METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Analisis Optimum Power Flow (OPF)
Secara umum permasalahan Optimum power flow dirumuskan secara matematika sebagai berikut [12]:
πππ π(π₯, π’) (3.1) π. π‘. π(π₯, π’) = 0 (3.2) β(π₯, π’) β€ 0 (3.3) π’ β π (3.4) Dimana: π₯ = [πΜπ ππΏπ]π (3.5) π’ = [πΜπΊπ πππΊ π‘π πππ»π ]π (3.6)
Equality constraint (3.2) adalah persamaan nonlinier power flow. Inequality constraint (3.3) adalah fungsi operasional constraint seperti:
1. Branch flow limits (MVA, MW atau A); 2. Load bus voltage magnitude limits; 3. Generator reactive capability; 4. Slack bus active power output limits.
Constraint (3.4) mendefinisikan kelayakan permasalahan variabel kontrol
seperti:
1. Unit active power output limits;
2. Pembangkitan tegangan bus magnitude limits; 3. Transformer-tap setting limits;
18
Objective function [6] pada OPF dapat di rumuskan sebagai berikut:
1. Quadratic cost function
Biaya pembakaran tiap generator dapat dimodelkan sebagai fungsi kuadrat seperti persamaan berikut:
ππ = β ππ+ ππππΊπ+ ππππΊπ2
ππΊ
π=1
(3.7) 2. Voltage deviation
Pada literatur [6] untuk menjaga tegangan deviasi batas biayanya Β± 5% dari nilai nominal dan dalam 1 p.u. jika memungkinkan. Tegangan deviasi untuk load bus dapat dihitung menggunakan persamaan:
πππ· = β|ππβ 1|
πππΊ
π=1
(3.8) 3. Transmission real power losses
Parameter kontrol untuk mengoptimisasi pada power loss. Rugi daya untuk saluran transmisi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
πππΏ = β ππ[ππ2+ ππ2β 2πππππππ (πΏπβ πΏπ)]
ππΏ
π=1
(3.9) 4. Persamaan load flow dan constraint
Persamaan yang sering digunakan pada load flow adalah π(π₯, π’), pada literatur [6] load flow ditunjukkan pada persamaan berikut:
ππΊπβ ππ·πβ β|ππ| π π=1 |ππ||πππ| πππ (πππ β πΏπ+ πΏπ) = 0 π = 1, β¦ , π (3.10) ππΊπβ ππ·πβ β|ππ| π π=1 |ππ||πππ| π ππ(πππβ πΏπ + πΏπ) = 0 π = 1, β¦ , π (3.11) Dimana, elemen dari matrik bus admitansi direpresentasikan sebagai |πππ| dan πππ, n adalah total dari bus.
19 5. Generator constraint
Tegangan generator, aktif dan reaktif power dapat menggunakan persamaan berikut: ππΊππππβ€ ππΊπ β€ ππΊππππ₯ π = 1, β¦ , ππ (3.12) ππΊππππ β€ ππΊπ β€ ππΊππππ₯ π = 1, β¦ , ππ (3.13) ππΊππππβ€ ππΊπ β€ ππΊππππ₯ π = 1, β¦ , ππ (3.14) 6. Ramp Constraint βπΏπ β€ ππ(π‘+1)β πππ‘ β€ πΏπ (3.15)
Dari persamaan 3.15 menunjukkan batasan perubahan daya yang dilakukan oleh generator. Batasan tersebut dinamakan ramp rate, dimana β πΏπ adalah ramp limit dari generator-i
3.2 Valve Point Effect
Unit pembangkit dengan turbin uap multi katup memiliki variasai yang besar dalam kurva biaya. Pengaruh dari efek katup ditunjukkan pada Gambar 3.1. pada kurva biaya yang tidak mulus, fungsi sinusoidal ditambahkan pada fungsi kuadrat kurva biaya tersebut. Fungsi sinusoidal tersebit muncul akibat pembukaan katup uap untuk mengatasi perubahan beban. Kenaikan fungsi biaya dari unit pembangkit dengan efek katup dapat direpresentasikan pada persamaan 3.16 [9].
πΉπ(ππ,π‘) = ππ+ ππππΊπ+ ππππΊπ2 + |πππ ππ (πππ₯(ππππππ β πππ‘))| (3.16) Dimana ππ dan ππ adalah koefisien fungsi biaya yang disebabkan oleh efek dari pembukaan katup bahan bakar, sedangkan ππππππ merupakan pembangkian minimum dari generator ke-i.
20
Gambar 3.1 Kurva Biaya Bahan Bakar Non-Smooth
3.3 Inisialisasi dan Representasi Populasi GA pada DOPF Kromosom dari GA dapat dinyatakan sebagai berikut:
π₯π = [π11, π21β¦ πππ1 , π12, π22β¦ πππ2 , β¦ π1π, π2πβ¦ ππππ ] (3.17) Dimana πππ‘ = ππΊππ,π‘,βπ, π‘ dan π = β ππ·. ππ· adalah nomor populasi, dan banyaknya variabel untuk permasalahan OPF adalah ππ₯= π π₯ ππ.
Pada umumnya, populasi GA dibangkitkan secara acak, namun dalam hal ini pembentukan populasi awal menggunakan Quadratic Programming (QP) untuk nilai awal inisialisasi. Tujuan dari pemilihan inisialisasi awal menggunakan QP adalah agar inisialisasi awal tidak random dan mendekati nilai yang telah dihitung oleh QP. Permasalahan OPF memiliki banyak equality constraint, individu dalam populasi awal dihasilkan dengan persamaan (3.18).
π₯π,π = π₯ππππ+ (π₯ππππ₯ β π₯ππππ)πβπ πππ πππ(1, ππ₯) π β ππ₯πππ π = 1 β¦ ππ· (3.18) 0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Output, P (MW) c o s t $ /h Valve Point Tanpa Valve Point
21
Dimana π₯πππ dan π₯πππ₯ adalah upper dan lower bound setiap variabel yang telah ditentukan dari masing-masing pembangkit tersebut. Sedangkan struktur kromosom dapat ditunjukkan pada Gambar 3.2.
ο»
1 G P PGN UG1 UGN t1 tN bSH1 bSHNο» ο» ο»
Unit aktif power input Generator-bus Voltage magnitudeTap- Trafo Admitansi
saluran
Gambar 3.2 Struktur kromosom GA
3.4 Inisialisasi EGA menggunakan Qudratic Programming
Quadratic Programming (QP) adalah metode konvensional untuk menyelesaikan masalah yang memiliki fungsi objektif kuadrat dan linear constraint, QP sangat efektif untuk menemukan global minimum. Model matematis QP ditunjukkan pada persamaan (3.19)
π (π₯) = 1 2π₯ ππ΅π₯ β π₯ππ (3.19a) π₯ β Ιπ (3.19b) π΄1π₯ = π π΄2π₯ β€ π, (3.19c)
Dimana π΅ β Ιπππ adalah simetris, π΄1 β Ιπππ, π΄2 β Ιπππ dan π β Ιπ, π β Ιπ, π β Ιπ
3.4.1 Equaity constraint quadratic programming
QP memiliki batasan equality dan inequality, dari persamaan (3.19b) dan (3.19c) disederhanakan menjadi: πππππππ§π π (π₯) = 1 2π₯ ππ΅π₯ β π₯ππ (3.20a) ππ£ππ π₯ β Ιπ (3.20b) π π’πππππ‘ π‘π π΄π₯ = π (3.20c)
22
Dimana π΄ β Ιπππ , π β€ π. Untuk A diasumsikan sebagai baris m. Untuk kondisi π₯β β Ιπ dari persamaan (3.20b) dan (3.20c) menggunakan 22ontro linier (π΅ π΄π π΄ 0) β =:πΎ (π₯β πβ) = ( π π) (3.21)
Dimana πβ β Ιπ adalah fungsi lagrange multiplier.
Langkah-langkah mencari nilai P1,P2,P3β¦β¦Pn menggunakan QP:
Langkah 1) membuat fungsi objektif economic dispatch menjadi fungsi kuadrat QP, ditunjukkan pada persamaan (3.22):
πΉπ(ππ) = 1 2π₯
ππ»π₯ + πππ₯ (3.22)
Langkah 2) memodelkan matrix H didefisinikan menjadi fungsi kuadrat. Memanipulasi matrik menjadi [1 : m x n], dimana m adalah total beban (jam) dan n adalah total generator, contoh total generator 2 maka, m= 2 [π1 β― πππ1 β― ππ] (3.23) π» = 2 β ππππ[π1 β― πππ1 β― ππ] (3.24) π» = 2 β [ π1 0 0 0 β± 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ππ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 β± 0 0 0 0 π1 0 0 0 0 ππ] (3.25)
Langkah 3) Memodelkan vector F sebagai linier, menjadi fungsi biaya:
πΉ = [π1 β― πππ1 β― ππ] (3.26) Langkah 4) Memodelkan matrix A dan b pada inequality constraint π΄ β π₯ β€ π Langkah 5) memodelkan matrix Aeq and Beq pada equality constraint
Aeq*x =beq menjadi persamaan (3.27). Matrix Aeq dimodelkan
menjadi [m : (m β 1) x n)] dan Beq [1:m]. Contoh n = 3, m = 2 sehingga menjadi :
π΄ππ = [1 1 1 0 0 0
0 0 0
23
π΅ππ = [πππππ (1) πππππ (2)] (3.28)
Aeq*x =beq (3.29)
Langkah 6) Memodelkan lb dan ub, di definisikan menjadi batas atas batas bawah. Ub [1: m x n] dan lb [1: m x n]
π’π = [ππππ₯ ππππ₯ ππππ₯ ππππ₯ ππππ₯ ππππ₯] (3.30) π’π = [ππππ ππππ ππππ ππππ ππππ ππππ] (3.31) Langkah 7) Inisialisasi EGA dengan menggunakan output dari QP menjadi
Y = X Β± rand*K, dima K adalah konstanta yang nilainya adalah minimum X dari QP.
3.5 Pengkodean kromosom
Kromosom yang ditunjukkan pada Gambar 3.2 terdiri atas empat kromosom, masing-masing kromosom didefinisikan sebagai 1) ππΊ; 2) ππΊ; 3) π‘ dan 4) πππ». Pengkodean dilakukan menggunakan panjang gen yang berbeda untuk masing-masing variabel kontrol, tergantung dengan ketepatan akurasi yang diinginkan. Pengkodean kromosom dapat diformulasikan sebagai berikut:
1) Variabel kontrol kontinyu mengambil nilai dalam interval [π’ππππ, π’ππππ₯]
π’π = π’ππππ+ (π’ππππ₯β π’ππππ). π
2ππ’πβ1 (3.32) 2) Variabel kontrol diskrit menggunakan M dengan nilai π’π1, π’π2, β― , π’ππ
π’π = π’ππ dimana π = πππ‘ [ π
2ππ’π. π + 1.5] (3.33) Dan,
πππ2π β€ ππ’πβ€ πππ2π + 1 (3.34)
Dimana k adalah bilangan variabel yang di dekodekan dalam bentuk biner, dan ππ’π adalah panjang gen (jumlah bit) yang digunakan untuk pengkodean variabel kontrol π’π.
3.6 Fitness Function
GA biasanya dirancang sedemikian rupa sehingga memaksimalkan Fitness Function (FF), dimana nantinya digunakan sebagai ukuran kualitas setiap
24
kandidat solusi. Tujuan dari OPF adalah untuk meminimalkan total biaya pembangkitan, oleh karena itu diperlukan transformasi untuk mengubah fungsi objective OPF ke FF yang sesuai, untuk dimaksimalkan oleh GA. Batasan OPF (3.3) sebagai ojective function GA, dengan menambahkan variabel kontrol untuk kontrol batasan jika melebihi batasan yang telah ditentukan. Batasan pada variabel kontrol (3.4) secara otomatis dapat terpenuhi oleh pemilihan pengkodean yang dipilih pada persamaan (3.32) dan (3.34). FF GA dapat dituliskan dalam persamaan : πΉπΉ = π΄ β πΉπ(ππΊπ) + βππΆ π€π. ππππ π=1 ππΊ π=1 (3.21) ππππ = |βπ(π₯, π’) |. π» (βπ(π₯, π’)) (3.22) Dimana: FF : Fitness function A : konstan
πΉπ(ππΊπ) : fungsi biaya tiap unit I
π€π : pembobot pada fungsi konstrain j
ππππ : fungsi variabel kontrol untuk fungsi konstrain j βπ(π₯, π’) : pelanggaran terhadap jth fungsi konstrain, jika positif π» (.) : fungsi Heaviside (langkah)
ππΊ : nomor setiap unit
ππ : nomor dari fungsi konstrain
Dengan adanya solusi kandidat untuk masalah tersebut, diwakili oleh kromosom, FF dapat dihitung sebagai berikut:
1) Dekodekan kromosom untuk menentukan variabel kontrol, dengan menggunakan persamaan (3.32) dan (3.34). Variabel kontrol yang dihitung berdasarkan persamaan (3.4)
2) Selesaikan power flow (3.2), untuk menghitung nilai x.
3) Menentukan batasan fungsional yang dilanggar (3.3) dan menghitung fungsi (3.22)
25
Dalam langkah ke-2 metode aliran daya yang digunakan adalah Newton-Rhapson. Dimana tanpa menggunakan switching tipe PV-PQ bus, karena kemampuan reaktif generator digabungkan dalam fungsi operasi konstrain dan tidak ada penyesuaian variabel, seperti tap trafo dan kapasitas shunt. Hal tersebut tidak dilakukan karena dalam hal ini pengaturan kontrol telah dilakukan oleh GA. Sehingga, iterasi pada aliran daya lebih cepat untuk konvergen.
3.7 Seleksi
Proses seleksi dilakukan dengan memilih acak berbobot (Weighted
Roulette Wheel). Dari semua kromosom dengan nilai fitness masing-masing,
kemudian dibuat sistem pemilih acak berbobot. Kromosom dengan nilai fitness besar mempunyai bobot yang besar, sedangkan kromosom dengan nilai fitness kecil mempunyai bobot yang kecil. Total presentase semua nilai fitness sama denan 100%. Kromosom dengan nilai yang besar, bobotnya menjadi besar sehingga sektornya akan lebih lebar pada Roulette Wheel. Sehingga, probabilitas terpilihnya menjadi lebih besar. Weighted Roulette Wheel kemudian diputar sebanyak M kali sehingga akan menghasilkan M buah kromosom yang baru. Nilai M adalah banyaknya kromosom dalam suatu populasi. Dalam setiap populasi dimungkinkan terdapat kromosom-kromosom yang sama.
3.8 Pindah silang
Pindah silang dilakukan untuk menghindari terjadinya konvergensi dini. Setiap kromosom akan memilih pasangannya untuk dilakukan pindah silang secara acak. Frekuensi operator pindah silang dikendalikan oleh nilai Pc. Dalam setiap populasi, sebanyak Pc x population_size, struktur melakukan crossover. Semakin tinggi nilai probabilitas pindah silang, maka semakin cepat struktur baru diperkenalkan dalam populasi. Probabilitas pindah silang yang sering digunakan umumnya berkisar 0.6 sampai 0.95.
Dalam penelitian ini probabilitas Pc yang digunakan adalah 0.8. pindah silang dilakukan mulai digit ke I sampai digit terakhir. Dengan I adalah bilangan acak mulai dari 0 sampai dengan k-1. Dengan k adalah banyaknya gen.
26 3.9 Mutasi
Operasi mutasi digunakan untuk melakukan modifikasi satu atau lebih nilai gen dalam kromosom yang sama. Mutasi memastikan bahwa probabilitas untuk pencarian pada daerah tertentu dalam persoalan tidak akan pernah nol dan mencegah kehilangan total materi genetika setelah pemilihan dan penghapusan. Mutasi dilakukan secara acak pada gen dengan probabilitas yang kecil. Pada penelitian ini probabilitas mutasi adalah Pm = 0.3. proses berulang dari awal untuk populasi yang baru.
3.10 Enhanced Genetic Algorithm
Enhanced Genetic Algorithm (E-GA) ditunjukkan pada Gambar 2.1, setelah penerapan dasar operator seperti seleksi orang tua, crossover dan mutasi langkah selanjutnya adalah menambahkan beberapa operator tambahan seperti berikut:
1. Fitness scaling
Untuk menghindari dominasi awal yang menyebabkan persaingan sehat diantara yang paling bugar, maka diperlukan penskalaan terhadap kebugaran populasi. Dalam penelitian ini pendekatan kebugaran diperkecil dengan menggunakan transformasi linier.
2. Elitisme
Elitism memastikan bahwa solusi terbaik yang telah ditemukan tidak pernah hilang saat berpindah dari satu generasi ke generasi lainnya. Sehingga individu terbaik dalam populasi disimpan pada generasi berikutnya.
3. Hill Climbing
Hill climbing digunakan untuk meningkatkan kecepatan pencarian GA
di area yang mulus dari ruang pencarian. Kromosom yang dimodifikasi diterima jika terdapat peningkatan nilai FF, jika tidak maka kromosom lama tidak berubah. Operator ini hanya berlaku untuk kromosom terbaik (elit) pada setiap generasi.
27 3.11 Modifikasi operator kromosom
1. Gene Swap Operator (GSO)
Operator ini secara acak memilih dua gen dalam kromosom dan menukar nilainya, yang ditunjukkan pada Gambar 3.3 operator ini menukar nilai dari daya aktif output dua unit, besarnya tegangan dua bus, dan sebagainya. Dalam hal ini jenis kromosom yang berbeda tidak bisa bertukar, sehingga hanya kromosom yang sama yang dapat bertukar.
1 0 1 1 0 st 1 control th N control 1 1 0 0 0
Gambar 3.3 Gene Swap Operator
2. Gene Cross-Swap Operator (GCSO)
GCSO adalah variasi dari GSO. GCSO memilih secara acak dua kromosom yang berbeda dari populasi dan dua gen, satu dari setiap kromosom
yang dipilih, dan menukar nilai dari kromosom tersebut. GCSO dapat ditunjukkan pada Gambar 3.4 ketika crossover kromosom dengan kebugaran yang tinggi, GCSO untuk mencari nilai alel yaitu memanfaatkan informasi yang tersimpan dalam string dengan kebugaran yang rendah.
1 0 1 1 0 st 1 control th N control 1 1 1 0 0 1 01 1 0 1 0 0 0 1
Gambar 3.4 Gene Cross-Swap Operator 3. Gene Copy Operator
Operator ini secara acak memilih satu gen dalam kromosom dan dengan probabilitas yang sama menyalin nilai ke pendahulunya atau penerusnya. Gen dengan tipe control yang sama, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.5 operator ini sering digunakan, misalnya untuk unit bus yang karakteristiknya sama untuk beroperasi pada output yang sama.
28 1 0 1 1 0 th N )1 ( ο control control 1 0 0 th N control th N )1 ( ο« 1 1 1 0 0 P = 0.5 P = 0.5 0 1
Gambar 3.5 Gene Copy Operator
4. Gene Inverse Operator (GIO)
Operator ini seperti mutasi, yaitu secara acak memilih satu gen dalam kromosom dan membalikkan nilai bitnya dari satu ke nol atau sebaliknya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.6 GIO mencari peningkatan kinerja dengan memanfaatkan area baru dari pencarian yang jauh dari solusi, dan mempertahankan keragaman populasi.
th
N control
1 0 1 1 0
0 1 0 0 1
Gambar 3.6 Gen Inverse Operator
5. Gene Max-Min Operator (GMMO)
GMMO mengidentifikasi variabel kontrol batas atas dan batas bawah. GMMO memilih gen acak dalam kromosom dengan probabilitas yang sama (0,5), mengisi daerahnya dengan 1 atau 0, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.7 th N control 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 P = 0.5 P = 0.5 0 0 1 1 1
Gambar 3.7 Gene Max-Min Operator
Tahapan pengerjaan penyelesaian dynamic optimum power flow menggunakan EGA ditunjukkan pada Gambar 3.8.
29
Start
Mendefinisikan variabel a, b, dan c menggunakan QP
No
Yes
Mencari nilai X1, X2, X3,β¦...Xn, dari hasil QP Dimana, X adalah nilai dari P1, P2, P3β¦..Pn
Evaluasi objective function 1. Menghitung Y-bus
2. menyelesaikan persamaan power balance menggunakan metode Newton-Rhapson
Kromosom memiliki 15 gen.
(5 gen berisi real power generation, 6 gen berisi generator bus magnitude dan 4 gen berisi tap trafo dan bus admitansi) satu pembangkitan mempunyai 20 kromosom
No_Gene = 15, No_chrom = Pop_size, Crossoverconstant = Pc
Mutation constant = Pm
Inisialisasi populasi EGA dari QP Y = X Β± rand*K, K adalah nilai minimum X dari
QP
Membangkitkan populasi baru untuk pembangkitan selanjutnya
Jika gen_count = maxgen
Kenaikan jumlah generasi Gen_count = Gen_count+1 Print nilai minimum objective function End
Menghitung masing-masing nilai kromosom
30
31