Analysis of Interval Type-2 Fuzzy PI Controller For Load Frequency Control on Multi Area Power System Using Genetic Algorithm
MUH BUDI R WIDODO
2206100121
Introduction
Beban Pembangkit
Bus i Bus j
Gambar 1, Single Line Sistem Tenaga Listrik
1. Plant yang digunakan STL 2 Area
2. Beban statis 3. Kontroler yang
digunakan I, PI, IT2FPI, IT2FPI
1. MEMBUAT PENGENDALI
FREKUENSI (KONTROLER) : IT2FPI-GA
TUJUAN
FREQUENCY
BATAS MASALAH
Telaah Pustaka
1. Pengendalian LFC menggunakan IT2FPI controller [4]
2. Pengendalian LFC menggunakan Artificial Immune System Via Clonal Selection.[5]
3. Pengendalian LFC menggunakan Genetic Algorithm based PI Controller [6]
4. Pengendalian LFC menggunakan Hybride evolutionary
fuzzy PI Controller [21]
METODOLOGI
START
Studi Literatur
Simulasi dan Analisis menggunakan MATLAB
Pengumpulan data dan referency tentang LFC,
PI controler, dan GA
Performance
optimal ? STOP
Tidak ya
MENURUT HUKUM NEWTON
Sedangkan,
1.
Ditinjau dari Beban
(T G -T B )=H.dω/dt
f= ω/ 2.π
Frequency Regulation
T
G- T
B=ΔT<0, maka dω/dt<0 , frekuensi turun
T
G- T
B=ΔT>0, maka dω/dt>0 , frekuensi naik
Skema Load Frequency Control (LFC)1
Turbine Steam
Governor
(LFC) Load Frequency
Control Frequency
sensor Pv
Pc
Ptie
PG
Voltage sensor
QG
AVR Excitation
system
Gen field.
G
Block Lengkap Pengaturan Frekuensi Pada Pembangkit
sT
G1 1 R 1
CH
1 1 sT
( )
1 2Hs D
Governor Turbin Inersia rotor dan
beban
pu r
P
m +-
P
LP
v+ -
P
reffRespon Frekuensi terhadap Perubahan beban
fo f’
f’’
Kerja governor mulai terasa
Sebelum ada penambahan beban
TG-TB>0, f akan terus naik
t0 t1 t2 t3 t4 t5
t(waktu) Frekuensi (f) dan KopenT)
Garis frekuensi
Sistem Listrik Dua Area
Area 1 Area 2
P
12X
tie1. Dihubungakan oleh X
tie, 2. Tahanan stator diabaikan 3. Beban statis
4. Kondisi sistem seimbang
SPESIFIKASI
Sistem Tenaga Listrik 2 Area
2 2
1 D
1 sM
1
1 D
sM T/s
1 1
1
sTCH 1 2
1 sTCH
1 1
1
sTg 1 2
1 sTg
2
1 RG 1
1 RG
+
+
+ +
+ +
- -
- -
-
-
Pc1 Pc2
Y1 Y2
Pm2
Pm1 1
PL PL2
Ptie
1 2
f1 f2
Fuzzy PI Controller Digital
Bi
1/T Kontrol Area (i)
+ ACE
+/-
Ki1
f
tie i
P , Pdi
KPi
+ +
fuzzy
1/z
KuPi
+ 1/z
-
+ +
Interval type-2 fuzzy PI Controller
STL 2 Area dengan Controller
cH1i
1 1 T s
1i
1
1 Tg s 1i 1i
1 sM D
1i
1 R B1i
2i
1 1 Tg s
2i
1 R
B2i
T s
ACE1
ACE2 +
+ -
- -
+ - -
-
- +
PD1i
PD 2i 2
PV Pm2
1
PV
1
Pm f1i
f2i
Ptie
Governor 1 Turbin 1 Load 1
Governor 1 Turbin 2 Load 2
Bias
Speed Drop
Bias Speed Drop
U1 Kontroller
Kontroller
U2
+ +
cH 2i
1 1 T s
2i 2i
1
sM D
Interval Type-2 Fuzzy PI coantroller
+
Cara Kerja Fuzzy Type-2
fuzzifier
Rules
inference
Output processing Fuzzy Logic system
Crips output (type-0) Type-reducerd
Set(type-1) Crips input
Fuzzy output set (type-2)
Fuzzy Output sets (Type-2)
defuzzifier
Type-reducer Output of inference engine
Type-2
Type reducer Set (type-1)
Crips output Type-0
y f x( ) Y
Output processing
Algortima untuk Defuzzyfikasi
Inisialisasi өi A i i A
i μ x μ x
2 θ 1
Hitung c’
N
1 i
i N
1 i
i i N
1
θ θ x ,... θ
θ c c'
Cari nilai K 1 k
k c' x
x
C” =C’ C” =C’
Centroid = ( Cl + Cr ) /2
STOP START
Y T
Y T
C’=Cr”
N
1 k i
i A k
1 i
i A
N
1 k i
A i i k
1 i
i A i
r
μ x μ x
μ x x μ x
x
"
c
Hitung c” untuk Cr
Hitung c” untuk Cl
N
1 k i
i A k
1 i
A i N
1 k i
i A i k
1 i
i A i l
μ x μ x
μ x x μ x
x
"
c
C’=Cl”
Membership function
Evn(delta error positif)
0 L
-L
1
Upper _MF Lower
_MF
Epn (error negatif) Epp (error positif)
Evp(delta error positif)
x1 x2 x3 x4
opp opn
0 L
-L
1
Upper _MF
Lower _MF zo
x5 x6 x9 x10 x7 x8
Ouput
error
Delta error
Rule out
Error dan Delta Error
Rule Based
Delta error (ev)
Error (ep)
Rule
evn evp
epn on zo
epp zo op
Input
Ouput
Aplikasi GA pada Interval type-2 Fuzzy PI Controller
0 1 0 0 1 1 1 0 1 0
g1 g2 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9
0
g10
x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10
Diagram Alir GA
Nvar=10 JumGen=Nvar
UkPop=50 Psilang=0.8
Pmut=0.1 MaxG=50
Inisialisasi Populasi, N kromosom
Start
Dikodekan kromosom [x1,x2….x10]
Xn=1 x jumGen
Evaluasi Individu
ITAE=abs(frek_1^2+frek_2^2+P_tie^2) *(t)
N kromosom
1 2
tidak
ya
Pilih salah satu kromosom
LFC
Elitisme
Pilih Kromosom
Linear Fitness rangking
Roulette wheel
Pindah silang
Mutasi
N-kromosom baru
Generation Replecement [x1,x2,..x10]
Karnik Mandel Algortihm (IT2FPI) Frek_1 Frek_2 Ptie_3
Plant ACE sudah nol??
tidak
STOP 2
1
ya
tidak
ya
Performasi Frekuensi Tanpa Kontroler
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.015 -0.01 -0.005 0
X: 37.51 Y: -0.01184 respon frekuensi area 1(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu)
Tanpa KOntroller
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.014 -0.012 -0.01 -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0
X: 44.83 Y: -0.01183 respon frekuensi area 2(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu)
Tanpa KOntroller
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.04 -0.035 -0.03 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0
X: 42.56 Y: -0.02736 respon P-tie area 1(pu)
Waktu (detik)
Tanpa KOntroller
Respon frekuensi area 1 dengan perubahan beban 0.05 p.u
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015
respon frekuensi area 1(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu)
kontrol integral kontrol PI IT1FPIC IT2FPIC
Kontroler Overshoot Time settling Y (p.u) X (detik) Integral -0.01239 153.2
PI -0.008938 41.5
IT1FPI -0.004662 19.06 IT2FPI -0.003622 14.27
Respon frekuensi area 2 dengan perubahan beban 0.05 p.u
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015
respon frekuensi area 2(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu)
kontrol integral kontrol PI IT1FPIC IT2FPIC
Kontroler
Overshoot (p.u)
Time settling
(detik)
y x
Integral -0.01028 154.7
PI -0.006401 34.64
IT1FPI -0.002335 24.19
IT2FPI -0.001535 21.11
Respon P-tie antar Area dengan Perubahan Beban 0.05 p.u
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03
respon P-tie area 1(pu)
Waktu (detik)
kontrol integral kontrol PI IT1FPIC IT2FPIC
Kontroler Overshot Time Settling Y(p.u) X (detik) Integral -0.02353 153.
PI -0.01455 37.25
IT2FPI -0.00469 17.12
IT2FPI -0.002794 15.69
Respon Frekuensi dan Ptie dengan IT2FPI-GA
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5x 10-3
X: 11.76 Y: 1.685e-005
respon frekuensi area 1(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu)
IT2FPI-GA
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2x 10-4
X: 3.277 Y: -0.001529
respon frekuensi area 2(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu)
IT2FPI-GA
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0
x 10-3
X: 22.53 Y: -1.838e-005 respon P-tie area 1(pu)
Waktu (detik)
IT2FPI-GA
Respon Area 1 Area 2 P-tie Overshot -0.003613 -0.001529 -0.002774
Settling Time 11.76 21 22.53
Daya Mekanik Sistem
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
respon daya mekanik area 1(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu)
4 3 1 2
1. IT2FPI Controller 2. IT1FPI Controller 3. PI Controller 4. Integral Controller
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02
respon daya mekanik area 2(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu) 1
2 3
4
1. IT2FPI Controller 2. IT1FPI Controller 3. PI Controller 4. Integral Controller
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
X: 1.417 Y: 0.05918
respon daya mekanik area 1(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-6 -4 -2 0 2 4 6x 10-3
X: 15.58 Y: 0.0001261
respon daya mekanik area 2(pu)
Waktu (detik)
amplitude (pu)
ITFPI-GA ITFPI-GA
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 -0.1
-0.05 0 0.05
0.1 -20 dB
Nyquist Diagram
Real Axis
Imaginary Axis
Nyquist Plot
-0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015
-0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015
Nyquist Diagram
Real Axis
Imaginary Axis
-3 -2 -1 0 1 2 3 4
x 10-3 -4
-3 -2 -1 0 1 2 3
x 10-3 Nyquist Diagram
Real Axis
Imaginary Axis
1 2
3
1. I Controller 2. PI Controller
3. IT1FPI Controller
Nyquist Plot(2)
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
x 10-3 -1.5
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5
x 10-3 Nyquist Diagram
Real Axis
Imaginary Axis
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
x 10-3 -1.5
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5
x 10-3
System: sys Real: -0.000107 Imag: 0.000799
Frequency (rad/sec): -0.804 Nyquist Diagram
Real Axis
Imaginary Axis
4 5
4. IT2FPI Controller
4. ITFPI-GA
-500 -400 -300 -200 -100 0
Magnitude (dB)
10-2 10-1 100 101 102 103
-720 -540 -360 -180 0
Phase (deg)
Bode Diagram
Frequency (rad/sec)
Bode Plot
-500 -400 -300 -200 -100 0
Magnitude (dB)
10-2 10-1 100 101 102 103
-720 -540 -360 -180 0
Phase (deg)
Bode Diagram
Frequency (rad/sec)
-500 -400 -300 -200 -100 0
Magnitude (dB)
10-1 100 101 102 103
-720 -540 -360 -180 0
Phase (deg)
Bode Diagram
Frequency (rad/sec)
1 2
3
1. I Controller 2. PI Controller
3. IT1FPI Controller
Bode Plot(2)
-500 -400 -300 -200 -100 0
Magnitude (dB)
10-2 10-1 100 101 102 103
-720 -540 -360 -180 0
Phase (deg)
Bode Diagram
Frequency (rad/sec)
-500 -400 -300 -200 -100 0
Magnitude (dB)
10-2 10-1 100 101 102 103
-720 -540 -360 -180 0
Phase (deg)
Bode Diagram
Frequency (rad/sec)
4 5
4. IT2FPI Controller
5. IT2FPI-GA
Kesimpulan
1. Penggunaan Interval Type-2 fuzzy PI controller yang dioptimasi dengan Genetic Algorithm (GA) pada sistem tenga listrik dua area sangat efektif, dan performansi sistem mampu ditingkatkan
2. Respon frekuensi sistem yang menggunakan IT2FPI-GA memiliki overshot dan settling time yang paling kecil yaitu -0.003572 p.u dan 11.76 detik untuk area 1, -0.001532 p.u dan 21 detik di area 2
3. Respon transfer daya antar area sistem yang menggunakan IT2FPI- GA juga memiliki overshot dan setling time yang paling kecil yaitu -0.00277 p.u dan 22.53 detik
4. Rerspon daya mekanik sistem juga memperlihatkan yang sama, sistem yang dikontrol dengan IT2FPI-GA memiliki overshot dan setling time yang paling kecil yaitu 0.5918 p.u dan 14.15 detik untuk area 1, -0.00586 p.u dan 15.58 detik di area 2
5. Dari anlasis Bode Plot dan Nyquist plot memperlihatkan bahwa
sistem stabil
Saran
• Untuk penelitian selanjutnya dapat digunakan
metode lain misal, PSO, AIS, Bee Colony maupun
Ant Colony sebagai pembanding
Reference (1)
1. Imam Robandi,” Desain Sistem Tenaga Modern, Penerbit ANDI, Yogyakarta, 2006.
2. Hadi Saadat, Power System Analysis 2nd Edition, McGrowHill. 2004 3. Djiteng Marsudi,” Operasi sistem tenaga listrik”.2006. Graha ilmu,
Yogyakarta. ISBN 978-756
4. Muh Budi R Widodo, Muhammad abidillah, Imam Robandi,” optimal design load frequency Control on multi area power system using interval type-2 Fuzzy PI Controller. APTECS-2009. Paper number: 034.
5. Muhammad Abdillah, “Desain Optimal Fuzzy Logic Load Frequency Control pada Sistem Tenaga Listrik Menggunakan Artificial Immune System Via Clonal Selection. Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro ITS, 2009.
6. Ceyhun YILDIZ, A. Serdar YILMAZ, Mahmet BAYRAK, “Genetic Algorithm based PI Controller for Load Frequency Control in Power system”. Proceding of 5th International symposium on Intelegent Manufacturing System, may 29-31,2006:1202-1210
Reference (2)
7. Jawad Talaq and Fadel Al-basri, Adapteve gain sceduling for load frequency control, IEEE Transc. on Power Systems, Vol 14. No 1, February, pp. 145-150, 1999.
8. Charles E. Fosha, Jr., and Olle I.Elgerd, The Megawatt-Frequency Control Problem: New approach via Optimal Control Theory, IEEE Trans. Vol. PAS. No.4, April 1970, pp.563-577.
9. Anderson P.M, Fouad A.A, Power Control and Stability, The lowa State University, Press.1982.
10. Kundur,.P, Power System Stability and Control, McGraw-Hill,Inc.,1994.
11. Imam Robandi, and Bedy kharisma,” Design of Interval type-2 Fuzzy Logic Based Power system stabilizer. PWASET VOLUME 31 July 2008 ISSN 1307-6884.
12. WU, DONGRUI, ”Design and Analysis of Type-2 Fuzzy Logic System”. Thesis submitted for the degree of master engineering
departement of electrical and computer engineering national university of singapore.
Reference (3)
13. Muh Budi R Widodo, muhammad abdillah, imam robandi aplikasi Fuzzy PIPD pada Singel Machine Infinite Bus (SMIB), Seminar on intelegnet technology and it’s Aplication (SITIA). 2009. Pp-090
14. Xinyu Du and Hao Ying, “Deriving Analitical stucture of Type-2 Fuzzy PD/PI Controller”. IEEE-2008.978-1-4244-2352
15. G .Chen, “Qilian Liangand, Jerry M. Mandel, ”Interval Type-2 Fuzzy Logic System Theory and Design”,IEEE, 2000.
16. Juan R.Castro, Oscar Castillo, “Interval Type-2 Fuzzy Logic for Intelligent Control Aplication”, IEEE, 2007.
17. Jerry M.Mandel, Robert I. Bob John,” Type-2 Fuzzy Sets Made Simple”, IEEE, April, 2002.
18. Muh Budi R Widodo, Imam Robandi, “Optimization of Fuzzy PIPD Controller for Excitation System Stability Analysis on Single Machine Infinite Bus (SMIB) using Genetic Algorithm (GA)” ICAST. 2009.
Reference(4)
19. B.Venkata Prasant, Dr. S. V. Jayaram Kumar,” Load Frequency Control for a Two Area Interconnected Power System Using Robust Genetic Algorithm Controller, Jatit 2005-2008.
20. D.E Goldberg, Genetic Algorithm (GA) in Serch, Optima-tion and Mechine Learning, Addition-wesley Publishing Compani,In.,1989.
21. C,-F.Juang and C,-F.Lu, “Load Frequency Control By hybrid
Evolutionary Fuzzy PI Controller”. IEE Proceeding online nmo.2005176 22. Suyanto,” Algoritma Genetika dalam MATLAB”. 2005. ANDI
yogyakarta