PROSIDING
SNETE 2012 SEMINAR NASIONAL DAN EKSPO TEKNIK ELEKTRO 2012
ISSN: 2088-9984
14 NOVEMBER 2012 SANTIKA DYANDRA HOTEL & CONVENTION MEDAN Editor: Dr. Ir. Rizal Munadi M.M.,M.T.
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SYIAH KUALA
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2012
ISSN : 2088-9984
Analisis Aliran Daya Sistem Tenaga Listrik Berbasis Geographic Information System Syukriyadin1) Mansur Gapy2) Walidin3) 1,2,3)
. Teknik Energi Listrik Universitas Syiah Kuala Jln. Syech A. Rauf No.7 Darussalam – Banda Aceh 23111 1)
.
[email protected] tersebut diwujudkan melalui pemberdayaan TI (Teknologi Informasi), dimana GIS memainkan peranan penting. Aplikasi GIS yang terintegrasi dengan modul Analisis Jaringan dapat membantu dalam berbagai hal perhitungan seperti kerugian teknis, analisis aliran daya, audit energi, optimasi jaringan dan aplikasi hasil peramalan [3]. Dalam paper ini akan dibahas analisis aliran daya listrik berbasis GIS menggunakan perangkat lunak ArcGIS-ETAP dimana jaringan listrik dipetakan dengan menggunakan perangkat lunak ESRI Arc GIS kemudian dilakukan transfer data melalui interface data exchange untuk dilakukan eksekusi analisis aliran daya pada perangkat lunak ETAP dan hasil simulasi analisis tersebut dapat divisualisasikan dalam bentuk GIS.
ABSTRAK Paper ini bertujuan membahas analisis aliran daya listrik berbasis Geographic Information System. Pemetaan jaringan sistem tenaga listrik yang terdiri dari jaringan transmisi dan distribusi dapat di dilakukan dengan Geographical Information System (GIS). Geographic Information System (GIS) adalah sistem informasi khusus yang mengelola data yang memiliki informasi spasial (bereferensi keruangan). Metode simulasi yang digunakan adalah dengan memetakan jaringan listrik menggunakan perangkat lunak ESRI ArcGIS kemudian dilakukan transfer data melalui interface data exchange untuk dilakukan eksekusi analisis aliran daya pada perangkat lunak ETAP. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa hasil simulasi analisis aliran daya dapat ditunjukkan dan divisualisasikan dalam format GIS.
2. Geographical Information System (GIS)
Kata Kunci: Aliran Daya, Sistem Tenaga Listrik, GIS,
2.1 Konsep Dasar GIS
ETAP.
Pusat Informasi Geografis dan Analisis Nasional (NcGIA) yang berkedudukan di California-USA mendefinisikan bahwa GIS adalah sistem manajemen database terkomputerisasi yang dapat menyimpan, mengambil, menganalisa dan menunjukkan data yang berorientasi ruang berbasiskan koordinat geografis [6]. Dan secara pemahan umum bahwa GIS adalah gabungan interdisiplin ilmu dan teknologi yang terletak antara ilmu informasi, ilmu ruang dan geosain yang menyatukan pengolahan data ruang dan teknologi komputer melalui pembentukan sistem, operasi dan analisis model, dan akan menghasilkan informasi yang berguna untuk sumber daya lingkungan, perencanaan wilayah, manajemen pengambilan keputusan dan pencegahan bencana dan sistem pengendalian lainnya [4,5]. Dari akronim GIS dapat dijelaskan berdasarkan gambar seperti yang ditunjukkan pada gambar.1 [6].
1. Pendahuluan Geographic Information System (GIS) adalah sistem informasi khusus yang mengelola data yang memiliki informasi spasial (bereferensi keruangan). Dalam arti yang lebih sempit, adalah sistem komputer yang memiliki kemampuan untuk membangun, menyimpan, mengelola, menganalisa dan menampilkan informasi bereferensi geografis [1]. Aplikasi GIS sangat membantu dalam memvisualisasikan dan menganalisa informasi untuk berbagai keperluan dan kebutuhan, untuk itu lembaga riset group Electrical Power System Lab EPSL telah mengembangkan aplikasi perangkat lunak GIS untuk memvisualisasikan kondisi operasional sistem tenaga listrik [2]. Dalam era modern ini, kebutuhan untuk manajemen aset sistem tenaga listrik yang efektif telah menjadi penting untuk perusahaan penyedia jasa energi listrik [3]. Audit energi listrik dan analisis aliran daya adalah dua tujuan penting dari reformasi yang berlangsung di sebagian besar negara pada sistem distribusi listrik mereka. Hal ini sejalan dengan persyaratan pengurangan kerugian ATC (Available Transfer Capability) dan audit energi secara total. Reformasi yang dipertimbangkan
Gambar. 1 Geograpical Information System
A-96
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2012
ISSN : 2088-9984
G: Geografis menunjukkan bahwa kita sedang berbicara tentang data real spasial dunia dengan mempertimbangkan kualitas dan kuantitas yang didistribusikan secara spasial yang memiliki koordinat geografis. I: Informasi mengidentikasikan bahwa kita memiliki beberapa data (pengukuran) dalam kontek makna sistem sehingga dari informasi ini akan menumbuhkan pengetahuan. Setidaknya satu elemen informasi harus dihubungkan dengan G, yaitu harus ada beberapa informasi geografis (misal, peta koordinat). Informasi lain berkaitan dengan atribut (misal, nama atau label) atau topologi (misal tentang pemahaman lingkungan lokal). S: System menyiratkan bahwa kita terhubung secara terpisah dengan entitas dunia luar yang dihubungkan melalui suatu link. Entitas ini dapat berupa perangkat keras/lunak komputer, data dan pengguna. Dan ketika entitas ini digabungkan atau terkait maka mereka membentuk suatu sistem interaksi dan saling ketergantungan.
c.
d.
e.
memiliki jumlah rekaman yang disimpan dalam GIS. Keterkaitan dengan sistem mainframe memungkin akses langsung ke informasi spesifik seperti catatan pemeliharaan, rating dan pembebanan. Informasi seperti tegangan, konstruksi jaringan overhead atau bawah tanah, dan rekaman karakteristik database sirkit dalam periode singkat atau berkelanjutan. Informasi pelanggan yang terekam seperti, nama, alamat dan klas pelanggan. Informasi ini dimuat secara masal kedalam GIS sejak pelanggan teregistrasi dalam sistem. Informasi koneksi jaringan dan node/bus sistem.
B. Pemodelan Geoskematik. Model geoskematik merepresentasikan data spasial yang dibutuhkan oleh SIG. Hal ini ditampilkan melalui sebuah survei peta dasar darat seperti yang ditunjukkan pada gambar.3.
2.2 Pemodelan Sistem Tenaga Listrik dalam GIS Dalam referensi [7] dijelaskan bahwa pemodelan sistem tenaga listrik dalam GIS dibagi atas dua model berdasarkan rating tegangan sistem yang digunakan yaitu untuk rating tegangan sistem antara 6,6 kV dan 132 kV menggunan model skematik dan geoshematic, sementara pemodelan untuk rating 240 – 415 Volt hanya menggunakan pemodelan geoschematic.
A. Pemodelan Skematik Dalam model ini disediakan diagram jaringan sistem tenaga listrik seperti yang diilustrasikan pada gambar.2. Gambar.3 Model Geoskematik
Representasi model ini terkait dengan database. Informasi grafis gardu terkait dengan data yang sama yang tersimpan dalam database. Konduktor jaringan terkait dengan suatu skema hubungan parent-and-clhild yang menyediakan informasi impedansi dan data rating sirkuit. Konduktor yang membentuk sirkuit dievaluasi untuk memastikan sisi terlemah dalam sirkuit.
2.3 Analisis Aliran Daya Empat permasalahan yang dihadapi oleh insinyur listrik, yaitu; Gambar.2 Model Skematik
1. Model skematik ini merupakan sumber informasi utama dalam Sistem Informasi Geografis (SIG) yang memberikan: a. Informasi jumlah dan identitas gardu beserta
Magnitudo tegangan sistem dan frekuensi sistem harus dijaga dalam range limitnya.
2.
Bentuk gelombang arus dan tegangan AC haruslah sinusoidal.
Plant Records Maintenance System (PRMS) gardu tersebut.
3.
Informasi Switchgear yang terkait dengan catatan database yang dihasilkan sesuai dengan rulebase. Setiap bagian dalam jaringan
Saluran transmisi harus dioperasikan dalam limit thermal dan stabilitas.
4.
Kemungkinan kecil.
b.
A-97
gangguan yang terjadi haruslah
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2012
ISSN : 2088-9984
Masalah aliran daya diselesaikan dengan menentukan tegangan komplek steady-state pada seluruh bus jaringan, dengan menghitung besarnya aliran daya aktif dan reaktif pada setiap saluran transmisi dan transformator. Dikarenakan persamaan aliran daya merupakan persamaan nonlinier, maka solusi numeriknya dilakukan dengan iterasi. Operasi steady-state suatu sistem dipengaruhi oleh kondisi pembebanan, aliran daya aktif dan reaktif jaringan, serta magnitudo tegangan dan sudut fasa seluruh bus jaringan [8]. Didalam teori aliran daya terdapat empat variabel yaitu; daya aktif jaringan P, daya reaktif jaringan Q, magnitudo tegangan V, dan sudut fasa tegangan . Magnitudo tegangan dan sudut fasa tegangan disebut variabel tetap, sedangkan daya aktif dan reaktif disebut variabel kontrol. Bus-bus diklasifikasikan kepada empat variabel tersebut yaitu [8,9]:
Aliran daya pada sistem tenaga dapat direpresentasikan seperti dalam gambar.5
Gambar.5 Keseimbangan daya pada bus ke-k (a) Daya aktif, dan (b) Daya Reaktif
Persamaan mismatch daya pada bus k dapat dituliskan sebagai berikut [10]: Pk PGk PLk Pk cal Pk sch Pk cal 0
……. (3)
Qk QGk QLk Qk
…….
cal
Qk
sch
Qk
cal
0
(4)
Dimana:
1. Slack/Swing bus Suatu bus yang diambil sebagai referensi dimana magnitude dan sudut phase tegangan bus diketahui. Bus ini bekerja secara berbeda antara penjadwalan pembebanan dan pembangkitan akibat adanya losses dalam jaring. 2. Regulated buses Bus ini adalah generator bus dikenal juga sebagai voltage-controlled busses. Pada bus ini daya aktif P dan magnitude tegangan V diketahui. Sudut phasa dan daya reaktif Q dihitung. Batasan kemampuan daya reaktif pada bus ini ditentukan. Bus ini disebut juga sebagai P-V bus. 3. Load bus Pada bus ini daya aktif dan reaktif Q diketahui. Magnitude dan sudut phasa tegangan bus dihitung. Bus ini disebut juga sebagai P-Q bus.
Pk cal V 2k Gkk VkVm GkmCos( k m ) BkmSin( k m )
… Qk
cal
(5)
V 2k Bkk VkVm GkmSin( k m ) BkmCos( k m )
….
(6)
∆Pk, ∆Qk =mismatch daya aktif dan reaktif pada bus k PGk, QGk =daya aktif dan reaktif yang diinjeksikan oleh generator pada bus k PLk, QLk =daya aktif dan reaktif beban pada bus k Pkcal, Qkcal =daya aktif dan reaktif yang ditransmisikan Dengan menggunakan metode penyelesaian aliran daya seperti yang dijelaskan dalam referensi [8,9,10] persamaan (5) dan (6) dapat dapat dilinierisasikan dan diselesaikan dalam bentuk matrik sebagai berikut:
Suatu saluran jaringan antar bus dapat direpresentasikan seperti gambar.4 [10].
P J1 Q J 3
J 2 J 4 | V
|
...............
(7)
Dimana:
J1:
Gambar.4 Saluran antar dua bus [10]
Pada gambar.4 diperlihatkan suatu saluran dengan dua bus (bus k dan bus m), dimodelkan dalam bentuk persamaan (1).
I k Ykk I Y m mk
Ykm Ek Ymm Em
J2: .................. (1)
Dimana:
Ybus Ybus Zbus I E
1 Zbus
J3: …………….......... (2)
= admintansi saluran (Ω) = impedansi saluran (Ω) = arus (Amper) = tegangan bus (volt) A-98
N Pi Vi yi , j V j Sin ( i j i , j ) i j 1, j i
Pi Vk yi ,k Vk Sin ( i k i ,k ), k i k N Pi yi , j V j Cos ( i j i , j ) 2 Vi Vi j 1, j i
Pi Vi yi ,k Vk Cos ( i k i ,k ), k i Vk N Qi Vi yi , j V j Cos ( i j i , j ) i j 1, j i
Qi Vk yi ,k Vk Cos ( i k i ,k ), k i k
yi, j Cos ( j )
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2012
J4:
N Qi yi , j V j Sin ( i j i , j ) 2 Vi Vi j 1, j i
ISSN : 2088-9984 dimana fitur link GIS satu baris dengan elemen dalam ETAP. Dalam perangkat lunak ETAP memungkinkan hubungan langsung antara atribut fitur GIS dan properti obyek. Sebagai contoh, sebuah feeder dalam Peta GIS dapat dihubungkan dengan kabel didalam ETAP [13]. Dengan link ini, pengguna dapat dengan mudah mentransfer data peralatan seperti name plate peralatan dan informasi topologi jaringan.
yi,i Sin ( i,i )
Qi Vi yi ,k Vk Sin ( i k i ,k ), k i Vk
2.4 Perangkat Lunak GIS - ETAP GIS menyediakan cara untuk mewakili informasi dalam jumlah besar secara langsung pada peta geografis yang memungkinkan kita untuk melihat, memahami, mempertanyakan, menafsirkan, dan memvisualisasikan data informasi dengan cara yang tidak mungkin dalam baris dan kolom seperti dalam perangkat lunak spreadsheet. Dengan demikian peta GIS yang terperinci dan berlapis (layer) menyediakan bentuk visualisasi data untuk pengambilan keputusan yang lebih baik [11,12,13]. Menyadari bahwa banyak sistem transmisi dan distribusi menggunakan GIS untuk menampilkan konektivitas jaringan listrik serta informasi aset utilitas yang digunakan maka perangkat lunak ESRI ArcGIS seperti yang ditunjukkan pada gambar.6 adalah alat yang paling fleksibel dan populer yang tersedia untuk memvisualisasikan data menggunakan GIS.
Gambar.7 Perangkat Lunak ETAP [13]
Selain itu, informasi yang tidak tersedia pada peta GIS dilengkapi dengan data perpustakaan (library) dan nilai-nilai khas dari ETAP.
Gambar.6 Perangkat Lunak ESRI ArcGIS [11,12]
Meskipun data yang disimpan dalam sistem GIS dapat diperiksa seara visual dengan mudah, para insinyur listrik tidaklah dapat menggunakannya secara langsung untuk studi sistem ketanagalistrikan, hal ini disebabkan karena modul perangkat lunak GIS tersebut tidak memiliki kemampuan analisis sistem ketenagalistrikan [13]. Perangkat lunak ETAP seperti yang ditunjukkan pada gambar.7 dapat mengenali modul data GIS melalui pertukaran data transfer dengan ArcGIS seperti yang ditunjukkan pada gambar 8. Modul perangkat lunak ETAP ini dapat digunakan untuk melengkapi peta geografis dengan representasi bergambar seperti arus, daya listrik dan profil tegangan. Sebagai hasil dari antarmuka (interface) antara ETAP dan ArcGIS, peta GIS dapat dilihat dalam ETAP untuk memfasilitasi referensi data dan untuk menghindari penyimpanan data yang berlebihan. Proses pertukaran data termasuk membuat tabel pemetaan antara peta GIS dan ETAP. Tabel pemetaan ini, juga disebut data peta, yang didefinisikan oleh pengguna (user) dan dibuat dengan bantuan alat pemetaan ArcGIS
Gambar.8 Proses Transfer Data Antara GIS-ETAP [13]
Hasil analisis ETAP (yaitu, seperti: arus listrik, tegangan jatuh, rugi-rugi daya, arus hubung singkat) dapat dipindahkan ke peta GIS dan dapat dilihat dalam peta itu sendiri. Peta GIS yang terbentuk divisualisasikan dengan kode warna yang menunjukkan daerah dengan parameter diluar batas yang dizinkan seperti over/under - voltage, dan kondisi overload.
3. Metodelogi Penelitian Penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan yaitu: 1. Studi literatur terkait dengan pengetahuan GIS dan analisis aliran daya sistem ketanagalistrikan. 2. Menginstal dan mengkonfigurasikan perangkat lunak ESRI ArcGIS dan ETAP dalam perangkat hardware komputer A-99
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2012 3.
4.
5.
ISSN : 2088-9984
Mendesain model sistem ketenagalistrikan berbasis GIS menggunakan perangkat lunak ArcGIS, dalam penelitian ini model GIS yang digunakan adalah file example milik ETAP. Memanggil file GIS hasil desain dari perangkat lunak ArcGIS melalui interface data exchange ETAP. Mengeksekusi file GIS yang terpanggil dalam ETAP untuk dilakukan simulasi aliran daya.
layer utilitas kelistrikan seperti: generator, transformator, bus-bar, CB, switch, fuse, overhead dan underground cable, sistem phasa jaringan dan layer struktur bangunan seperti: bangunan gedung, jalan, gardu, kolam, bidang tanah dan tiang listrik.
4. Hasil Dan Pembahasan A. Model Sistem Tenaga Dalam GIS Model sample geoschematic GIS yang digunakan dalam penelitian ini adalah ETAP_example.mxd. Melalui perangkat lunak ArGIS, file yang bernama ETAP_example.mxd dieksekusi sehingga dapat dilihat dalam preview ArGIS seperti yang ditunjukkan pada gambar 9. Gambar.11 Layer Data Base Utilitas Kelistrikan
Gambar.9 Preview Sistem Tenaga Dalam Perangkat Lunak ArcGIS Gambar.12 Layer Data Base Struktur Bangunan
Titik koordinat geografis sistem dalam model penelitian ini ditentukan berdasarkan Geographic Coordinat System: GCS_North_American_1983 datum: D_ North_American_1983 seperti yang ditunjukkan pada gambar 10.
B. Aktifasi GIS dalam ETAP Analisis yang berhubungan dengan sistem ketenaga listrikan pada model sistem tenaga yang berbasis titik ruang kebumian (georeference) yang dibuat dalam perangkat lunak ArcGIS belum dapat dilakukan, hal ini disebabkan karena perangkat lunak ArcGIS tidak mendukung kemampuan analisis tersebut. Untuk itu dapat dilakukan aktifasi GIS dalam perangkat lunak ETAP melalui interface GIS button yang terdapat dalam perangkat lunak ETAP seperti yang ditunjukkan pada gambar 13.
Gambar.10 Setting Koordinat Geografis Sistem
Adapun attribut layer data yang digunakan pada model penelitian ini seperti yang ditunjukkan pada gambar.11 dan gambar.12 adalah terdiri dari bagian
Gambar.13 GIS Button Dalam Perangkat Lunak ETAP
A-100
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2012
ISSN : 2088-9984
Model GIS yang diaktifkan dalam perangkat lunak ETAP dapat ditunjukkan seperti pada gambar 14.
(ETAP_example.mxd) perangkat lunak ETAP.
disinkronisasikan
dengan
Gambar.14 Model GIS Sistem Tenaga Listrik Dalam Perangkat Lunak ETAP
C. Transfer Data GIS – ETAP Untuk melakan analisis aliran daya pada model sistem tenaga yang berbasis titik ruang kebumian (georeference) seperti yang ditunjukkan pada gambar 14 maka dilakukan tahap selanjutnya adalah mentransfer data GIS kedalam ETAP melalui proses exchange data interface. Gambar.17 Model Skematik Sistem Tenaga Hasil Transfer GIS-ETAP
D. Analisis Aliran Daya Berbasis Titik ruang Kebumian Berdasarkan hasil transfer data layer GIS – ETAP seperti yang ditunjukkan pada gambar.17 maka hasil analisis aliran daya dalam model skematik dapat ditunjukkan seperti pada gambar.18.
Gambar.15 Transfer Data Exchange GIS-ETAP
Proses transfer data exchange tersebut bertujuan untuk mendapatkan model skematik sistem tenaga seperti yang ditunjukkan pada gambar 17.
Gambar 16 Proses Transfer Data GIS-ETAP
Dalam proses transfer data GIS-ETAP seperti yang ditunjukkan pada gambar.16, data ekternal yaitu data layer sistem tenaga yang berbasis titik ruang kebumian GIS yang berasal dari perangkat lunak ArcGIS A-101
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2012
ISSN : 2088-9984
Gambar.18 Analisis Aliran Daya dalam model Skematik
Dari hasil analisis aliran daya model skematik seperti yang ditunjukkan pada gambar.18 dapat dilakukan transfer data exchange analisi aliran daya kedalam model geoskematik sistem tenaga yang berbasis georeference dalam suatu database seperti yang ditunjukkan pada gambar 19 dan gambar 20.
REFERENSI [1]
Dadang Lukman Hakim, Gigin Ginanjar, Sistem manajemen Listrik Berbasis (GIS) Geographic Information System, Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang. Hal. J88-J94.
[2]
J. Syllignakis, C. Adamakis, T.M. Papazoglou, A GIS Web – Application for Power System of Crete, UPEC 2007. Pp 414-418.
[3]
ESRI, Enterprise GIS and the Smart Electric Grid, An ESRI white paper, January 2009.
[4]
Wang Chao, Wang Qiang, et-al, Applications of GIS to Power Distribution Dispatching and Analysis of Technical Questions, ICED 2010
[5]
Raihan Islamadina, Nasaruddin, Aplikasi Web Sistem Informasi Geografis Untuk Multi Resiko Bencana Aceh, Jurnal Rekayasa Elektrika, Vol. 10, No.1, hal:25-31, April 2012
Gambar.19 Analisis Aliran Daya Berbasis GIS Tanpa Layer Struktur Bangunan
Dari hasil analisis aliran daya berbasis GIS seperti yang ditunjukkan pada gambar.19 maka informasi geografis lainya yang berbasis titik ruang kebumian dapat juga ditampilkan seperti yang ditunjukkan pada gambar 20.
[6] Julie Delaney, Kimberly V. Neil, Geographical Information System: An introduction, Second Edition. Oxford [7] Paul Fleeman, GIS Based Modeling of Electricity Networks, CIRED, Conference Publication No. 438, June 1997 [8] Hadi Saadat, Power System Analysis, McGraw-Hill International Editions, Milwaukee, 1999. [9] J. D Glover, M. S Sarma, T.J Overbye, Power System Analysis, Thomson Corporation:4th Edition, 2008 [10] Enrique Acha, et-al., FACTS: Modelling and Simulation in Power Network. New York: John Willey & Sons, 2004
Gambar.20 Analisis Aliran Daya Berbasis GIS
5. Kesimpulan
[11] GIS Konsorsium Aceh-Nias, Modul Pelatihan ArcGIS Tingkat Dasar, Pemerintah Kota Banda Aceh, 2007.
Dari hasil uji simulasi dapat diambil kesimpulan bahwa analisis aliran daya berbasis GIS dapat dilakukan melalui perangkat lunak ESRI ArcGIS-ETAP. Hasil analisis aliran daya dalam model skematik tidak menyediakan informasi utilitas kelistrikan berbasis titik ruang kebumian. Tidak ada perbedaan hasil numerik analisis aliran daya antara model skematik dan geoskematik. Selain hasil analisis aliran daya yang diperoleh dalam model geoskematik, hasil analisis aliran daya tersebut juga dilengkapi dengan informasi utilitas kelistrikan berbasis titik ruang kebumian.
[12] Jill McCoy, Kevin Johnston, Using Spatial Analyst. ESRI 2001-2002.
ArcGIS
[13] ETAP, Etap User Guide, GIS Map:Chapter 40
A-102
