ESTIMASI FREKUENSI JANGKA PENDEK BERBASIS ZERO CROSSING
(Skripsi)
Oleh
Robert Lie Nasbuck
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2016
ESTIMASI FREKUENSI JANGKA PENDEK BERBASIS ZERO CROSSING
Oleh: Robert Lie Nasbuck
Frekuensi adalah salah satu parameter penting dari operasi sistem tenaga listrik. Gangguan-gangguan dapat mengakibatkan perubahan frekuensi dan dapat merusak peralatan-peralatan listrik. Tidak terdapatnya peralatan ukur frekuensi pada setiap tempat menyebabkan informasi frekuensi tidak dapat diperoleh. Estimasi frekuensi adalah salah satu cara mengetahui besar nilai frekuensi dalam jangka waktu yang pendek. Tujuan dari tugas akhir ini adalah mengestimasi frekuensi jangka waktu pendek dari sistem tenaga listrik dengan menggunakan metode berbasis zero crossing. Estimator menggunakan filter moving average dan interpolasi untuk memperoleh gelombang yang diestimasi. Studi kasus dilakukan pada sistem tenaga listrik yang disimulasi dan kasus real menggunakan program MATLAB. Estimator frekuensi menggunakan data sekunder dari penelitian yang sudah terpublikasi, data yang diukur (data real) dan data dari simulasi. Hasil pengujian menunjukkan estimator frekuensi jangka pendek berbasis zero crossing dapat bekerja dengan baik untuk mengestimasi frekuensi dan dapat mendeteksi adanya gangguan seiring dengan perubahan frekuensi yang melebihi standar. Jumlah sampel data per siklus memegang peranan penting dalam estimasi frekuensi. Data terdiri dari 840 sampel. Pada kasus pertama saat tegangan 434 volt, maka ADC bernilai -33,54. Pada tegangan 294 volt, maka ADC bernilai -93,74. Estimator frekuensi berbasis zero crossing juga mampu mengestimasi frekuensi gelombang dengan jangka waktu tertentu. Berdasarkan standar IEC 61000-4-30 bahwa toleransi error estimasi frekuensi sebesar 1%. Penelitian ini menghasilkan error untuk ketiga skenario < 1 %. Kata-kata kunci: frekuensi, estimasi, jangka pendek, zero crossing.
SHORT-TERM FREQUENCY ESTIMATION BASED ON ZERO-CROSSING
By: Robert Lie Nasbuck
Frequency is one of the important parameters of the power system operation. Disturbances can result in changes in frequency and can damage electrical equipment. The absence of measuring equipment at each spot frequency causes the frequency information can not be obtained. Frequency estimation is one method to determine the frequency value in the short-term. The aim of this undergraduate thesis is to estimate the frequency of the short-time period of the power system using the method based on zero crossing. Estimator uses moving averages filter and interpolation technique to obtain a wave to be estimated. The case study conducted on a power system that has been simulated and real power system case. All programming is written using a MATLAB programming language. Frequency estimator based on zero-crossing is able to estimate the frequency of the wave with a certain length of time. The test results show a estimator based on the zero crossing can work well to estimate the short-term frequency and can detect the presence of disturbances due to the change in frequency is more than standard. The number of sampling data per cycle plays an important role in the frequency estimation. Data consisted of 840 samples. In the first case when the voltage is 434 volts, the ADC is worth -33.54. On the 294 volt voltage, the ADC is worth -93.74. Keywords: frequency, estimation, short-term, zero crossing.
ESTIMASI FREKUENSI JANGKA PENDEK BERBASIS ZERO CROSSING Oleh ROBERT LIE NASBUCK
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2016
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Tanjung Karang, pada tanggal 13 April
1991,
sebagai
anak
pertama
dari
dua
bersaudara, dari Bapak Masrio Buckhari dan Ibu Rina Astarina. Penulis memasuki dunia pendidikan TK Aisiyah Pugung Raharjo Lampung Timur, lulus pada tahun 1997. Sekolah Dasar (SD) di SDN 1 Pugung Raharjo Lampung Timur, lulus pada tahun 2003. Sekolah Menengah Pertama (SMP) di MTSN 1 Tanjung Karang Bandar Lampung, lulus pada tahun 2006 dan Sekolah Menengah Kejuruan (SMK) di SMKN 2 Bandar Lampung dan lulus pada tahun 2009. Tahun 2009, penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Lampung melalui jalur UM (Ujian Masuk) Universitas Lampung. Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif di lembaga kemahasiswaan yang ada di Jurusan Teknik Elektro yaitu sebagai anggota Divisi Minat dan Bakat Himatro (Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro) pada tahun 2009-2011 dan anggota Divisi Penelitian dan Pengembangan Himatro pada tahun 2011-2012. Pada 6 Oktober – 6 November 2016, Penulis melaksanakan Kerja Praktik (KP) di Perpustakaan Universitas Lampung dengan mengangkat judul “Audit Sistem Pendingin pada Gedung Unit Pelayanan Teknis (UPT) Perpustakaan Universitas Lampung”.
Karya ini kupersembahkan untuk
Ayah dan Ibu Tercinta
Masrio Buckhari dan Rina Astarina
Adikku Tersayang
M. Alfin Nasbuck
Keluarga Besar, Dosen, Teman, dan Almamater.
MOTTO
“Karena Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.” ( Al-Quran, Surat Al – Insyirah, 94 : 5 – 6 ) “Dan janganlah kamu (merasa) lemah, dan jangan (pula) bersedih hati, sebab kamu paling tinggi (derajatnya), jika kamu orang yang beriman.” ( Al-Quran, Surat Ali Imran, 3 : 139 ) “Apabila manusia telah meninggal dunia maka terputuslah semua amalannya kecuali tiga amalan : shadaqah jariyah, ilmu yang bermanfaat, dan anak sholeh yang mendoakan dia.” ( HR. Muslim ) “Ilmu itu lebih baik daripada harta. Ilmu menjaga engkau dan engkau menjaga harta. Ilmu itu penghukum (hakim) dan harta terhukum. Harta itu kurang apabila dibelanjakan tapi ilmu bertambah bila dibelanjakan.” ( Ali bin Abi Talib RA ) “Seperti ilmu padi, semakin berisi semakin merunduk”
SANWACANA
Alhamdulillah, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala atas segala karunia, hidayah, serta nikmat yang diberikan, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi tugas akhir yang berjudul “ESTIMASI FREKUENSI JANGKA PENDEK BERBASIS ZERO CROSSING”. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Lampung. Dalam penyelesaian tugas akhir ini tidak lepas oleh dukungan dan bantuan dari banyak pihak. Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1.
Bapak Prof. Suharno, M.Sc., Phd. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Lampung.
2.
Bapak Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung.
3.
Bapak Dr. Eng. , Helmy Fitriawan, S.T, M.Sc. selaku Pembimbing Akademik (PA), terima kasih atas bimbingan dan perhatiannya.
4.
Bapak Osea Zebua, S.T., M.T. selaku dosen Pembimbing Utama skripsi yang telah memberikan banyak ilmu, kritik dan saran, serta bimbingannya dalam penyelesaian skripsi ini.
ii
5.
Bapak Noer Soedjarwanto, S.T., M.T. selaku dosen Pembimbing Pendamping skripsi yang juga telah memberikan banyak ilmu, kritik dan saran, serta bimbingannya dalam penyelesaian skripsi ini.
6.
Ibu Dr. Eng. Diah Permata, S.T., M.T. selaku dosen penguji skripsi yang juga telah memberikan banyak ilmu, kritik dan saran, serta bimbingannya dalam penyelesaian skripsi ini.
7.
Seluruh dosen dan karyawan Teknik Elektro Universitas Lampung yang telah memberikan masukan, dorongan dan ilmu yang sangat berarti bagi penulis.
8.
Mama dan Papa yang selalu memberikan doa dalam sujudnya dan semangat serta kasih sayangnya selama ini.
9.
Adindaku yang tersayang M. Alvin Nasbuck.
10. Sahabat–sahabat Teknik Elektro angkatan 2009, M. Thaha Yanuar Ayub, Much. Rifqi (Mbeu), Dedi Irawan (Botoy), Fedryan Rinaldi Fauzie, Riyo Handoko, Achmad Taufik Prabowo, Ranny Dwidayanti, Dewi Sartika Dharmatana, Mardiyah Azzahra, Aris Aditama, M. Syafruddin, Hadi Prayogo, Moh. Cahyonyo, Hendri Setiawan (Ijonk), Albet Arifian, Jimmy Alexander Barus, Jumanto Sardion Panjaitan dan M. Widi Tryatno terima kasih atas semangat, doa dan bantuan kalian semua. 11. Rekan – rekan Teknik Elektro angkatan 2009 yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas kebersamaan yang kita miliki beberapa tahun ini, terima kasih telah memberikan banyak warna dalam masa studi ini. 12. Semua pihak yang telah membantu serta mendukung penulis dari awal kuliah hingga terselesaikannya skripsi ini.
iii
Penulis menyadari bahwa skripsi ini jauh dari kesempurnaan. Penulis menerima kritik dan saran yang membangun dari semua pihak untuk. Semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua.
Bandar Lampung, 14 Oktober 2016
Robert Lie Nasbuck
DAFTAR ISI Halaman SANWACANA ................................................................................................. i DAFTAR ISI ..................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ vi BAB I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah ...................................................................... 1.2. Tujuan Penelitian ................................................................................. 1.3. Rumusan Masalah ................................................................................ 1.4. Batasan Masalah .................................................................................. 1.5. Manfaat Penelitian................................................................................ 1.6. Hipotesis .............................................................................................. 1.7. Sistematika Penulisan ..........................................................................
1 3 3 4 4 4 5
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Sistem Tenaga Listrik ..................................................................... 6 2.2. Frekuensi Listrik...................... ............................................................ 7 2.3. Estimasi Frekuensi ........................................................................... 8 2.4. Estimasi Frekuensi Berbasis Zero Crossing .................................... 10 2.5. Estimasi Frekuensi Jangka Pendek Berbasis Zero Crossing ........... 15 2.6. Moving Average Filter (MAF)..............................................................16 2.7. Interpolasi............................................................................................ 19 BAB III. METODE PENELITIAN 3.1. Waktu dan Tempat ............................................................................... 22 3.2. Alat dan Bahan .................................................................................... 22 3.3. Metode Penelitian..................................... ............................................ 23 3.4. Diagram Alir Penelitian ....................................................................... 25 3.5. Diagram Alir Program ......................................................................... 26 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Standar Kesalahan Estimasi Frekuensi IEC ........................................ 27 4.2. Skenario Data Tegangan dari Sistem Tenaga yang Mengalami Gangguan (Skenario 1) ......................................................................... 29 4.3. Skenario dengan Data Rekaman Tegangan dengan Kasus yang Nyata (Skenario 2)........................................................................................... 33
v
4.4. Skenario Sistem Tenaga Hasil Simulasi Menggunakan Matlab / Simulink (Skenario 3) ........................................................................... 37 4.5. Pengaruh Pemfilteran dan Interpolasi................................................... 43 BAB V. SIMPULAN DAN SARAN 5.1. Simpulan .............................................................................................. 45 5.2. Saran...................................................................................................... 46 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Halaman 1. Gambar 2.1. Fasa tidak ada tegangan input adalah zero crossing.........
10
2. Gambar 2.2. Pendekatan zero crossing .................................................
12
3. Gambar 2.3. Sampel pendekatan zero crossing interpolasi linear.........
13
4. Gambar 2.4. Estimasi frekuensi jangka pendek berdasarkan penyaringan dan metode zero crossing......................................................................
16
5. Gambar 2.5. Contoh interpolasi linier..................................................... 19 6. Gambar 2.6. Contoh interpolasi kuadratik............................................... 20 7. Gambar 2.7. Contoh interpolasi polynomial.............................................. 21 8. Gambar 3.1. Gambar Diagram Alir Penelitian ......................................
25
9. Gambar 3.2. Gambar Diagram Alir Program ........................................
26
10. Gambar 4.1. Kesalahan estimasi frekuensi metode berbasis IEC..........
28
11. Gambar 4.2. Sinyal real direkam dari sistem yang mengalami gangguan 29 12. Gambar 4.3. Gelombang tegangan hasil pemfilteran dan interpolasi ..... 30 13. Gambar 4.4. Hasil estimasi frekuensi dan frekuensi sebenarnya............ 30 14. Gambar 4.5. Perbedaan frekuensi sebenarnya dengan frekuensi hasil estimasi...................................................................................................
31
15. Gambar 4.6. Nilai estimasi frekuensi pada setiap zero crossing............
32
16. Gambar 4.7. Waktu antara dua zero crossing yang berurutan................
32
17. Gambar 4.8. Data tegangan real hasil rekaman pada sistem tegangan
vii 18. 220 V dan Frekuensi 50 Hz..................................................................... 33 19. Gambar 4.9. Sinyal tegangan hasil pemfilteran dan interpolasi.............. 34 20. Gambar 4.10.Hasil estimasi frekuensi dari hasil rekaman data tegangan nyata sistem 220 V................................................................................... 35 21. Gambar 4.11. Perbedaan frekuensi sebenarnya dengan frekuensi hasil estimasi.................................................................... ................................ 35 22. Gambar 4.12. Nilai estimasi frekuensi pada setiap zero-crossing............. 36 23. Gambar 4.13. Waktu antara dua zero crossingyang berurutan................. 36 24. Gambar 4.14. Sistem kompensasi seri tiga fasa......................................... 38 25. Gambar 4.15. Rekaman sinyal tegangan pada fasa B dari sistem tenaga yang mengalami gangguan........................................................................ 39 26. Gambar 4.16. Sinyal tegangan fasa B hasil pemfilteran dan interpolasi.................................................................................................. 40 27. Gambar 4.17. Hasil estimasi frekuensi dengan estimator frekuensi jangka pendek berbasis zero crossing.................................................................. 40 28. Gambar 4.18. Perbedaan frekuensi sebenarnya dengan frekuensi estimasi..................................................................................................... 41 29. Gambar 4.19. Nilai estimasi frekuensi pada setiap zero crossing............ 42 30. Gambar 4.20. Waktu antara dua zero crossing yang berurutan............... 42 31. Gambar 4.21. Nilai estimasi frekuensi dengan filter MAF orde 2........... 44 32. Gambar 4.22. Nilai estimasi frekuensi dengan filter MAF orde 3........... 44
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang Masalah Pada sistem tenaga listrik, terdapat tiga komponen utama yaitu
pembangkitan, transmisi dan distribusi. Proses pembangkitan yaitu proses dimana suatu pembangkit listrik menghasilkan tenaga listrik yang nantinya akan disuplai. Transmisi yaitu proses penyaluran tenaga listrik dari pembangkit listrik menuju gardu induk. Distribusi yaitu proses penyaluran tenaga listrik dari gardu induk menuju beban atau pelanggan listrik.
Dalam proses penyaluran tenaga listrik terdapat komponen penting yaitu frekuensi. Parameter penting dari sistem tenaga adalah frekuensi fundamentalnya, karena fakta bahwa frekuensi umumnya digunakan untuk menunjukkan keadaan sistem operasi. Selain itu, sebagai dasar untuk estimasi beberapa parameter lainnya termasuk amplitudo dan fasa dari sinyal tegangan dan arus. Oleh karena itu, keakuratan estimasi frekuensi sangat penting dalam banyak aplikasi pada sistem tenaga seperti kontrol daya yang efektif, pengaturan relay pelindung untuk
2
pelepasan dan pemulihan beban, pemantauan kualitas daya dan perlindungan pembangkitan. Frekuensi berpengaruh karena merupakan bagian penting dalam listrik AC (Alternating Current). Jika tenaga listrik itu tidak terdapat frekuensi maka disebut juga dengan listrik DC (Direct Current). Di Indonesia sendiri menggunakan frekuensi listrik sebesar 50 Hz, dimana dalam waktu satu detik terdapat lima puluh gelombang sinusoidal. Gangguan jangka pendek dalam perubahan frekuensi ini sangat berbahaya pada alat elektronik atau peralatan rumah tangga karena dapat merusak alat tersebut. Gangguan ini akan dirasakan setelah sekian lama terjadi. Efeknya adalah kerusakan pada peralatan listrik. Ini biasanya dihasilkan oleh instalansi-instalansi yang menggunakan peralatan listrik besar seperti rumah sakit, pabrik-pabrik, motor listrik pada elevator dan lain sebagainya.
Selain gangguan diatas gangguan listrik lain yang sering terjadi dan dapat diamati adalah berkedipnya lampu penerangan. Hal ini menandakan terjadinya fluktuasi tegangan listrik. Walaupun gangguan listrik seperti ini biasanya terjadi dalam beberapa milidetik saja tetapi permasalahan gangguan seperti ini kalau tidak ditangani dengan serius dapat juga menyebabkan kerusakan pada peraltan listrik konsumen seperti televisi bahkan komputer.
Dalam penelitian ini dilakukan analisis secara ofline, dimana nantinya akan bisa diketahui frekuensi dalam jangka waktu pendek dan merekam frekuensi setiap saat yang tidak terdeteksi di semua tempat sistem distribusi. Karena gangguan jangka pendek menyebabkan perubahan frekuensi maka penelitian ini akan mengestimasi frekuensi jangka pendek.
3
1.2.
Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian yang dilakukan antara lain: 1. Untuk mengestimasi frekuensi dalam jangka waktu tertentu pada sistem tenaga listrik; 2. Untuk mengetahui pengaruh gangguan jangka pendek terhadap frekuensi sistem tenaga listrik.
1.3.
Rumusan Masalah
Monitoring nilai frekuensi biasanya hanya dilakukan pada pusat-pusat pengatur beban pada sistem tenaga listrik, sementara pada jaringan distribusi tegangan rendah monitoring tidak dilakukan. Selain itu, data frekuensi pada jangka waktu tertentu kadang-kadang tidak diambil dan tidak dianalisis lebih lanjut. Berbagai gangguan pada operasi sistem tenaga listrik dapat mempengaruhi nilai frekuensi, terutama pada jaringan distribusi tegangan rendah yang langsung dirasakan oleh konsumen.
Data dalam penelitian ini diperoleh melalui data sekunder untuk
gangguan jangka pendek pada tegangan menengah dan data disimulasi untuk gangguan jangka pendek pada tegangan tinggi. Sedangkan pada tegangan rendah data diambil secara langsung dari jaringan tegangan rendah dengan mengukur tegangan jaringan. Oleh karena itu, estimasi frekuensi pada sistem distribusi perlu dilakukan sekaligus menganalisis nilai estimasi frekuensi jangka pendek. Pada penelitian ini, estimasi nilai frekuensi menggunakan metode berbasis zero crossing sebagai metode untuk mengetahui estimasi frekuensi jangka pendek.
4
1.4.Batasan Masalah
Adapun dalam penelitian ini, penulis hanya membatasi masalah mengenai : 1. Dalam penelitian ini hanya membahas bagaimana estimasi frekuensi dengan jangka pendek pada sistem tenaga listrik. 2. Dalam penelitian ini hanya menggunakan metode berbasis zero crossing sebagai estimator frekuensi, artinya sinyal atau gelombang yang tidak melewati titik nol tidak dapat diestimasi frekuensinya. 3. Estimasi nilai frekuensi dilakukan hanya dalam jangka waktu yang pendek.
1.5. Manfaat Penelitian
Adapun manfaat yang akan kita dapat dari penelitian ini antara lain: 1. Dapat mengetahui nilai estimasi frekuensi jangka pendek pada sistem tenaga listrik. 2. Dapat mengetahui pengaruh gangguan jangka pendek terhadap nilai frekuensi.
1.6. Hipotesis
Berdasarkan kajian teoritis terhadap penelitian yang dilakukan, dapat diambil hipotesis awal yaitu dengan menggunakan metode berbasis zero crossing, teknik filter, dan teknik interpolasi terhadap sinyal gelombang, maka nilai frekuensi dapat diestimasi.
5
1.7. Sistematika Penulisan Penulisan tugas akhir ini dibagi ke dalam lima bab dengan sistematika sebagai berikut: BAB I. PENDAHULUAN Bab ini berisikan tentang latar belakang dan masalah, tujuan penelitian, kerangka pemikiran, batasan masalah, manfaat penelitian, hipotesis serta sistematika penulisan. BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Bab ini berisikan tentang teori pendukung yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini. BAB III. METODE PENELITIAN Bab ini berisikan tentang waktu dan tempat penelitian, alat dan bahan, metode yang digunakan dan diagram penelitian yang digunakan dalam menyelesaikan tugas akhir ini. BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini membahas tentang hasil dari penelitian yang telah dilakukan untuk mengetahui pengaruh penggunaan saluran udara. BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN Bab terakhir ini berisi kesimpulan dan saran setelah penulis melakukan penelitian dan berdasarkan dari hasil dan pembahasan yang telah dianalisis. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Sistem Tenaga Listrik
Sistem tenaga listrik ini berguna untuk menyalurkan tenaga listrik dari sumber daya listrik besar (Bulk Power Source) sampai ke konsumen. Sistem tenaga listrik terdiri dari sistem transmisi dan sistem distribusi.Fungsi sistem transmisi adalah menyalurkan daya listrik dari pembangkit listrik ke sistem distribusi.Fungsi sistem distribusi tenaga listrik adalah sebagai pembagian atau penyaluran tenaga listrik ke beberapa tempat (pelanggan), dan merupakan sub sistem tenaga listrik yang langsung berhubungan dengan pelanggan, karena catu daya pada pusat-pusat beban (pelanggan) dilayani langsung melalui jaringan distribusi. [5] Sistem distribusi terbagi 2 bagian : a. Sistem Distribusi Tegangan Menengah b. Sistem Distribusi Tegangan Rendah
7
Sistem distribusi tegangan menengah mempunyai tegangan kerja di atas 1 kV dan setinggi‐tingginya 35 kV. Sistem distribusi tegangan rendah mempunyai tegangan kerja setinggi‐tingginya 1 kV. Jaringan distribusi tegangan menengah berawal dari Gardu Induk/Pusat Listrik pada sistem terpisah atau isolated. Bentuk jaringan distribusi dapat berbentuk radial terbuka (radial open loop). Jaringan distribusi tegangan rendah berbentuk radial murni. Sambungan tenaga listrik adalah bagian paling hilir dari sistem distribusi tenaga listrik. Pada sambungan tenaga listrik tersambung Alat Pembatas dan Pengukur (APP) yang selanjutnya menyalurkan tenaga listrik kepada pemanfaat. Konstruksi sistem distribusi dapat berupa saluran udara atau saluran bawah tanah disesuaikan dengan kebijakan manajemen, masalah kontinuitas pelayanan, jenis pelanggan, pada beban atas permintaan
khusus
dan
masalah
biaya
investasi.Berdasarkan
sistem
penyalurannya, jaringan distribusi dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu : a. Saluran udara (overhead line) b. Saluran bawah tanah (underground cable)
2.2. Frekuensi Listrik
Frekuensi adalah jumlah getaran yang terjadi dalam waktu satu detik atau banyaknya gelombang/getaran listrik yang dihasilkan tiap detik. Frekuensi dilambangkan dalam huruf f. Periode adalah lamanya waktu yang diperlukan untuk melakukan satu getaran sempurna suatu gelombang listrik. Periode dilambangkan dengan huruf T. Hubungan antara frekuensi dan periode adalah berbanding terbalik, berarti semakin besar frekuensinya periodenya akan semakin
8
kecil. =
Secara →
matematis
dapat
ditulis
seperti
di
bawah
ini
:
= ....................................................................................................(2.1)
Frekuensi secara umum dapat diartikan sebagai jumlah kemunculan suatu kejadian yang berulang pada suatu jangka waktu tertentu. Frekuensi didefinisikan sebagai jumlah periode gelombang yang terjadi selama 1 detik. Mengacu pada SI, satuan frekuensi adalah Hertz yaitu jumlah siklus per detik. Nama ini diberikan sebagai penghargaan kepada Heinrich R. Hertz atas kontribusinya pada bidang gelombang elektromagnetik. Pada sistem tenaga listrik, istilah frekuensi diasoasikan dengan frekuensi tegangan dan arus listrik. Frekuensi ini diperoleh dari kombinasi jumlah putaran dan jumlah kutub listrik pada generator di pembangkit listrik. Pada awal sejarah munculnya listrik, pemahaman terhadap frekuensi tidak seperti yang sekarang ini kita semua pahami. Pada masa itu frekuensi lebih dipahami sebagai banyaknya jumlah perubahan polaritas (alternasi) per menit, akibatnya pada masa tersebut banyak kita temui frekuensi sistem tenaga yang apabila kita ubah ke definisi frekuensi modern akan menghasilkan angka yang tidak lazim, seperti 83 Hz atau 133 Hz.
2.3. Estimasi Frekuensi Parameter penting dari sistem tenaga fundamentalnya adalah frekuensi, karena fakta bahwa umumnya digunakan untuk menunjukkan keadaan sistem operasi. Selain itu, dasar untuk estimasi beberapa parameter lainnya termasuk amplitudo dan fase dari tegangan dan sinyal arus. Oleh karena itu keakuratan estimasi
9
frekuensi sangat penting dibanyak aplikasi dari sistem tenaga seperti kontrol daya yang efektif, pengaturan relay pelindung untuk pelepasan beban dan pemulihan, pemantauan kualitas daya dan perlindungan generasi. Trade-off antara akurasi dan konvergensi waktu estimasi adalahtergantung pada penerapannya. Dalam kontrol dan perlindungan misalnya, di mana estimasiwaktu merupakan faktor dominan, beberapa margin error dapat diterima namun itu tidakselaras hasil akhir. Dalam aplikasi monitoring, akurasi adalah utamaperhatian. Karena kondisi sementara dan abnormal seperti distorsi harmonik dapat terjadi disistem listrik, gelombang tegangan dan arus tidak akan sinusoid murni. Dengan demikian,estimator frekuensi konvensional seperti algoritma zero crossing bisa menghasilkan besarkesalahan. Cepat dan akurat frekuensi estimator untuk sinyal terdistorsi dan waktu yang bervariasi tergantung konstan penelitian. Perlu digarisbawahi bahwa berbagai algoritma numerik untuk parameter listrikpengukuran dan estimasi sensitif terhadap variasi frekuensi, misalnya berdasarkan Estimasi Parameter Listrik 191 pada transformasi diskrit Fourier atau rata-rata teknik yang mengasumsikan bahwa frekuensi sistem dikenal di muka dan konstan (50 atau 60 Hz). Di Sebaliknya, algoritma estimasi frekuensi dapat menghasilkan hasil yang salah karena variasi amplitudo atau fase dari sinyal input. Dengan demikian, proses lebih lanjut harus dimasukkan dalam estimator untuk menghilangkan variasi palsu ini. Akhirnya, tantangan baru menjadi jelas karena proliferasi generasi tersebar dan didistribusikan sebagai beberapa metode estimasi untuk parameter listrik didasarkan pada kenyataan bahwa frekuensi dasar adalah hampir konstan; dalam sistem tenaga yang kecil variasi frekuensi lebih besar daripada di sistem tenaga konvensional yang besar. Dengan demikian, keberhasilan
10
operasional beberapa algoritmayang digunakan saat ini dalam perangkat elektronik cerdas mungkin memerlukan evaluasi hati-hati dalam konteks baru ini [8].
2.4. Estimasi Frekuensi Berbasis Zero Crossing Zero crossing adalah titik dimana tidak ada input tegangan atau fasa sama dengan nol. Pada sebuah gelombang sinus biasanya terjadi zero crossing sebanyak 2 kali dalam setiap siklusnya.
Gambar 2.1. Fasa dimana tidak ada tegangan input adalah zero crossing. Metode
zero
crossing
adalah
metode paling
umum
untuk mengetahui
frekuensi/periode suatu gelombang. Metode ini berfungsi untuk menentukan frekuensi suatu gelombang dengan cara mendeteksi banyaknya titik nol(zero point) pada suatu rentang waktu. Zero crossing berfungsi untuk mendeteksi
11
perpotongan gelombang sinus pada tegangan AC dengan titik nol tersebut, sehingga dapat memberikan sinyal acuan seperti saat dimulainya pemicuan triac. Dengan menggunakanzero crossing ini, maka dapat mendeteksi titik nol sekaligus mengubah suatu sinyal sinusoidal (sine wave) menjadi sinyal kotak (square wave). Perpotongan titik nol yang dideteksi adalah pada saat peralihan dari siklus positif menuju siklus negatif dan peralihan dari siklus negatif menuju siklus positif. Secara tradisional, frekuensi diperkirakan oleh waktu antara dua nol yang berurutan. Namun, metode ini relatif sensitif terhadap sinyal terdistorsi dan proses lebih lanjut harus dipertimbangkan dalam untuk meminimalkan efek dari gangguan kualitas daya harmonik, interharmonik dan lain-lain. Metode ini diperkenalkan pertama karena kesederhanaan dan fakta bahwa setelah beberapa modifikasi dapat menjadi alat yang sangat menarik dalam hal akurasi dan konvergensi waktu. Sebuah versi modifikasi dari estimasi frekuensi berdasarkan zero crossing, salah satu komputasi yang efisien dan sangat akurat untuk beberapa kelas sinyal terdistorsi disajikan. Motivasi lain untuk mempelajari zero crossing adalah bahwa ini adalah metode pilihan dalam IEC 61000-4-30 untuk memperkirakan frekuensi sistem tenaga.Langkah pertama adalah memperkirakan waktu antara dua atau beberapa zero crossing di arah yang sama. Zero crossing berarti bahwa sinyal berubah dari positif ke nilai negatif atau sebaliknya, seperti yang digambarkan dalam Gambar 2.2.
12
Gambar 2.2. Pendekatan zero crossing Dari gambar ini frekuensi dapat ditemukan dengan hanya mengambil
=
,
dimana Tscadalah waktu antara dua konsekutifzero crossing. Lebih tepatnya, Nzc zero crossing dapat diambil dalam arah yang sama dan frekuensidiperkirakan sebagai
=
, dimana Tmc adalah waktu antara Nzc zero crossing diarah yang
sama.Dalam kasus estimator frekuensi digital, di mana sampel dari sinyal yang diperoleh diwaktu sampling Ts, algoritma diperlukan untuk mengidentifikasi zero crossing dan waktudiantara mereka. Gambar 2.3 menunjukkan sebagian kecil dari sinyal sinusoidal frekuensi f1 dan beberapa sampelnya. [ − 1] dan
[ ]
adalah contoh nilai ketika sinyal berubah dari positif ke negatif. Indeks dari
sampel n-1 dan n, masing-masing. Na dan Nb adalahjarak pecahan (yaitu Na dan Nb <1) antara nol persimpangan dan sampel n-1 dansampel n, masing-masing diperkirakan dengan interpolasi linear seperti yang dijelaskan di bawah ini.
13
Gambar 2.3. Sampel dalam pendekatan zero crossing: interpolasi linear. Berikan jumlah sampel antara dua berturut-turut zero cross dalam arah yang sama menjadiN, maka frekuensi diperkirakan diberikan oleh: =
..........................................................................................................(2.2)
dimana Fs adalah contoh frekuensi. Dengan menggunakan metode ini, akurasi estimasi adalah fungsi dari frekuensi sampling.Semakin tinggi frekuensi sampling, yang lebih baik adalah estimasi nya. Nilai sampling frekuensi dibatasi oleh biaya perangkat keras atau hardware dan prosedur lainnya, sehingga samplingfrekuensi tidak dapat ditingkatkan secara sewenang-wenang. Kesalahan juga dapat dikurangi ketika algoritma menggunakan beberapa zero crossing berturut-turut. Seperti contoh ditemukan dalam IEC 61000-4-30,di mana frekuensi dihitung dengan menggunakan jumlah nol penyeberangan memperhitungkaninterval waktu 10 s dibagi dengan durasi kumulatif dari siklus integer. Dalam kasussistem 60 Hz,
14
jumlah nol penyeberangan akan 600 jika frekuensi yang sebenarnya adalah 60 Hz. Oleh karena itu durasi kumulatif adalah 10 s. Jika frekuensi tidak sama dengan 60 Hz maka,jumlah siklus terpisahkan akan Nzc dan waktu durasi kumulatif akan Tmckemudianfrekuensi sistem dihitung sebagai: =
...............................................................................................................(2.3)
Ada beberapa strategi untuk komputasi Tmc. Yang paling mudah adalah dengan mengalikan totaljumlah sampel sampai nol persimpangan terakhir (zero crossing counter berhenti di 10 sfinish Interval) dengan periode sampling. Sebagai contoh, jika indeks sampel dari nol pertamapersimpangan adalah N1 dan indeks sampel dari nol persimpangan terakhir adalah N2, maka durasi kumulatifwaktu dapat didekati: =(
−
) .............................................................................................(2.4)
Tentu saja, nilai Tmc lagi tergantung pada waktu sampling. Namun, akurasi dari 10 MHz yang diperlukan oleh standar IEC tidak dapat dicapai dengan menggunakan pendekatan ini. Namun, akurasi dapat ditingkatkan jika interpolasi linear digunakan antara sampel n-1 dan n di Gambar 2.3. Dalam situasi ini, menganggap bahwa Na dan Nb terkait sebagai berikut: +
= 1.......................................................................................................(2.5)
Kemudian, dengan menggunakan hubungan geometri dasar, [
]
=−
[ ]
..................................................................................................(2.6)
Kemudian subtitusikan persamaan (2.5) dan (2.6)
15
= =
[
[
[ ]
]
] [ ] [
[ ]
...............................................................................................(2.7)
...............................................................................................(2.8)
]
Menggunakan interpolasi linear untuk menemukan sebuah pendekatan untuk saat yang tepat bahwa sinyal melintasi nol untuk kedua pertama dan nol persimpangan lalu, Na1 dan Na2 ditemukan, masing-masing menurut persamaan (2.7). Memasukkan nilai-nilai ini ke dalam persamaan (2.4), sebuah estimasi yang lebih baik adalah =(
+
−
−
) ........................................................................(2.9)
Akhirnya, estimasi frekuensi diberikan persamaan (2.3).
2.5. Estimasi Frekuensi Jangka Pendek Berbasis Zero Crossing Dalam aplikasi di mana frekuensi perlu diperkirakan secepat mungkin, metode zero crossing masih bisa digunakan meskipun akan diperlukan untuk pra-filter sinyal input menggunakan filter low-pass untuk mengurangi pengaruh harmonik dan interharmonik. Meskipun standar IEC menggunakan estimator jangka pendek, hal itu juga memerlukan penggunaan pra-penyaringan untuk menipiskan pengaruh komponen yang tidak diinginkan. Kandidat pertama yang akan digunakan untuk mencapai tugas ini adalah filter kosinus. Filter FIR ini mampu menghilangkan harmonik komponen dan melemahkan high-order interharmonics. Pada bagian ini, beberapa keuntungan dari metode ini untuk estimasi jangka pendek dieksplorasi. Sinyal input disaring menggunakan filter kosinus FIR dengan respon
16
impuls hc[n], di mana sinyal output filter menjadi sinyal input untuk estimator frekuensi [3]. Frekuensi estimator menemukan waktu antara dua berturut-turut nol penyeberangan ke arah yang sama, Tsc, menggunakan interpolasi metode yang dijelaskan di bagian sub bab sebelumnya.
Gambar 2.4. Estimasi frekuensi jangka pendek berdasarkan penyaringan dan metode zero crossing. Estimasi frekuensi kemudian diberikan oleh =
..............................................................................................................(2.10)
Dimana : = frekuensi = periode
2.6. Moving Average Filter (MAF)
Moving Average filter (MA) bekerja dengan cara mereratakan sejumlah titik tertentu dari isyarat input untuk menghasilkan tiap titik dari isyarat output. MA dirumuskan dengan ( )=
∑
( + ) ...................................................................................(2.11)
17
MA merupakan jenis filter yang sederhana dan berguna untuk menapis derau acak yang terdapat pada isyarat asli. Misalkan x(t) menunjukkan input sedangkan y(t) menunjukkan output sedangkan M merupakan panjang dari MA. Lalu kita buat dua versidari pengoperasian MA, yakni: -
One Side Averaging (Mererata pada Suatu Sisi) Agar lebih mudah memahami, kita pelajari contoh berikut saja dengan M=5: (3) =
( )
( )
( )
( )
( )
............................................................(2.12)
Sehingga penjumlahan dimulai dari j=0 sampai M-1.
-
Symmetrical Averaging (Mererata secara Simetris) Begitu juga untuk bagian ini kita pelajari contoh berikut dengan M=5: (3) =
( )
( )
( )
( )
( )
............................................................(2.13)
Pada bagian ini, rentang penjumlahan diubah menjadi−
(
)
dan
.
Jika diperhatikan bahwasanya MA ini merupakan konvolusi antara isyarat input dengan sebuah kernel filter berbentuk pulsa kotak dengan amplitudo satu. Sementara pengali skalar 1/M dikeluarkan saja karena hanya sebuah skalar. Biasanya symmetrical averaging lebih sering digunakan dibanding yang lain. Bila menggunakan jenis ini perlu diingat bahwa nilai M harus ganjil.Sebelumnya telah diutarakan bahwa MA bagus untuk menapis derau acak yang hadir pada isyarat masukan. Memang masih banyak jenis filter lain yangbisa digunakan untuk tujuan yang sama, tapi bila ditinjau dari kesederhanaan maka pilihan terjatuh pada MA.
18
Jenis filter lain mengusung kompleksitas sehingga jumlah komputasi bersifat linier yang artinya semakin banyak. Semua tergantung pada seorang disainer filter apakah cukup dengan menggunakan MA atau perlu jenis filter yang lebih mumpuni. Tentu pertimbangannya bukan hanya terkait dengan jumlah komputasi saja.Filter MA dikatakan cocok untuk derau acak karena ketika sebuah isyarat dikenai atau mengandung derau acak maka setiap titik pada isyarat menjadi derau bila dibandingkan dengan titik-titik tetangganya. Oleh karena itu kita perlu menggunakan filter yang bisa mengolah titik bukan hanya per-titik saja melainkan bersama-sama dengan tetangganya. Sehingga semua titik akan diperlakukan sama oleh filter tersebut. Dengan demikian kita mendapatkan hasil yang dapat dipercaya.
Seperti dapat diamati dari estimator frekuensi sensitif terhadap variasi sag. Variasi seperti yang ditunjukkan dalam plot dapat disebabkan oleh variasi fase yang umum selama terjadinya sag. Keakuratan algoritma dapat ditingkatkan dengan menggunakan MAF (moving average filter) dari periode M. MAF menghaluskan sinyal input dan menghilangkan perubahan mendadak dalam plot. Hal ini menggambarkan menunjukkan karakteristik penting bahwa setiap estimator frekuensi arus memiliki: kemampuan untuk melacak perubahan frekuensi. Perubahan step, ramp dan sinusoidal biasanya digunakan untuk menguji kemampuan pelacakan dari estimator.
19
2.7. Interpolasi Interpolasi merupakan suatu pendekatan numerik yang perlu dilakukan, bila kita memerlukan nilai suatu fungsi y = y (x) yang tidak diketahui perumusannya secara tepat, Pada nilai argumen x tertentu, bila nilainya pada argumen lain di sekitar argumen yang diinginkan diketahui. Jenis-jenis interpolasi ada tiga yaitu Interpolasi Linear, Interpolasi Kuadratik, dan Interpolasi Polinomial.
-
Interpolasi Linier Adalahmenentukan titik-titik antara 2 buah titik dengan menggunakan pendekatan fungsi garis lurus.
Gambar 2.5. Contoh interpolasi linier
20
-
Interpolasi Kuadratik Interpolasi kuadratik menentukan titik-titik antara 3 buah titik dengan menggunakan pendekatan fungsi kuadrat 3 titik yang diketahui: P1(x1,y1), P2(x2,y2) danP3(x3,y3).
Gambar 2.6. Contoh interpolasi kuadratik
-
Interpolasi Polinomial Interpolasi polinomial menentukan titik-titik antara N buah titik dengan menggunakan pendekatan fungsi polynomial pangkat N-1Titik-titik yang diketahui: P1(x1,y1), P2(x2,y2), P3(x3,y3)…PN(xN,yN).
21
Gambar 2.7. Contoh interpolasi polinomial
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat
1. Waktu Penelitian Penulis melakukan kegiatan penelitian tugas akhir ini dilakukan dari bulan Oktober 2015 – Agustus 2016.
2. Tempat Penelitian Penelitian ini akan dilakukan pada: -
Laboratorium Sistem Tenaga, Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Lampung
3.2. Alat dan Bahan
1. Bahan Penelitian Pada penelitian ini bahan-bahan yang digunakan antara lain:
23
-
Data frekuensi listrik PT. PLN (Persero) Distribusi Lampung
2. Alat Penelitian Pada penelitian ini peralatan yang digunakan antara lain: -
Seperangkat komputer Intel Core I3 2,1 GHz
-
Software Matlab
3.3. Metode Penelitian Dalam penyelesaian penelitian tugas akhir ini ada beberapa langkah kegiatan yang dilakukan sebagai berikut: 1. Mengidentifikasi Masalah Di tahap ini penulis mengidentifikasi permasalahan yaitu belum adanya analisis untuk mengestimasi frekuensi jangka pendek berbasis zero crossing, maka dalam penelitian ini akan dibuat analisisnya. 2. Studi Literatur Ini merupakan tahapan di mana penulis mengumpulkan dan mempelajari tentang estimasi frekuensi. Studi literatur dimaksudkan untuk mempelajari berbagai sumber referensi atau teori (buku dan internet) yang berkaitan dengan penelitian tugas akhir sebagai dasar dalam mengerjakan tugas akhir ini. 3. Studi Bimbingan Berbentuk tanya jawab dan bimbingan dengan dosen pembimbing mengenai masalah-masalah yang timbul selama pengerjaan serta penulisan penelitian tugas akhir berlangsung.
24
4. Pengumpulan Data Langkah selanjutnya yang dilakukan penulis adalah mengumpulkan data – data yang diperlukan dalam penulisan tugas akhir ini. Data – data yang dikumpulkan berasal dari PT PLN (Persero). Penelitian tahap berikutnya berlanjut ke proses simulasi dan analisis. Data – data yang telah terkumpul sebelumnya dilakukan untuk mengetahui estimasi frekuensi. 5. Analisa Langkah berikut adalah tahapan terakhir dalam tugas akhir ini. Dari hasil simulasi akan didapatkan hasil estimasi frekuensi lalu menganalisa hasil simulasi yang telah dilakukan.
25
3.4. Diagram Alir Penelitian Berikut merupakan diagram alir dari penelitian tugas akhir yang penulis lakukan:
Gambar 3.1. Gambar diagram alir penelitian
26
3.5. Diagram Alir Program Berikut merupakan diagram alir dari penelitian tugas akhir yang penulis lakukan:
Gambar 3.2. Gambar diagram alir program
BAB V SIMPULAN DAN SARAN
5.1.Simpulan
Berdasarkan hasil simulasi dan pembahasan yang dapat diambil setelah penulis selesai melaksanakan tugas akhirdapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1.
Estimator frekuensi berbasis zero crossing dapat mengestimasi nilai frekuensi jangka pendek.
2.
Estimator frekuensi berbasis zero crossing dapat mendeteksi gangguan jangka pendek yang terjadi dengan melihat perubahan kesalahan nilai estimasi yang melebihi standar.
3.
Pemfilteran dan interpolasi membuat sinyal gelombang menjadi lebih halus dan mengurangi distorsi yang terjadi sehingga estimasi lebih mudah untuk dilakukan.
4.
Jumlah sampel data per siklus memegang peranan penting dalam estimasi frekuensi jangka pendek dengan estimator frekuensi berbasis zero crossing.
5.
Nilai orde filter MAF (moving average filter) mempengaruhi lama dan hasil akhir estimasi nilai frekuensi.
46
5.2. Saran
Berdasarkan hasil simulasi, pembahasan dan kesimpulan yang telah dilakukan, maka untuk pengembangan yaitu perlunya tambahan rumusan atau metode lain di dalam estimasi frekuensi jangka pendek sehingga diperoleh hasil estimasi yang relatif lebih akurat.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Allen J.W. dan Bruce F.W. 1996. Power Generation, Operation and Control. John Wiley & Sons Inc, America.
[2]
Arismunandar, A. Kuwahara,S. 1973. Teknik Tenaga Listrik. Jakarta.
[3]
Duric, M.B. and Durisic, Z.R. 2005. Frequency measurement in power network in the presence of harmonics using fourier and zero crossing technique. In Proceedings of Power Tech, St Petersburg, Russia. IEEE, 1–6.
[4]
Glover, J.D. dan Sarma, M., Power System Analysis and Design, 2nd edition, PWS Publishing Co., Boston, 1994.
[5]
Gonen T., "Electric Power Transmission System Engineering, Analysis and Design", John Wiley Sons, New York, USA, pp. 172-184, 1988.
[6]
Grainger, J.J., Stevenson, W.D. 1994. Power System Analysis. Mc GrawHill. New York.
[7]
Kay, S.M. 1993. Fundamentals of Statistical Signal Processing, Estimation Theory, Prentice Hall, London.
[8]
Kusljevic, M.D., Tomic, J.J. and Jovanovic, L.D. 2010 Frequency estimation
of
three-phase
power
system
using
weighted-least-
square algorithm and adaptive FIR filtering. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements, 59(2), 322–329. [9]
Kusljevic, M.D. 2004. A simple recursive algorithm for frequency estimation.
IEEE
Transactions
on
Instrumentation
and
Measurements, 53(2), 335–340. [10] Marsudi, Djiteng. 2006. Operasi Sistem Tenaga Listrik. Graha Ilmu. Yogyakarta. [11] Saadat, Hadi. 1999. Power System Analysis 2nd Edition. McGrow Hill. Ch.1. [12] Stevenson, W.D. 1975. Elements of Power System Analysis Third Edition. McGraw-Hill. NewYork. [13] Weedy, B.M., et al. 2012. Electric Power System Fifth Edition. John Wiley & Sons Ltd. West Sussex.
