rancang bangun alat pendeteksi harmonisa arus listrik secara real
advertisement
POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 ISSN : 1858-3709 Desain dan Implementasi Sistem Akuisisi Data Harmonisa Arus Listrik Secara Real Time Design and Implementation of Data Acquisition System For Current Harmonic as Real Time Rahmat Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang Kampus Unand Limau Manis Padang 25163 Telp. 0751-72590 Fax. 0751-72576 Email: [email protected] ABSTRACT The fault of transmission electrical power causes the production, communication equipment, control equipment, personal computer work not optimum. This research implemented the fast Fourier transform theorem to hardware and software for harmonics detection on power system. Harmonics is a distortion in power system as effect from non linier load, harmonics will increase loses in transformation and motor, also make dysfunction from electric equipment like relay switching process. This system can process signal from times domain to frequency domain and shown it in graphic as real time in Personal Computer. Input signal from current sensor, increase with adder circuit and Analog to Digital Converter as signal sampling and convert analog signal into digital signal with digital data 0 - 255. This system has tested with Energy Saved Lamp and UPS. Testing this system indicated there are harmonic around frequency 150 Hz and 300 Hz.. Keyword: harmonic, data acquisition, fast Fourier transform, real time PENDAHULUAN Gangguan yang terjadi pada saat penyaluran daya listrik membuat tidak nyaman pengguna listrik. Hal ini dapat membuat produksi, peralatan komunikasi, peralatan kontrol, personal computer bekerja tidak maksimal.Gangguan tersebut bisa disebabkan oleh kenaikan atau penurunan tegangan, kenaikan atau penurunan frekuensi. Oleh karena itu penyedia tenaga listrik dituntut untuk tanggap setiap terjadi gangguan dan berusaha seminimal mungkin mencegah terjadinya gangguan. Pentebab gangguan dalam kualitas daya listrik sangat bervariasi. Bisa disebabkan faktor alam, manusia maupun dari peralatan penyedia daya listrik sendiri. Pada sistem tenaga listrik AC ideal, energi listrik disalurkan dalam frekuensi tunggal yang konstan dan pada level tegangan yang konstan pula. Tetapi dengan perkembangan beban listrik yang semakin besar dan komplek, terutama penggunaan beban-beban tak linier, akan menimbulkan perubahan pada bentuk gelombang, seperti terlihat pada Gambar 1 Ketika tegangan yang diberikan berupa sinusoidal murni kedalam suatu rangkaian sederhana resistor tak linier, maka akan mengalir gelombang arus yang terdistorsi Gambar 1. Arus terdistorsi karena beban tak linier (Dugan, Roger C) Gambar.1 mengilustrasikan bentuk gelombang yang terdistorsi dapat diekspresikan sebagai bentuk penjumlahan dari gelombang sinusoidal murni dengan frekuensi masing-masing gelombang yang merupakan kelipatan integer dari gelombang fundamental, gelombang 55 POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 kelipatan inilah yang disebut harmonisa dari fundamental Frekuensi harmonisa dengan orde yang cukup tinggi (diantara harmonisa ke25 sampai harmonisa ke-50) dapat diabaikan untuk analisis sistem tenaga karena pada frekuensi harmonisa tersebut mempunyai nilai magnitude yang sangat kecil, tetapi pada range orde frekuensi tersebut dapat menimbulkan interferensi ISSN : 1858-3709 dengan peralatan elektronika dengan daya yang rendah. Sumber-sumber harmonisa akan banyak kita temukan pada jaringan sistem tenaga listrik, terutama pada elemen yang terhubung paralel pada sistem (seperti beban motor dan peralatan elektronika daya). Distorsi harmonisa akan mengakibatkan kerugian pada jaring sistem, datap juga menyebabkan terjadi resonansi paralel maupun seri. 50 Hz h=1 + 150 Hz h=3 + 250 Hz h=5 + 350 Hz h=7 Gambar 2. Representasi deret fourier pada gelombang terdistorsi (Dugan, Roger C) Untuk memperoleh efisiensi pengoperasian dan pemanfaatan sistem tenaga listrik, maka pengaruh harmonisa harus diperhitungkan Berbagai cara telah dilakukan untuk perbaikan gangguan sinyal terutama harmonisa listrik dan memperbaiki kualitas listrik, sampai saat ini telah dikembangkan berbagai penggunaan teknologi sistem tenaga listrik, baik secara sofware maupun hardware. Misalnya penggunaan konsep power elektronik penyediaan pengamanannya dari masalah kualitas sistem tenaga listrik, seperti Unified Power Quality Compensator (UPQC). Dynamic Voltage Restorer (DVR) mempunyai nilai penyelesaian yang efektif dalam meringankan permasalahan tegangan kedip (voltage sags), dengan membangun tingkatan kualitas tegangan yang sebenarnya yang dibutuhkan oleh pengguna. Ketika gangguan terjadi dalam jaringan sistem tenaga, tegangan kedip tibatiba akan muncul pada beban yang terdekat. Untuk mengatasi permasalahan ini dipasang DVR antara sumber dengan beben kritis. DVR akan menginjeksi power aktif ke sistem dengan suatu nilai nominal yang mempunyai respon waktu milidetik sehingga menghindari gangguan pada sistem tenaga ke beban.(Jurado, F & Valverde, M.. 2003). Dalam upaya memperkaya dan memperlus cara mengatasi gangguan listrik, maka pada penelitian ini dibuat sebuah sistem akusisi data sinyal listrik dengan menerapkan metoda FFT untuk memonitoring adanya harmonisa listrik. Penggunaan metode ini akan mengolah sinyal dari domain waktu ke frekuensi. Sistem akuisi data ini dapat dikembangkan pada sistem berbasis kecerdasan buatan untuk keperluan identifikasi harmonisa listrik, sehingga dapat mengidentifikasi adanya harmonisa pada frekuensi keberapa Suatu bentuk transformasi yang umum digunakan untuk merubah sinyal dari domain waktu ke domain frekuensi adalah transformasi Forier Untuk menghitung frekuensi suatu sinyal, sebuah implementasi diskrit dari analisa Forier dapat digunakan, 56 POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 yang kemudian lebih disempurnakan dengan suatu algoritma yang dikenal sebagai Fast Forier Transform (FFT). Secara umum teknik ini m,erupakan pendekatan yang terbaik terbaik untuk transformasi. Dalam hal ini input sinyal ke window ditetapkan memilikim panjang 2 m. Kita dapat memilih analisis window yang akan digunakan, ouput dari syntax FFT(x,n) merupakan sebuah fektor complek, dengan n amplitude komplek dari 0 Hz sampai dengan sampling frekuensi yang digunakan. FFT merupakan algoritma untuk mempercepat penghitungan DFT, sehingga dapat menurunkan (mereduksi) jumlah perkalian dalam perhitungan DFT. FFT mengambil keuntungan dalam banyak perhitu-ngan yang dipercepat oleh DFT karena sifat yang periodik dari diskrit Fourier Kernel: e j 2kn / N . (Oppenheim, A dkk. 1995) Penelitian ini bertujuan merancang dan merealisasikan sistem akuisi data yang dapat menginterprestasikan bentuk gangguan sinyal listrik khususnya harmonisa listrik pada PC, sehingga dapat dijadikan langkah awal disain filter digital atau sistem lain untuk menekan gangguan harmonisa listrik. ISSN : 1858-3709 METODOLOGI Secara garis besar sistem akusisi sinyal listrik untuk monitoring harmonisa listrik dapat dilihat seperti pada gambar 3. Sinyal gangguan atau sinyal yang diduga mengandung harmonsa listrik akibat pemakain beban tak linear diambil dari saluran tenaga listrik. Gelombang pada sistem tenaga yang akan dideteksi masih mempunyai amplitudo yang sangat besar maka amplitudo dari gelombang tersebut harus diturunkan terlebih dahulu, gelombang yang diamati disini adalah gelombang arus, agar dapat melihat bentuk gelombang arus maka digunakan trafo arus sekaligus digunakan sebagai trafo penurun (step-down transformer). Gelombang arus yang sudah diturunkan, diubah menjadi gelombang tegangan dengan memberikan sebuah hambatan yang dipasang secara paralel antara dua sumber arus. Agar gelombang tegangan hasil konversi tersebut dapat digunakan sebagi input pada ADC maka terlebih dahulu dimasukkan kedalam rangkaian differensial amplifier, Dari besaran analog yang merupakan output dari rangkaian diff-amp diubah menjadi besaran digital oleh A/D Converter sehingga dapat diproses oleh komputer (PC). Didalam PC dilakukan proses pengolahan sinyal dengan metode FFT. Sinyal Gangguan Saluran Tenaga Listrik Transformastor Arus Peralatan antar Muka Pengolahan Sinyal (FFT) Interpretasi Sinyal Harmonisa Gambar 3. Diagram blok sistem akuisis data harmonisa arus listrik 57 POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 ISSN : 1858-3709 dapat diketahui bahwa sinyal lain yang secara bersama-sama masuk ke kedua input tersebut tidak akan berpengaruh pada tegangan output. Tetapi, praktek rangkaian diff-amp tidak dapat dijelaskan dengan Persamaan 8, karena secara umum output tidak hanya tergantung pada perbadaan sinyal (v d ) dari kedua input, tetapi juga tergantung pada level rata-rata (commonmode signal ) v c , untuk : 1. Mendisain dan merealisasikan sistem akuisisi data sinyal istrik yang terdiri dari Perangkat keras dan perangkat lunak Rangkaian Differensial Amplifier Fungsi dari rangkaian differensial amplifier (diff-amp) secara umum adalah penguatan hasil dari dua sinyal yang berbeda. Kebutuhan pada rangkaian diffamp timbul diberbagai metode pengukuran, respon yang diperlukan mulai dari dc sampai dengan Mega Hertz. Gambar 4. menunjukkan rangkaian ekivalen diff-amp dengan dua sinyal input v 1 , v 2 dan sebuah sinyal output v o . Setiap input maupun output diukur terhadap ground. v d v1 v 2 dan vc 1 2 (v1 v 2 ) ….....(.1) Rangkaian Penjumlah / Adder Rangkaian penjumlah digunakan untuk meningkatkan level offset null dari tegangan input sinusoidal agar secara keseluruhan input tegangan sinusoidal dapat dibaca dan diterjemahkan oleh A/D Converter. Adapun gambar rangkaian penjumlah tersebut dapat dilihat pada gambar 10. Tegangan sinusoidal dari sistem tenaga listrik yang digunakan sebagai input rangkaian penjumlah sebesar 4 volt peak to peak, sedangkan tegangan DC yang digunakan untuk menaikkan level offset null tegangan AC sebesar 2,5 volt dc, sehingga diperoleh persamaan sinyal keluaran. Gambar 4. Diferensial Amplifier vo add dengan A d adalah penguatan pada differensial amplifier. Dari Persamaan1 Rf Ri1 vi AC Rf Ri 2 vi DC …(2) 4 +12 IC2B IC1A 5 3 R2 INPUT AC 100K 2 R2 7 6 OUTPUT 100K 3.8 Rangkaian Penjumlah (aR2 ddeLM324 r) LM324 11 R1 INPUT DC Ga100K mbar 1 100K Gambar 5. Diagram skema rangkaian penjumlah -12 R2 100K Gambar 5. Rangkaian Penjumlah 58 POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 karena gelombang tegangan input pada rangkaian adder diberikan pada input inverting, maka gelombang output rangkaian adder akan bernilai negatif (terbalik) sehingga diperlukan sebuah rangkaian lagi untuk mengembalikan ke bentuk gelombang semula (tidak terbalik) yaitu rangkaian inverting, yang dirumuskan sebagai berikut : vo R f o Ri o vo add …….. (3) Rangkaian Interface / Peralatan Antar Muka Sistem akuisisi data ini berbasiskan komputer untuk itu diperlukan rangkaian ISSN : 1858-3709 interface untuk bisa mengambil data agar bisa diolah oleh PC Gambar 6 adalah diagram blok rangkaian Interfac. ADC 0820 digunakan untuk mengubah data masukan analog menjadi digital, yang dibaca melalui parallel port. Untuk menentukan frekuensi sampling ADC digunakan rangkaian VCO yang dikendalikan oleh parallel port melalui sebuah DAC. Parallel port memberikan data digital paralel 8 bit melalui alamat 378.0 hingga alamat 378.7. Data paralel 8 bit tersebut diubah menjadi analog oleh DAC. DAC akan mengubah data digital tersebut menjadi arus dan diubah menjadi tegangan. Untuk itu digunakan sebuah konverter arus ke tegangan Zero Setting D0 .. D7 378.0 … 378.7 DAC 0808 I to V Converter I out V out Ref PARALELL PORT Vref 5.1V 379.3 379.4 … 379.7 37A.0 Y0 ... Y3 A/B A MUX 1 to 2 B D0 … D3 D4 … D7 VCO WR/RDY ADC 0820 V in CS RD Vin Masukan Sinyal EKG dari Generator Gambar 6. Diagram blok rangkaian interface Keluaran rangkaian konverter tersebut sudah berupa tegangan yang dapat diumpankan ke VCO. VCO akan mengubah besar tegangan tersebut menjadi gelombang dengan frekuensi tertentu. Gelombang yang dihasilkan adalah gelombang persegi, frekuensinya sesuai dengan besar tegangan masukan dari DAC. Sinyal keluaran VCO tersebut digunakan sebagai pengendali frekuensi sampling ADC 0820 untuk melakukan konversi data analog menjadi digital. Setelah konversi selesai, maka PC akan mengambil data melalui alamt 379.4 sampai alamt 379.7 Pengambilan data ini dimulai saat alamat 379.3 mendeteksi pulsa dari VCO menuju Low. Keluaran ADC 59 POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 0820 adalah data digital 8 bit yang akan masuk pada alamat 379.4 sampai 379.7. Karena saluran ini hanya 4 bit maka keluaran ADC 8 bit harus di-multiplek, 8 bit menjadi 4 bit yang akan diakses 2 kali 2. Perangkat Lunak Secara garis besar perangkat lunak ini terdiri dari atas pengambilan data dari luar agar dapat diakses pada PC. Kemudian baru di olah dengan menggunakan metode FFT. Dalam bagian ini, sinyal input disampling dengan mengambil titik-titik dalam waktu diskrit pada sinyal input, lalu dengan metode Fast-Forier Transform sinyal ditransformasi ke kawasan frekuensi. FFT merupakan algoritma untuk mempercepat penghitungan DFT, sehingga dapat menurunkan (mereduksi) jumlah perkalian dalam perhitungan DFT. Dasar dari perhitungan FFT menggunakan konfigurasi kupu-kupu (butterfly). Pada dasar perhitungan FFT menggunakan konfigurasi kupu-kupu (butterfly), maka dapat dengan mudah mengembangkan metode ini dalam sebuah program. Akan tetapi terlebih dahulu dibuat flowchart untuk memudahkan dalam perancangan perangkat lunak menggunakan FFT ini. Flowchart dari proses FFT dapat dilihat pada Gambar 7 Proses pertama dilakukan inisialisasi parameter-parameter yang berhubungan dengan proses FFT, antara lain penentuan orde FFT (N), penentuan twiddle factor, penentuan bit reverse, serta pengambilan input data FFT. Penentuan orde FFT (N) dapat ditentukan sesuai dengan kebutuhan sistem, yaitu berdasarkan pertimbangan dari besar kecepatan (Ts) ADC, dan besar range frekuensi harmonisa yang akan dideteksi pada sistem ini. Penentuan orde FFT juga disesuaikan dengan perencanaan backpropagation neural network, yaitu disesuaikan dengan perancangan layer-layer pada jaring. Proses berikut pada FFT adalah penentuan twiddle factor. (Wnk). Seperti diketahui bentuk rumus dari DFT adalah: ISSN : 1858-3709 X (k ) N 1 x ( n) e - j2kn/N …… (4) n 0 dari rumus di atas, didapatkan nilai twiddle factor dengan: W nk e -j2kn/N W nk cos (2kn/N) - j sin(2kn/N) ……(5) Start Inisialisasi N := 2nu; integer i,j,bit ; integer inputfft[] ; array Hitung twiddle factor Hitung bit reverse while i>=bit numtrans:=numtrans/2 halfsize:=sizetrans sizetrans:=2*sizetrans for ind:=0 to halfsize-1 twiddle:=twid[ind*numtrans] for sub:=0 to numtrans-1 iplus:=sub * sizetrans + ind iminus := iplus + halfsize but1 := inputfft[iplus] but2 := Cmul(twiddle,inputfft[iminus]) inputfft[iplus] := Cadd(but1,but2) inputfft[iminus] := Csub(but1,but2) End Gambar 7. Flowchart proses Transform Fast Fourier 60 POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 3. Menguji Sistem Untuk menentukan sistem apakah sudah berfungsi sesuai dengan yang diinginkan yaitu sistem dapat memperlihatkan adanya harmonisa pada saluran tenaga listrik akibat pemakaian beban tidak linear. Dalam hal ini sitem diuji dengan menggunakan Lampu Hemat Energi dan UPS. Pengujian Software meliputi menguji sistem pengambilan data dari input transformator sampai bisa dibaca oleh PC atau Notepad. Kemudian pengujian pemrosesan sinyal dengan menggunakan FFT, data sinyal yang telah diambil dari luar akan diransformasi ke kawasan waktu ISSN : 1858-3709 HASIL Hasil yang telah didapat pada penelitian ini adalah sebuah sistem akusisi data sinyal listrik yang terdiri atas perangkat keras ( peralatan anatar muka ) dan perangkat lunak yang terdiri atas perangkat lunak pengambilan data dan pemrosesan sinyal. Perangkat keras sistem akusisi data sinyal listrik yang dihubungkan pada PC atau Laptop melalui Paralell Port. (gambar 8) Gambar 8. Pegkat keras akusisi data sinyal listrik Gambar 9. Pengujian dengan Lampu Hemat Eergi 61 POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 ISSN : 1858-3709 Gambar 10. Representasi hasil pengujian dengan Lampu Hemat Energi Gambar 11. Representasi sinyal dalam kawasan frekuensi pada hasil pengujian dengan Lampu Hemat Energi Gambar 12 merupakan representasi sinyal listrik dalam kawasan frekuensi hasil pengujian dengan UPS. Terlihat bahwa frekuensi fundamental berada disekitar 50 Hz, sedangkan ada harmonisa listrik disekitar frekuensi 150 Hz dan 250 Hz. Gambar 12. Representasi sinyal dalam kawasan frekuensi pada hasil pengujian dengan UPS PEMBAHASAN Pemrograman ini dapat dipakai untuk mengakses bahasa assembly yang digunakan sebagai program pembacaan data dari ADC melalui Parallel Port. Data yang disampling dari ADC ditampilkan dalam bentuk grafik. Pengujian sitem dilakukan dengan menggunakan beban tidak linear yaitu lampu hemat energi dan UPS. Pengujian menggunakan Laptop dengan prosessor Centrino 1,5 GHz, Memory 256 dan Sistem Operasi Windows XP 2. Pengujian pertama dilakukan dengan 62 POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 menggunakan lampu hemat energi. Lampu hemat energi dipasang pada soket yang terhubung langsung pada jala-jala lstrik. Proses pengujian dilakukan dengan memasang kabel AC yang terhubung pada t.ransformator penurun tegangan pada alat akusisi data (gambar 10). Gelombang arus yang sudah diturunkan, diubah menjadi gelombang tegangan dengan memberikan sebuah hambatan yang dipasang secara paralel antara dua sumber arus. Agar gelombang tegangan hasil konversi tersebut dapat digunakan sebagi input pada ADC maka terlebih dahulu dimasukkan kedalam rangkaian differensial amplifier, Dari besaran analog yang merupakan output dari rangkaian diff-amp diubah menjadi besaran digital oleh A/D Converter yang dihubungkan dengan port paralell sehingga dapat diproses oleh komputer (PC Proses yang terjadi pertama sekali yaitu penyamplingan dan pengambilan data dari ADC melalui Parallel Port melalui alamat port 3e0h, yaitu pada port a, dibuat dengan bahasa Assembly. Untuk mendapatkan data dari ADC ditentukan waktu sampling (Ts) sebesar 0.0001 detik, sehingga satu periode (cycle) didapatkan: 0.02 n data/periode = 0.0001 = 200 data Pada proses penyamplingan data input perlu memperhatikan frekuensi sampling. Teorema sampling yang menyebutkan bahwa frekuensi sampling harus paling tidak dua kali frekuensi tertinggi yang ada pada signal asli agar dihasilkan transfer informasi yang tepat pada sistem yang diambil sample. Komponen frekuensi pada setengah frekuensi sampling disebut sebagai frekuensi Nyquist. Frekuensi sampling yang ditentukan dalam perangkat lunak ini adalah sebesar: 1 fs Ts 1 fs 0.0001 f s 10000 Hz ISSN : 1858-3709 Pembuatan algoritma FFT menggunakan orde N sebesar 1024. Kecepatan perhitungan FFT dibandingkan dengan algoritma DFT untuk N=1024 adalah sebesar 102,4 kali. Hal ini sangat berpengaruh pada pembuatan perangkat lunak yang memerlukan kecepatan tinggi dalam pengolahan data. Dengan algoritma FFT ini yang dapat mereduksi jumlah perkalian perhitungan data DFT, maka penelitian ini diharapkan realtime sesuai dengan tujuan. Realtime yang dimaksud adalah adalah agar perangkat yang dibuat baik perangkat keras maupun lunak dapat mendeteksi gangguan pola harmonisa dengan cepat. Penggunaan nilai orde N=1024 dipilih karena nilai ini dirasakan cukup untuk memproses data input menjadi data dalam range frekuensi. Gambar 10 merupakan representasi sinyal listrik dalam kawasan frekuensi hasil pengujian dengan lampu hemat energi. Terlihat bahwa frekuensi fundamental berada disekitar 50 Hz, sedangkan ada harmonisa listrik disekitar frekuensi 150 Hz dan 300 Hz. Pengujian kedua dilakukan dengan menggunakan UPS, Proses pengujian yang dilakukan sama dengan pengujian pada Lampu Hemat Energi. Hasil pengujian dapat dilihat pada gambar 12 .UPS terhubung langsung pada jala-jala lstrik. Proses pengujian dilakukan dengan memasang kabel AC yang terhubung pada t.ransformator penurun tegangan pada alat akusisi.Gelombang arus yang sudah diturunkan, diubah menjadi gelombang tegangan dengan memberikan sebuah hambatan yang dipasang secara paralel antara dua sumber arus. Agar gelombang tegangan hasil konversi tersebut dapat digunakan sebagi input pada ADC maka terlebih dahulu dimasukkan kedalam rangkaian differensial amplifier, Dari besaran analog yang merupakan output dari rangkaian diff-amp diubah menjadi besaran digital oleh A/D Converter yang dihubungkan dengan paralell port sehingga dapat diproses oleh komputer. 63 POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009 ISSN : 1858-3709 SIMPULAN Sistem akusisi data yang dibuat dapat merepresentasikan sinyal secara real time pada PC dalam kawasan frekuensi. Pada pengujian dengan lampu Hemat Energi dan UPS terlihat adanya harmonisa listrik disekitar frekuensi 150 Hz dan 300 Hz. Untuk pengembangan selanjutnya disarankan agar dilakukan perhitungan faktor daya sehingga dapat untuk membantu perhitungan dalam pembuatan filter digital. DAFTAR PUSTAKA Costa, FF. Almeida, L & Naidu, S R. 2004. Improving the Signal Data Acquisition in Condition Monitoring of Electrical Machines. IEEE Trans Instrumentation and Measurement, vol. 53, pp. 10151019. Dugan, Roger C dkk. Electrical Power System Quality, MccGraw–Hill. Embree, Paul M. 1995. C Algorithms for Real-Time Digital Signal Processing, Prentice Hall Inc., Upper Saddle River N.J Jurado, F & Valverde, M.. 2003. Voltage Sag Correction By Dynamic Voltage Restorer Based on Fuzzy Logic Control. IEEE Transaction on Industrial Electronic. Openheim, A.dkk. 1995. Signal and System. Prentice-Hall of India. New Delhi. 64
