III. METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat

Pengerjaan dan perancangan tugas akhir ini dilakukan dari bulan Januari - Mei

2013, bertempat di Laboratorium Sistem Tenaga (STE) Jurusan Teknik Elektro

Universitas Lampung.

3.2 Alat dan Bahan

Alat dan bahan tugas akhir ini, diantaranya :

1. Satu unit Laptop dengan spesifikasi Intel Core i5 prosesor 1,86 GHz dan sistem

operasi Windows 8.1 Pro sebagai media perancangan dan pengujian simulasi.

2. Perangkat lunak Python 2.7.5 sebagai alat bantu untuk perhitungan dan analisa.

3. Perangkat lunak ETAP Power Station 7.5.0 sebagai alat bantu untuk

pembanding perhitungan.

4. Data-data bus pembangkit dan bus beban serta diagram penyulang kangkung

pada PLN GI Menggala.

22

3.3 Tahap Penelitian

Dalam penyelesaian tugas akhir ini ada beberapa langkah kerja yang dilakukan

diantaranya :

3.3.1. Studi Literatur

Studi literatur dimaksudkan untuk mempelajari berbagai sumber referensi atau

teori (buka buku dan internet) yang berkaitan dengan penelitian, yaitu berupa

perhitungan aliran daya tiga fasa tidak seimbang dan software yang digunakan

untuk membuat simulasi aliran daya.

3.3.2. Studi Bimbingan

Berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai masalah-masalah yang

timbul selama penulisa penelitian berlangsung.

3.3.3. Pengambilan Data

Pada tahap ini dimaksudkan untuk mengambil data yang nantinya akan diolah dan

dianalisa dengan metode Newton-Rhapson. Data yang akan digunakan dan

dikumpulkan adalah :

1. Data beban tiap fasa di trafo distribusi pada GI Menggala.

2. Data impedansi urutan positif, urutan negative dan urutan nol.

3. Data One-line diagram sistem distribusi 20 KV pada GI Menggala.

23

3.4 Pemodelan Objek-Orientasi Aliran Daya Tiga Fasa Tak Seimbang

Dalam Penelitian ini semua model power system dinyatakan dalam keadaan steady-

state yang sering digunakan untuk analisa aliran daya. Secara umum, magnitude

dari semua nilai-nilai power system dinyatakan dalam per-unit (pu) dan sudut

dalam bentuk radian. OOP (Objek Orientasi Program) adalah pendekatan program

yang menjamin keuntungan besar untuk membayangkan model power system

dalam dunia nyata ke dalam model komputasi. Di penelitian ini untuk model kelas

komponen sistem tenaga yang dibuat seperti di gambar 9.

Gambar 1. Bentuk Kelas Komponen OOP Sistem Tenaga [10]

3.4.1. Format Data

Pengolahan data yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan input

text. Dalam data ini berisikan tentang data – data power system yang akan

dilakukan penelitian ini yaitu data bus, data beban, dan data transmisi.

3.4.2. Kelas Power System

Di kelas ini berisi tentang pembacaan data dari format data. Di kelas inilah

menentukan perintah aliran daya tak seimbang.

24

3.4.3. Kelas Analisa

Dalam kelas analisa disini berisi tentang fungsi rumus – rumus aliran daya

tiga fasa tak seimbang yaitu berupa mencari admitansi tiga fasa tak

seimbang, daya masing-masing fasa per bus, Jacobian tiga fasa tak

seimbang, dan selisih tegangan.

Disini selisih tegangan inilah yang akan digunakan untuk menghitung daya

aktif per fasa dan daya reaktif per fasa di bus slack, magnitude tegangan dan

sudut tegangan fasa di bus beban apakah masih dalam batas-batas toleransi.

3.4.4. Kelas Bus

Di kelas bus berisikan sifat-sifat dari sifat bus, dimana bus ini dihubungkan

ke branch (cabang) satu ke branch (cabang) yang lainnya. Sifat bus yang

digunakan didalam penelitian ini adalah

a. Nomor identifikasi bus

b. Magnitude tegangan per fasa dalam pu

c. Sudut tegangan per fasa dalam derajat

d. Tegangan maksimum dan minimum dalam pu ± 5%

e. Type bus

3.4.5. Kelas Generator

Di kelas ini sebenarnya tidak digunakan dalam penelitian, karena tidak ada

generator dalam jaringan distribusi. Sifat genarator yang digunakan didalam

penelitian ini adalah

a. Nomor identifikasi generator

b. Nomor bus

c. Magnitude tegangan per fasa dalam pu

25

d. Dasar MVA generator

e. Daya aktif generator (Pgenerator) per fasa dalam pu

3.4.6. Kelas Beban

Di kelas beban berisikan sifat-sifat dari beban. Sifat beban yang digunakan

didalam penelitian ini adalah

a. Nomor identifikasi beban

b. Nomor bus

c. Magnitude tegangan per fasa dalam pu

d. Sudut tegangan per fasa dalam derajat

e. Daya aktif beban (Pdemand) per fasa dalam pu

f. Daya reaktif beban (Qdemand) per fasa dalam pu

g. Faktor daya

h. Type beban

Data beban yang digunakan dalam tugas akhir ini menggunakan beban type

CP (Constant Power) dimana P dan Q dianggap konstan. Representasi ini

dipakai untuk studi aliran daya. [11]

3.4.7. Kelas Transformator

Di kelas trafo ini juga tidak digunakan dalam penelitian ini. Sifat transmisi

yang digunakan didalam penelitian ini adalah

a. Nomor identifikasi transmisi

b. Dari bus nomor

c. Ke bus nomor

d. Resistansi transmisi per urutan nol, positif dan negatif dalam pu

e. Reaktansi transmisi per urutan nol, positif dan negatif dalam pu

26

f. Rating transmisi dalam MVA

g. Tap Trafo

3.4.8. Kelas Transmisi

Di kelas transmisi berisikan sifat-sifat dari transmisi. Sifat transmisi yang

digunakan didalam penelitian ini adalah

a. Nomor identifikasi transmisi

b. Dari bus nomor

c. Ke bus nomor

d. Resistansi transmisi per urutan nol, positif dan negatif dalam pu

e. Reaktansi transmisi per urutan nol, positif dan negatif dalam pu

f. Rating transmisi dalam MVA

Dalam penelitian ini saluran transmisi pengiriman aliran daya dianggap saluran

pendek. Sehingga efek kapasitansi dapat diabaikan tanpa mengurangi akurasi

perhitungan. [4]

27

3.5 Diagram Alir Penelitian

Gambar 2. Diagram Alir Penelitian

28

3.6 Algoritma Program Dalam tugas akhir tentang perhitungan aliran daya tiga fasa tak seimbang ini

melalui beberapa langkah , diantaranya sebagai berikut :

a) Memasukkan Data.

b) Membentuk Matriks admitansi bus (Yabc)

Dalam penelitian ini diterapkan saluran yang dimodelkan oleh sebuah matriks

impedansi. Pada matriks ini terdapat elemen diagonal yang disebut impedansi

sendiri, dan elemen off-diagonal yang disebut impedansi bersama. Untuk

persamaan matriks impedansi jaringan tiga fasa antara bus i dan bus j , sesuai

dengan gambar 6 dan persamaan 6 adalah

���� = ���� ��� ���

��� ��� ���

��� ��� ���

�

Zabc merupakan impedansi saluran dari masing-masing fasa (a,b,c).

Zaa, Zbb, Zcc merupakan bentuk impedansi fasa sendiri.

Zab, Zac, Zba, Zbc, Zca, Zcb merupakan bentuk impedansi fasa bersama.

Sesuai dengan gambar 6, maka persamaan 2 menjadi :

���� = 1

����

Untuk persamaan mencari matriks admitansi bus per fasa sebagai berikut :

[A] = �1 1 11 �� �1 � ��

�

Dimana 1 + a + a2 = 0

a = 1∠120° = -0.5 + j0.866

a² = 1∠240° = -0.5 – j0.866

29

a3 = 1∠360° = 1 + j0

Sehingga untuk matriks admitansi bus per fasa di sistem tiga fasa tak

seimbang menjadi seperti berikut [8]:

���� = [�]�

�� 0 00 �� 00 0 ��

� [�]� � (1)

���� ��� ���

��� ��� ���

��� ��� ���

� = �

��

�� �� ��

�� �� ��

�� �� ��

� (2)

Dimana :

�� = (�� + �� + ��)

�� = (�� + �. �� + ��. ��)

�� = (�� + ��. �� + �. ��)

Admitansi untuk n bus adalah sebagai berikut :

Bus j

Fasa a Fasa b Fasa c

Bus i

Fasa a Yijaa Yij

ab Yijac

Fasa b Yijba Yij

bb Yijbc

Fasa c Yijca Yij

cb Y11cc

Tabel 1. Tabel admitansi untuk n-bus

c) Menentukan Nilai Awal Tegangan e(0) dan f(0).

Untuk bus slack diketahui dan bus beban (PQ) diasumsikan nilai tegangan

awalnya 1 pu dan sudut fasa tegangan nol derajat. Dalam polar Vi = |Vi |∠ θi

30

dan dirubah kedalam rectangular menjadi Vi = ei + jfi. Dalam penelitian ini

sudut di rubah ke radian, dengan rumus :

� = ����� � �

180 (3)

Dimana :

����� = ���

���� ��� ����� (4)

����� = ���

���� ��� ����� (5)

i = 1,2,3,...

d) Menentukan Iterasi n = 0

e) Menghitung Nilai Daya Injeksi (Pinjabc, Qinj

abc dan Vinjabc)

Dengan mengikuti persamaan 4 dan 5 medapatkan persamaan daya tiga fasa

tak seimbang. Persamaan ini dirubah ke dalam persamaan rectangular :

����� = (��

��� + ������)�����

��� − ��������. (��

��� − ������

�

���

)

Dan dipisah menjadi daya aktif dan daya reaktif :

����� = � �[��

���( �����

. ������ − ��

���. ������) + ��

���(�����. ���

���

� € �

+ �� ���. ���

���)]�

����� = � ����

���(��

���. ���

��� − �� ���. ���

���� − ��

���

(�����. ���

���

� € �

+ �� ���. ���

���)]�

Dimana i = 1,2,3,.....

Untuk bus generator (PV) karena disini menggunakan rectangular, maka Qinj

yang sebenarnya dalam polar tidak diperhitungkan, maka diganti menjadi

Vinjabc yang diperhitungkan dalam rectangular.

. [9]

31

����� = (��

���)� + �������

�

f) Menghitung Besarnya Selisih Daya (Power Mismatch) ΔPabc, ΔQabc dan Selisih

Tegangan ΔVabc.

������ (�) = �� ���

��� − �� ������ (�) (6)

������ (�) = �� ���

��� − �� ������ (�)

(7)

Untuk bus generator (PV) karena penelitian ini dalam kawasan rectangular,

maka ΔQiabc yang seharusnya 0 diganti menjadi ΔVi

abc.

������ (�) = �� ���

��� (�) − �� ������ (�) (8)

Dimana i = 2,3,.....

g) Memeriksa apakah nilai ΔPabc, ΔQabc dan ΔVabc sudah mencapai nilai toleransi

yang diinginkan. Jika belum lanjutkan ke langkah h. Jika sudah mencapai

konvergensi yang diinginkan maka lanjut ke langkah k.

h) Menghitung Persamaan Jacobian.

ΔPjabc

=

������

������

������

������

������

������

������

������

x

Δejabc

ΔQjabc

������

������

������

������

������

������

������

������ Δfj

abc

ΔPkabc

������

������

������

������

������

������

������

������ Δek

abc

ΔVkabc

������

������

������

������

������

������

������

������ Δfk

abc

Tabel 2. Persamaan Jacobian Tiga Fasa Rectangular

Dimana :

i = bus slack SL

j = bus beban PQ

32

k = bus generator PV

Elemen Diagonal ( i = j )

���

���

������ = ��(��

���. ������ − ��

���. ������)� + ��

���. ������

� € �

+ �����. ���

��� (9)

������

������ = � �(��

���. ������ + ��

���. ���

��� )� − �����. ���

���

� € �

+ �����. ���

��� (10)

������

������ = − � �(��

���. ������ + ��

���. ���

��� )� − �����. ���

���

� € �

+ �����. ���

��� (11)

������

������ = ��(��

���. ������ − ��

���. ������)� − ��

���. ������

� € �

− �����. ���

��� (12)

������

������ = 2��

��� (13)

������

������ = 2��

��� (14)

Off Diagonal ( i ≠ j )

������

������ = ��

���. ������ + ��

���. ������ (15)

������

������ = −��

���. ������ + ��

������� (16)

������

������ = −��

���. ������ + ��

������� (17)

33

������

������ = − ��

���. ������ − ��

���. ������ (18)

������

������ = 0 (19)

���

���

������ = 0 (20)

Dimana :

i = bus 2,3,...

j = bus 2,3,...

i) Menghitung Tegangan Bus Baru.

����� (���) = ��

��� (�) + ������ (�) (21)

����� (���) = ��

��� (�) + ������ (�)

(22)

j) Kembali ke langkah e.

k) Menghitung Aliran Daya di Bus Slack dan Bus PQ

Dari persamaan 14 dan 15 ini digunakan untuk menghitung aliran daya P dan

Q di bus slack dan P di bus beban.

����� = � �[��

���( �����

. ������ − ��

���. ������) + ��

���(�����. ���

���

� € �

+ �� ���. ���

���)]�

����� = � �[��

���(��

���. ���

��� − �� ���. ���

���)− ��

���

(�����. ���

���

� € �

+ �� ���. ���

���)]�

34

3.7 Diagram Alir Program

Gambar 3. Diagram Alir Program

35

3.8 Simulasi Python 2.7.5

Seperti yang telah disebutkan pada bab sebelumnya bahwa tujuan dari tugas

akhir ini adalah membuat simulasi aliran daya tiga fasa tak seimbang yang akan

digunakan untuk menghitung tegangan per-fasa di tiap-tiap bus dan

mengevaluasi tegangan apakah masih dalam batas yang aman. Peraturan Umum

Instalasi Listrik (PUIL) memberika toleransi sebesar -10% dan +5% dari

tegangan nominal. [14]

Simulasi aliran daya tiga fasa tak seimbang pada GI Menggala dilakukan

dengan python 2.7.5. Selanjutnya hasil simulasi ini akan dievaluasi tegangan

sebelum dan sesudah diinjeksikan pembangkit PLTD di tegangan yang

mengalami drop tegangan besar.

Simulasi dilakukan dengan cara :

3.8.1. Memasukkan Parameter

Parameter yang diperlukan untuk melakukan simulasi ke dalam bentuk text atau

notepad, adapun datamasukan yang dibutuhkan dalam perhitungan aliran daya

tiga fasa tak seimbang ini adalah:

a. Base MVA (Referensi Daya)

Base MVA yang digunakan disini dalam satuan 100 MVA.

b. Jumlah Bus

Untuk mengidentifikasi bus yang tersambung. Disini dimasukkan

magnitude tegangan dan sudut asumsi per fasa di tiap-tiap bus.

c. Jumlah Beban

36

Jumlah beban yang ada pada penyulang kangkung. Disini dimasukkan nama

beban, nomer bus, daya aktif dan daya reaktif per fasa

d. Jumlah Line

Jumlah line yang tersambung pada penyulang kangkung. Disini dimasukkan

line yang tersambung dari bus satu ke bus selanjutnya, beserta resistansi dan

reaktansi dalam urutan positif, urutan negatif dan urutan nol.

Sistem kelistrikan penyulang kangkung pada GI Menggala terdiri dari 177 trafo

distribusi dimana 79 trafo distribusi terdapat di daerah menggala, 43 trafo

distribusi di daerah Simpang Pematang dan 55 trafo distribusi di daerah

Wiralaga. Trafo distribusi dalam tugas akhir ini dianggap sebagai beban.

3.8.2. Langkah-Langkah Simulasi

Untuk melakukan simulasi dengan menggunakan python 2.7.5, maka Single

Line Diagram dari penyulang kangkung pada GI Menggala yang akan dianalisa

akan dibuat daftar per object yaitu mulai dari bus, pembangkit, beban dan

transmisi. Gambar 11 merupakan contoh daftar per object dalam bentuk

notepad.

Untuk simulasi aliran daya tiga fasa tak seimbang, maka terlebih dahulu kita

membuat notepad dan diberi nama ‘case_kangkung’. Berikut ini langkah-

langkahnya :

37

Gambar 4. Input Data di Python 2.7.5 dalam Notepad

a. Jalankan program python 2.7.5

Program python 2.7.5 dapat digunakan setelah diinstal ke dalam komputer,

setelah itu menginstal numpy 1.6.1 sebagai library perhitungan. Setelah

program dijalankan maka akan tampak tampilan seperti gambar 12 yang

merupakan tampilan pertama python 2.7.5.

Gambar 5. Tampilan Awal Python 2.7.5

38

b. Membuat studi kasus yang baru

Untuk membuat studi kasus baru maka kita harus membuat notepad di

folder Python Unbalanced Rectangular dengan diberi nama

case_kangkung seperti pada gambar 13.

Gambar 6. Input Data Text

Lalu buka text tersebut dan diisi nilai variable berupa jumlah bus,

pembangkit, beban dan transmisi. Sesuai gambar 11.

c. Men-simulasi software Python unbalanced rectangular

Setelah text ‘case_kangkung’ sudah diisi, maka software python bisa di

jalankan.

Gambar 7. Running Program

39

d. Membuat Analisa dari Hasil Simulasi

Setelah pengolahan data selesai, maka dilakukan analisa data sesuai hasil

dari simulasi Python 2.7.5.

e. Penulisan Laporan

Dalam tahap ini dilakukan penulisan laporan hasil dari penelitian secara

lengkap mencangkup tinjauan pustaka hingga proses simulasi yang

dilakukan dan analisa serta kesimpulan dan saran.