ANALISIS PENEMPATAN OPTIMAL BANK KAPASITOR PADA SISTEM DISTRIBUSI RADIAL DENGAN METODE GENETIK ALGORITHM
APLIKASI : PT. PLN (PERSERO) CABANG MEDAN
TESIS
OLEH TARSIN SARAGIH N I M : 087034015/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
ANALISIS PENEMPATAN OPTIMAL BANK KAPASITOR PADA SISTEM DISTRIBUSI RADIAL DENGAN METODE GENETIK ALGORITHM
APLIKASI : PT. PLN (PERSERO) CABANG MEDAN
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh
TARSIN SARAGIH 087034015/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Judul Tesis : ANALISIS PENEMPATAN OPTIMAL BANK KAPASITOR PADA SISTEM DISTRIBUSI RADIAL DENGAN METODE GENETIK
ALGORITHM APLIKASI : PT. PLN (PERSERO) CABANG MEDAN
Nama Mahasiswa : Tarsin Saragih Nomor Induk Mahasiswa : 087034015
Program Studi : Magister (S2) Teknik Elektro
Bidang Keahlian : Teknik Energi Listrik / Kwalitas Daya
Menyetujui Komisi Pembimbing
(Prof. Dr. Ir. Usman Baafai) (Ir. Refdinal Nazir, MS, Ph.D.
Ketua Anggota
)
(
Anggota Ir. Suprapto, MT)
Ketua Program Studi Dekan
Telah diuji Pada
Tanggal : 16 Agustus 2011
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Ir. Refdinal Nazir, M.S, Ph.D
2. Ir. Suprapto, MT 3. Dr. Marwan Ramli
4. Ir. Sinar Terang Sembiring, MT 5. Ir. Ashuri, MT
ABSTRAK
Seiring dengan perkembangan zaman, maka kebutuhaan terhadap energi listrik semakin meningkat. Besarnya kebutuhan daya reaktif (Q) akan menyebabkan penyaluran daya yang tidak optimal, karena akan dibutuhkan daya semu (S) yang besar untuk melayani daya aktif (P) yang juga bertambah. Untuk mengoptimalkan pemakaian daya listrik pada sistem distribusi radial dapat dilakukan dengan penempatan optimal bank kapasitor sebagai kompensasi daya reaktif. Dalam sistem distribusi radial kompensasi daya reaktif yang dibutuhkan, sebaiknya dibagi ke beberapa bus agar penyebaran daya reaktif yang dikompensasikan lebih optimal dengan demikian perlu ditentukan nilai optimal masing-masing bank kapasitor yang akan ditempatkan pada sistem. Untuk menentukan rating dan letak optimal bank kapasitor pada sistem distribusi radial terlebih dahulu dilakukan analisa aliran daya dengan bantuan software E.T.A.P 4.0 dimana hasil out-put aliran daya merupakan input pada proses Genetik Algorithm. Untuk menentukan rating dan letak optimal bank kapasitor. Genetik Algorithm digunakan untuk mencari nilai optimal masing-masing bank kapasitor yang akan ditempatkan pada bus yang dipilih secara acak.. Nilai optimal masing-masing bank kapasitor yang didapat dengan menggunakan Genetik Algorithm adalah sebesar1600 kVAR yang diletakkan pada: C1 = A = bus
1272 ; C2 = B = bus 1397 ; C3 = C = Bus 1478 dan C4
≥
= D = Bus 1486 dengan masing-masing kapasitas bank kapasitor = 400 kVAR dan tegangan sistem telah mencapai 95 % dari tegangan nominal.
Kata-kata Kunci: Aliran Daya, Genetik Algorithm, Kompensasi Daya Reaktif, Kualitas Tegangan
ABSTRACT
With time development, the need for electricity is increasingly high. The amount of reactive power (Q) will result in a non-optimal power distribution, because a big apparent power (S) will be needed to serve the increasing active power (P). To optimize the consumption of electric power in radial distribution systems, the optimal bank capacitor can be placed as reactive power compensation. In radial distribution system, the reactive power compensation needed should be split into several buses that the distribution of compensated rective power becomes more optimal, thus, the optimal value of respective bank capacitor that will be placed in the system needs to be determined. To set the rating and the optimal position of bank capacitor in the radial distribution system, an analysis of power flow using an E.T.A.P 4.0 software should be done first, where the out-put of power flow is the in-put to the process of Genetic Algorithm. The Genetic Algorithm is used to find the optimal value of each bank capacitor which will be placed in the buses which are randomly selected. The optimal value of each bank capacitor found through the Genetic Algorithm is 1600 kVAR which is placed on: C1 = A = bus 1272; C2 = B = bus 1397; C3 = C = bus
1478 and C4
≥
= D = bus 1486 with the capacity of respective bank capacitor = 400 kVAR and the system voltage has reaced 95 % of nominal voltage.
Keywords: Power Flow, Genetic Algorithm, Reactive Power Compensation, Voltage Quality
KATA PENGANTAR
Syaloom !!!!!. Puji dan syukur penulis sampaikan kepada ” ALLAH BAPA SORGAWI yang menciptakan khalik langit dan bumi beserta segala isinya” atas kasih dan karunia-Nya serta pertolongan dan bimbingan-Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan perkuliahan dan penulisan tesis ini di Sekolah Pasca Sarjana Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Tesis ini disusun sebagai syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Adapun judul tesis yang disusun oleh penulis adalah ” Analisis Penempatan Optimal Bank Kapasitor Pada Sistem Distribusi Radial Dengan Metode Genetik Algorithm” Aplikasi: PT. PLN (Persero) Cabang Medan.
Dalam menyusun tesis ini, penulis banyak mendapat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, baik berupa dukungan moril, materi, spritual maupun administrasi. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan dan mengucapkan terima kasih kepada:
Bapak Prof.Dr.Ir. Usman Baafai, sebagai Ketua program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara dan sekaligus sebagai Pembimbing-1. Bapak Ir. Refdinal Nazir, MS., Ph.D, Sebagai Pembimbing-2.Bapak Ir. Suprapto, MT, Sebagai pembimbing-3 serta seluruh Civitas Akademika Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME, Sebagai Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Bapak Pemimpin PT.PLN (Persero) Cabang Medan dan staff atas kesempatan dan izin yang diberikan bagi penulis untuk pengambilan data dalam penyelesaian tesis ini. Rekan-rekan mahasiswa Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara angkatan pertama tahun 2008 pada khususnya. Dan secara khusus penulis persembahkan tesis ini buat: Bapak Ir. Mahrizal Masri MT, sebagai Rektor Institut Teknologi Medan atas ijin rekomendasi yang diberikan bagi penulis untuk mengikuti kuliah Pasca Sarjana Magister Teknik Elektro U S U. Pardamean Sinurat ST,MT atas semangat moril yang diberikan bagi penulis dalam penyelesaian tesis ini. Buat keluaraga besar penulis: Kel.Ir. P.Saragih (+) / M.br.Tambunan, Kel. J. Saragih/ br.Sitohang, Kel. Dr. Ir.O.Saragih/Puji SB, Kel.Kol.Inf. L. Saragih/ T.D. br. Gultom Spd, Kel.M.saragih, SH, MH (+)/ A.br. Panggabean, Kel. D. Sigiro(+) / L.br.Saragih, Kel.A.Sihombing/ M. br. Saragih, Kel.F.Togatorop/ R. br. Saragih atas bantuan moril dan materi, serta salam doanya bagi penulis sehingga penulisan tesis ini selesai. Dan teristimewa penulis persembahkan buat Istriku yang tercinta L.br.Sihombing dan anak-anakku yang kukasihi dan kusayangi, Rudolf Parlinggoman Saragih, Samuel Ernst Lahcman Saragih, Heber Trudeo Pascauli Saragih dan Annabella Elisabeth Saragih dan juga buat keluarga mertuaku yang kusayangi, Kel. K.Sihombing(+)/br.Marbun atas doa dan semangat yang tak henti-hentinya disampaikan pada penulis sehingga selesai tesis ini, serta semua pihak yang turut berperan serta dalam penyelasian tesis ini yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu.
Walaupun penulis sudah berupaya semaksimal mungkin dalam penyelesaian penulisan tesis ini, namun penulis menyadari masih ada kekurangan dalam
penyusunan tesis ini. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun guna kesempurnaan tesis ini.
Akhir kata, besar harapan penulis semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan semoga ALLAH BAPA SORGAWI memberkati dan terima kasih.
Medan, Agustus 2011 Penulis,
Tarsin Saragih
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Saya yang bertanda tangan dibawah ini,
Nama : Tarsin Saragih
Tempat / Tanggal Lahir : Aceh Tenggara / 3 Februari 1955
Jenis Kelamin : Laki – Laki
Agama : Kristen Protestan
Bangsa : Indonesia
Alamat : Jl. Pramuka Lingk. III No.11 Cinta Damai,
Medan Helvetia
Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa :
1. Tamatan SD Negeri No.1 Sei Sekambing, Medan Tahun 1967
PENDIDIKAN
2. Tamatan SMP Negeri VI, Medan Tahun 1970
3. Tamatan SMA Negeri IV, Medan Tahun 1973
1. Dosen Kopertis Wilayah 1 Sumut/NAD dpk UDA Tahun 1986 s/d 1989 PEKERJAAN
2. Dosen Kopertis Wilayah 1 Sumut/NAD dpk ITM Tahun 1989 s/d sekarang
Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.
Medan, Agustus 2011 Tertanda
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... vi DAFTAR TABEL ... ix DAFTAR GAMBAR ... x BAB 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1.Latar Belakang ... 1 1.2.Perumusan Masalah ... 4 1.3.Batasan Masalah ... 4 1.4.Tujuan Penelitian ... 5 1.5.Manfaat Penelitian ... 5
BAB 2 TINJAUAN PUSTKA ... 7
2.1. Sistem Distribusi ... 7
2.2. Penurunan Tegangan ... 8
2.3. Faktor Daya ... 9
2.4. Pengaruh Bank Kapasitor ... 10
2.5. Bagaimana Kapasitor Memperbaiki Faktor Daya ... 14
2.6. Hubungan Kapasitor Dengan Daya Reaktif ... 15
2.7. Fungsi Kapasitor Pada Sistem Tenaga ... 18
2.8. Rugi-Rugi Pada Sistem Distribusi ... 19
2.9. Analisa Aliran Daya Pada Sistem Tenaga ... 20
2.9.1. Persamaan aliran daya ... 20
2.9.2. Metode aliran daya ... 26
2.9.2.1.Metode Newton-Rhapson... ... 26
2.9.2.2.Metode Newton-Rhapson dengan koordinat polar... ... 29
2.10. Analisis Penempatan Bank Kapasitor ... 34
2.10.1. Metode genetik algorithm ... 35
2.10.2. Konsep dasar genetik algorithm ... 35 vi
2.10.3. Analisa penempatan optimal bank kapasitor dengan
metode “genetik algorithm” ... 37
2.10.4. Injeksi daya reaktif ... 38
2.10.5. Implementasi genetik algorithm ... 38
2.11. Parameter dan Batasan Parameter ... 39
2.12. Fungsi Objektif ... 39
2.12.1. Fungsi objektif rugi-rugi daya ... 40
2.l2.2. Fungsi objektif rating bank kapasitor ... 41
2.12.3. Fungsi objektif biaya bank kapasitor ... 42
2.13. Algoritma Penempatan Bank Kapasitor ... 43
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 45
3.1. Metode Penelitian ... 45
3.2. Langkah-langkah Penelitian ... 45
3.3. Lokasi Penelitian ... 45
3.4. Data... ... 46
3.5. Alat dan Bahan ... 46
3.6. Pemodelan Sistem Distribusi Radial ... 46
3.6.1. Pemodelan sebelum penempatan bank kapasitor ... 47
3.6.2. Pemodelan setelah penempatan bank kapasitor... .... 47
3.7. Analisa Data... ... 47
3.8. Metode Analisa ... 48
3.9. Analisis Aliran daya ... 48
3.9.1. Analisis aliran daya sebelum penempatan bank kapasitor.. 49
3.9.2. Analisa profil tegangan sebelum penempatan optimal bank kapasitor.. ... 57
3.9.3. Analisis penempatan optimal bank kapasitor... ... 68
3.9.4. Analisis aliran daya setelah penempatan bank kapasitor.. ... 81
3.9.5. Analisis profil tegangan setelah penempatan bank kapasitor. ... 89
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 102
4.1. Hasil dan Pembahasan Tegangan Sebelum Penempatan Bank Kapasitor ... 102
4.3. Analisa Fungsi Objektif ... 106
4.3.1. Fungsi objektif rating bank kapasitor ... 107
4.3.2. Fungsi objektif biaya bank kapasitor. ... 107
4.3.3. Fungsi objektif rugi-rugi daya ... 109
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 112
5.1. Kesimpulan ... 112
5.2. Saran ... 113
DAFTAR PUSTAKA ... 114 LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
1.1 Perbandingan peneliti terdahulu dengan peneulis... 3
2.1 Data populasi awal ... 35
2.2 Data Populasi Pembaruan ... 36
3.1 Hasil Aliran Daya Sebelum Penempatan Bank KapasitorPada Konfigurasi Kondisi Normal Dengan Software E.T.A.P 4.0 ... 48
3.2 Profil Tegangan Sistem Distribusi Radial Sebelum Penempatan Bank Kapasitor Pada Kondisi Konfigurasi Normal Dengan Software E.T.A.P 4.0 ... 57
3.3 Profil Tegangan Sistem Distribusi Radial Yang Mengalami Drop Tegangan Sebelum Penempatan Bank Kapasitor Pada Kondisi Konfigurasi Normal Dengan Software 4.0... 62
3.4 Proses Iterasi Dengan Metode Genetik Algorithm ... 77
3.5 Hasil Analisis Aliran Daya Setelah Penempatan Bank Kapasitor Dengan Software E.T.A.P 4.0 ... 80
3.6 Profil Tegangan Sistem Distribusi Radial Setelah Penempatan Bank Kapasitor Pada Kondisi Konfigurasi Normal Dengan Software E.T.A.P 4.0 ... 89
3.7 Profil Tegangan Sistem Distribusi Radial Setelah Kapasitas Bank Kapasitor diperbesar Pada Kondisi Konfigurasi Normal Dengan Software E.T.A.P 4.0 ... 95
4.1 Profil Tegangan Sebelum Penempatan Bank Kapasitor ... 101
4.2 Profil Tegangan Setelah Penempatan Bank Kapasitor ... 103
DAFTAR GAMBAR
Nomor J u d u l Halaman
2.1. Tipikal jaringan distribusi ... 7
2.2. Vektor Diagram Segitiga Daya ... 9
2.3. a. Rangkaian ekivalen dari saluran ... 11
b. Diagram vektor pada rangkaian dgn faktor daya lag ... 11
c. Diagram vektor dgn kapasitor shunt ... 11
2.4. Perbandingan besar daya semu sebelum dan sesudah pemasangan kapasitor paralel ... 12
2.5. Perbaikan faktor daya dengan kapasitor ... 14
2.6. a. Generator tanpa kapasitor ... 16
b. Generator terpasang dengan kapasitor ... 16
2.7. Perbaikan faktor daya dengan kapasitor paralel ... 17
2.8. Diagram satu garis sistem 2 rel ... 20
2.9. Diagram impedansi sistem 2 rel ... 21
2.10. Rel daya dengan transmisi model π untuk sistem 2 rel ... 22
2.11. Aliran arus pada rangkaian ekivalen ... 22
2.12. a. sistem n-rel ... 24
b. model transmisi π untuk sistem n-rel ... 24
2.13. Ilustrasi metode Newton-Raphson ... 29
2.14. Proses Crossover. ... 36
2.15. Operasi Mutasi. ... 37
3.1. Karakteristik Fungsi Epsilon Terhadap Iterasi ... 80
4.1. Profil Tegangan Sebelum Penempatan Bank Kapasitor ... 103 .
4.2. Profil Tegangan Setelah Penempatan Bank Kapasitor ... 104 4.3. . Profil Tegangan Setelah Kapasitas Bank Kapasitor Diperbesar . 106
