepat untuk mengatas kesultan yang dhadap oleh penggunaan metode berbass pemrograman matemats [3-5]. Makalah n menyajkan penyelesaan optmal reactve power dspatch untuk memnmsa rug-rug daya aktf sstem kelstrkan Lampung menggunakan metode grey-wolf optmzer. 2. TIJAUA PUSTAKA 2.1. Rumusan Matemats Optmal Reactve Power Dspatch Masalah penyaluran daya reaktf optmal untuk memnmsas rug-rug daya aktf dapat drumuskan sebaga berkut: mn f p P G loss k k E k E 2 (1) 2 j 2 j cos dengan memenuh fungs batasan-fungs batasan, yakn: 1. Fungs batasan persamaan (equalty constrants) kesembangan daya aktf dan daya reaktf yang dbangktkan dan daya aktf dan daya reaktf yang dgunakan, atau dapat dnyatakan dengan: P Q g g P d Q dmana d j j j j G cos B sn (2) Pg dan Q g G cos B sn (3) adalah daya aktf dan daya reaktf yang dbangktkan pada bus, Qd Pd dan adalah daya aktf dan daya reaktf yang dbutuhkan pada bus, dan j tegangan pada bus dan bus j, dan G, B adalah dan masng-masng menyatakan konduktans, suseptans dan sudut antara bus dan bus j. 2. Fungs batasan pertdaksaman (nequalty constrant) yang dnyatakan dalam bentuk batasan operas, yakn sebaga berkut: mn g g g P P P 1,, (4) mn g g g 1,..., (5) mn mn c Qc T T T 1,..., (6) Q Q 1,..., (7) dmana, c t g g c mn P, g Pg, Pg dan g masng-masng menyatakan daya aktf, daya aktf maksmum, daya aktf mnmum generator ke- dan jumlah generator. mn g, g dan g masng-masng menyatakan tegangan, tegangan maksmum dan tegangan mnmum dar generator ke-. mn T, T, T dan t masng-masng menyatakan setng tap, setng tap maksmum, setng tap mnmum dar transformator ke- dan jumlah transformator. mn Qc, Qc, Qc dan c masng-masng menyatakan kapastas, kapastas maksmum, kapastas mnmum kapastor paralel ke- dan jumlah kapastor paralel. la tap transformator dan kapastas kapastor merupakan varabel dskrt Grey-Wolf Optmzer (GWO) Grey-Wolf Optmzer (GWO) adalah metode optmsas meta-heurstk berbass kumpulan cerdas (swarm ntellgence) yang ddasarkan pada perlaku sekumpulan anjng sergala abu-abu (grey-wolf) dalam memburu mangsa [6]. Herark sosal dar sergala abu-abu dmula dar tngkatan teratas adalah sergala alpha, beta, delta dan omega. Herark sosal n mempengaruh keputusan (penyelesaan) akhr dalam perburuan mangsa. Langkah dalam teknk GWO adalah herark sosal, pelacakan (trackng), pengepungan (encrclng) dan penyerangan mangsa (attackng prey). GWO mempunya sekumpulan perburuan (optmsas) dengan tga penyelesaan yakn alpha (), beta () dan delta (), dengan penyelesaan alpha adalah penyelesaan yang terbak. Penyelesaan selebhnya adalah omega (). Saat sergala abu-abu menyerang mangsa, mereka cenderung mengepungnya. Persamaan berkut menggambarkan perlaku pengepungan, yakn: t D C p t t t A D (8) 1 p (9) dmana t adalah teras saat n, adalah vektor poss dar sergala abu-abu, p adalah vektor poss dar mangsa dan A dan C adalah vektor koefsen yang dhtung dengan persamaan Jurnal asonal Teknk Elektro 91

3 ol: 6, o. 2, Jul 2017 ISS: berkut: A 1 2 ar a (10) C 2r 2 (11) dmana r 1 dan r 2 adalah vektor acak antara 0 dan 1 dan nla a dset menurun dar 2 ke 0 selama teras. Tga penyelesaan yang terbak dsmpan dan kemudan penyelesaan omega dperbaharu possnya sesua dengan teras saat n. Stuas n dnyatakan dengan persamaan: D C1 (12) D C 2 (13) D C3 (14) 1 A1 (15) 2 A2 (16) 3 A3 (17) t 1 (18) Metode GWO dalam penyelesaan optmal reactve power dspatch adalah dengan membentuk matrks populas dengan bars menyatakan jumlah dmens varabel kontrol dan kolom menyatakan jumlah sergala abu-abu sebaga search agent. la poss (varabel kontrol) dar setap search agent pada setap teras devaluas untuk memperoleh nla fungs objektf (ftness), yakn rug-rug daya aktf dan tga nla ftness yang terbak dsmpan sebaga nla skor, yakn skor alpha (alpha score), skor beta (beta score) dan skor delta (delta score). Poss dar setap search agent dperbaharu pada setap teras selanjutnya. Hal n dlakukan sampa nla teras maksmum dcapa dengan menamplkan nla ftness terbak dan possnya masngmasng. 3. METODOLOGI PEELITIA 3.1. Pemodelan Sstem Lampung Sstem kelstrkan Lampung dmodelkan dengan model bus, saluran dan beban. Model bus pada sstem Lampung merepresentaskan gardu nduk dan bus utama sstem dstrbus. Model saluran menyatakan besaran resstans, reaktans dan suseptans kabel antar saluran dan resstans dan reaktans transformator daya dalam per unt. Model beban dnyatakan dalam daya aktf dan daya reaktf (PQ). Pemodelan beban dlakukan dengan menggunakan data-data hasl pengukuran [7]. Tabel 2. Data Bus dan Beban Sstem Lampung o. Bus ama Bus Beban Ekvalen Daya Aktf (MW) 1 Bukt Asam Baturaja ^64,8 25,52 3 Blambangan Umpu Bukt Kemunng Besa Kotabum Menggala Gumawang Tap Adaya Tegneneng Pagelaran Batuteg atar Sukarame Teluk Betung Seputh Banyak Metro Sutam Tarahan Srbawono ew Tarahan Sebalang Kalanda Ulubelu 2,64 0,63 25 Blambangan Umpu 1 6,2 3,05 26 Bukt Kemunng 1 23,3 11,36 27 Kotabum 1 16,3 4,13 28 Kotabum 2 19,7 6,73 29 Menggala 1 12,3 5,34 30 Menggala 2 22,9 10,81 31 Gumawang 1 21,1 7,88 32 Gumawang ,34 33 Tap Adaya 1 29,9 8,74 34 Tegneneng 1 7,4 3,82 35 Tegneneng 2 18,8 12,91 36 Tegneneng 3 12,5 8,46 37 Pagelaran 1 17,63 5,79 38 Pagelaran 2 19,18 6,31 39 atar 1 20,04 6,59 40 atar 2 24,94 8,2 41 Sukarame 1 24,2 11,28 42 Teluk Betung 1 33,3 27,57 43 Teluk Betung ,82 44 Seputh Banyak 1 22,28 7,32 45 Metro 1 12,9 8,17 46 Metro 2 17,2 9,09 47 Sutam 1 16,1 10,82 48 Sutam 2 24,9 12,93 49 Tarahan 1 17,8 9,47 50 Tarahan 2 10,1 4,31 51 Srbawono 1 12,5 8,07 52 Srbawono 2 22,8 5,51 53 Kalanda 1 18,6 4,13 54 Kalanda ,08 55 ew Tarahan 1 28,2 14,05 Daya Reaktf (MAR) Sstem Lampung mempunya 55 bus, dengan 24 bus 150k dan 21 bus 20k, dan Jurnal asonal Teknk Elektro

4 ol: 6, o. 2, Jul 2017 ISS: saluran, dengan 23 saluran transms antar gardu nduk dan 25 saluran yang menghubungkan gardu nduk dengan bus utama saluran dstrbus. Data bus dan beban dtunjukkan pada Tabel 2. Tabel 3. Data Saluran Sstem Lampung o Dar Bus Ke Bus la Impedans dan Suseptans Saluran (pu) R B , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Data saluran (dalam per unt) dengan bass daya 100MA, bass tegangan 150k dan bass mpedans 225 ohm dtunjukkan pada Tabel Smulas Optmal Reactve Power Dspatch dar Sstem Lampung dengan GWO. Smulas dlakukan dengan skenaro, antara lan: 1. Mengatur tegangan pada seluruh bus yang terhubung dengan pembangkt, yakn bus 1, bus 5, bus 10, bus 12, bus 15, bus 19, bus 21, bus 22 dan bus 24. la tegangan yang datur adalah antara 0,95 pu sampa 1,05 pu. 2. Mengatur kapastas kapastor yang terpasang pada bus, yakn pada bus 13, bus 18 dan bus 23. la kapastas kapastor yang datur berksar 0 sampa 25 MAR. 3. Mengatur poss tap pada ss sekunder transformator pada saluran-saluran yang menghubungkan bus 8 dan bus 31, bus 8 dan bus 32 serta bus 16 dan bus 44. la tap yang datur antara 0,95 sampa 1,025 per unt. Prosedur smulas optmal reactve power dspatch sstem Lampung menggunakan teknk grey-wolf optmzer drngkaskan sebaga berkut: 1. Masukkan data-data bus, saluran dan beban sstem Lampung. 2. Tentukan parameter-parameter awal smulas yakn jumlah teras, jumlah search agent, dmens pencaran (jumlah kumpulan) dan batas atas dan batas bawah dar varabelvarabel yang dkontrol. 3. Insalsas poss alpha, beta dan delta. 4. Evaluas fungs objektf untuk setap search agent dan htung rug-rug dengan perhtungan alran daya. 5. Smpan hasl terbak (ftness) sebaga skor alpha (alpha score) dan poss alpha, hasl terbak kedua sebaga skor beta (beta score) dan poss beta dan hasl terbak ketga sebaga skor delta (delta score) dan poss delta. 6. Perbaharu poss alpha, beta dan delta. 7. Jka varabel d luar batas, masukkan ke batas varabel. Jka tdak, teras bertambah. 8. Cetak hasl terbak (alpha score) dan poss alpha (varabel-varabel). Smulas dlakukan dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB [8], dengan program Jurnal asonal Teknk Elektro 93

5 ol: 6, o. 2, Jul 2017 ISS: perhtungan alran daya menggunakan perangkat lunak Matpower 5.1 [9]. Bagan alr pemrograman dtunjukkan pada Gambar 2. MULAI TETUKA JUMLAH ITERASI, SEARCH AGET, DIMESI, BATAS ATAS DA BATAS BAWAH ARIABEL KOTROL Dagram satu gars sstem Lampung dtunjukkan pada Gambar 4. Hasl perhtungan alran daya menggunakan bahasa pemrograman Matpower 5.1 menunjukkan rug-rug sebelum optmsas adalah sebesar 18,97 MW dan 66,93 MAR. Smulas dlakukan dengan parameterparameter GWO antara lan jumlah search agents 50 dan jumlah teras 100. Smulas dlakukan sebanyak 50 kal dan hasl smulas dengan rug-rug daya aktf yang palng mnmum adalah pada smulas ke-49, dengan total rug-rug daya aktf sebesar 18,2377 MW. Kurva konvergens pada smulas ke-49 dtunjukkan pada Gambar 3. IISIALISASI ALPHA, BETA DA DELTA EALUASI FUGSI OBJEKTIF (RUGI- RUGI DAYA AKTIF) UTUK SETIAP SEARCH AGET DARI PERHITUGA ALIRA DAYA TIDAK SIMPA SKOR DA POSISI ALPHA, SKOR DA POSISI BETA DA SKOR DA POSISI DELTA UPDATE POSISI DARI SETIAP KUMPULA SEARCH AGET (DIMESI) ILAI ARIABEL DI LUAR BATAS? TIDAK ILAI ITERASI MKASIMUM? YA CETAK ILAI ARIABEL DA RUGI-RUGI DAYA AKTIF SELESAI YA UBAH ILAI ARIABEL KE DALAM BATAS Gambar 2. Dagram Bagan Alr Pemrograman 4. HASIL DA PEMBAHASA Gambar 3. Kurva Konvergens Dengan GWO Perbandngan hasl smulas varabelvarabel yang dkontrol sebelum optmsas dan sesudah optmsas menggunakan metode GWO dtunjukkan pada Tabel 3 d bawah n Tabel 3. Hasl Smulas arabel Kontrol Sebelum dan Sesudah Optmsas Menggunakan GWO arabel Sebelum Sesudah Optmsas Optmsas 1 (pu) 1,0 0, (pu) 1,0 0, (pu) 1,0 0, (pu) 1,0 0, (pu) 1,0 0,95 19 (pu) 1,0 0, (pu) 1,0 0, (pu) 1,0 0, (pu) 1,0 0,9894 T 34 (pu) 1 1,0008 T 35 (pu) 1 1,0152 T 47 (pu) 1 0,9655 Q c13 (MAR) 25 8,7762 Q c18 (MAR) 25 4,4951 Q c23 (MAR) 25 10,1999 Total Rug-rug Daya Aktf (MW) 18,97 18,2377 Tabel 3 menunjukkan bahwa tegangan operas pada bus yang terhubung dengan generator sesudah optmsas lebh kecl dar tegangan sebelum dlakukan optmsas, hal n berhubungan dengan pengurangan daya reaktf yang dsupla seluruh generator dar 827,36 MAR menjad 676,199 MAR. Daya reaktf total yang dgunakan oleh beban adalah 299,23 MAR. 94 Jurnal asonal Teknk Elektro

6 ol: 6, o. 2, Jul 2017 ISS: Bukt Asam 1 Blambangan Baturaja Umpu Teluk Betung Sukarame 14 Tarahan Bukt Kotabum Kemunng Tap Adaya Tegneneng atar 49 Sutam ew Tarahan 21 Sebalang Besa 5 7 Menggala Gumawang Pagelaran Ulubelu 24 Batuteg Bus 150k Bus 20k Metro Srbawono 20 Kalanda Seputh Banyak Gambar 4. Dagram Satu Gars Sstem Lampung Pengurangan daya reaktf yang dsupla oleh kapastor paralel berkurang dar 75 MAR menjad 23,4712 MAR. Pengurangan daya reaktf dar generator dengan penurunan tegangan keluarannya dan penurunan daya reaktf dar kapastor paralel n menurunkan besar arus yang mengalr pada saluran transms, sehngga mengurang rug-rug daya aktf total sstem Lampung. menunjukkan bahwa arus yang mengalr pada saluran yang menghubungkan kedua bus menjad lebh kecl sehngga mengurang rugrug daya aktf dan rug-rug daya reaktf. Tegangan pada setap bus hasl optmsas mash berada dalam batas aman operas, yakn lebh besar dar nla 0,95 pu. Rug-rug daya aktf dar 50 smulas dtunjukkan pada Gambar 6. Gambar 5. Tegangan Setap Bus Sebelum dan Setelah Optmsas dengan GWO Tegangan pada setap bus sebelum dan setelah optmsas dengan GWO dtunjukkan pada Gambar 5. Tegangan setap bus setelah optmsas lebh rendah dar tegangan sebelum optmsas, sehngga mengurang rug-rug daya aktf total sesua persamaan (1)-(3). Selan tu, perbedaan tegangan antara dua bus yang berdekatan semakn kecl dan hal n juga Gambar 6. Rug-rug Daya Aktf Pada Setap Smulas Hasl smulas sebanyak 50 kal dengan 100 teras untuk setap smulas menunjukkan bahwa metode GWO mampu menemukan rugrug daya aktf total yang lebh kecl dar rugrug daya aktf total sebelum dlakukan optmsas dengan masng-masng nla varabel kontrol. Jurnal asonal Teknk Elektro 95

7 ol: 6, o. 2, Jul 2017 ISS: KESIMPULA 1. Metode Grey-Wolf Optmzer (GWO) dapat menyelesakan masalah optmal reactve power dspatch untuk memnmsas rug-rug daya aktf sstem Lampung dengan mengurang rug-rug daya aktf total dar 18,97 MW menjad 18,2377 MW. 2. Metode GWO membutuhkan banyak smulas untuk memperoleh rug-rug daya aktf yang palng mnmum. DAFTAR PUSTAKA [1] Krschen, D.S., and van Meteeren, H.P., MW/oltage Control n a Lnear Programmng Based Optmal Power Flow, IEEE Trans. on Power Systems, vol.3, no.2, pp (1988). [2] Soler, E.M., Asada, E.., and da Costa, G.R.M., Penalty-Based onlnear Solver for Optmal Reactve Power Dspatch Wth Dscrete Control, IEEE Trans. on Power Systems, vol.28, no.3, pp (2013). [3] Zhao, B., Guo, C.., and Cao, Y.J., A Multagent-Based Partcle Swarm Optmzaton Approach for Optmal Reactve Power Dspatch, IEEE Trans. on Power Systems, vol.20, no.2, (2005). [4] Ayan, K., and Klc, U., Artfcal Bee Colony Algorthm Soluton for Optmal Reactve Power Flow, Appled Soft Computng, vol.12, no.5, pp (2012). [5] aradarajan, M., and Swarup, K.S., Dfferental Evoluton Approach for Optmal Reactve Power Dspatch, Appled Soft Computng, vol.8, no.4, pp (2008). [6] Mrjall, S., Mrjall, S.M., and Lews, A., Grey-Wolf Optmzer, Advances n Engneerng Software, vol.69, pp.46-61, (2014). [7] PT. PL (Persero) UPT Tanjung Karang, Data Pengukuran Gardu Induk dan Sngle Lne Dagram Sstem Kelstrkan Lampung, (2012). [8] MATLAB (R2011a) User Gude, (2011). [9] Zmmerman, R.D., Murllo-Sanchez, C.E. and Thomas, R.J., Matpower: Steady- State Operatons, Plannng and Analyss Tools for Power Systems Research and Educaton, IEEE Trans. on Power Systems, vol.26, no.1, pp (2011). Bodata Penuls Osea Zebua, menamatkan penddkan S1 d Jurusan Teknk Elektro Unverstas Sumatera Utara tahun 1995 dan penddkan S2 d Jurusan Teknk Elektro Unverstas Gadjah Mada tahun I Made Gnarsa, menamatkan penddkan S1 d Jurusan Teknk Elektro Unverstas Udayana tahun 1997, penddkan S2 d Jurusan Teknk Elektro Unverstas Gadjah Mada tahun 2001 dan penddkan S3 d Jurusan Teknk Elektro Insttut Teknolog Sepuluh opember tahun Jurnal asonal Teknk Elektro