## PREDIKSI DISTORSI HARMONISA PADA UTILITY LISTRIK PERUMAHAN  YANG DISEBABKAN OLEH BEBAN NONLINIER MENGGUNAKAN  STATISTIK PERBANDINGAN LINIER

## Oleh Riza Widia, Herisajani,  Witrionanda
Staf  Pengajar Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang

## ABSTRACT
Loads  of  electricity  utility consists  of  linear  loads  and  non  linear  loads.  The  non  linear loads  for  example  TV,  personal  computer,  VCD  player,  microwave  and  fluorescent  lamp  using electronics  ballast.  Loads  with  non  linear  characteristics  become  harmonic  current  source  to electricity  utility.  Condition  prediction  used  statistic  linear  comparison  based  on  load  power  to THDi  (Distortion  of  Harmonic  Current).  Measurement  result  using  power  quality  analyzer  and etap 4.0 (Fluke 43B) find typical THDi. The calculation and measurement result of PF and THD to loads of electricity utility show the differences less than 5%. However power factor formulation and distortions of harmonic current is valid.
Keyword: Electricity utility, Loads, Distortion of Harmonic Current

## PENDAHULUAN
Beban-beban  yang  terdapat  pada utiliti litrik perumahan sekarang ini tidak hanya  terdiri  dari  beban  linier  saja, seperti  lampu  pijar,  pemanas  air,  strika dan  lain  sebagainya  tetapi  juga  terdiri dari  beban-beban  nonlinier  berupa peralatan elektronik seperti TV,
komputer,  tape  recorder,  DVD  player,
blenders, lampu-lampu fluorescent menggunakan  ballast  elektronik,  motor- motor  listrik  yang  dikontrol  oleh konverter statis dan lain sebagainya. Secara  umum  permasalahan  yang ditimbulkan  oleh  beban-beban  linier adalah  menyangkut  faktor  daya  utiliti, sedangkan  pada  beban  nonlinier permasalahan  yang  ditimbulkan  adalah lebih  komplek.  Pada  beban  nonlinier (peralatan  elektronik)  selalu  terdapat konverter  berupa  penyearah  yang mengkonversikan  tegangan bolak  balik
dari  utiliti  ke  tegangan  searah  untuk operasi komponen elektronik. Konverter- konverter  ini  mempunyai  karakteristik yang  nonlinier,  sehingga  ia  merupakan sumber arus harmonisa bagi utiliti listrik. Tingginya  tingkat  kandungan  harmonisa yang terdapat pada utiliti listrik atau pada sistem  distribusi  tenaga  listrik,  dapat menyebabakan  kualitas  daya  sistem menjadi  lebih  buruk,  karena  faktor  daya sistem  menjadi  lebih  rendah,  bentuk gelombang  tegangan  sistem  terdistorsi, rugi-rugi  daya  pada  sistem  meningkat, pemanasan  lebih  pada  transformator, peningkatan  arus  netral  sistem  yang menyebabakan  beban  lebih  pada konduktor  netral  dan  penggunaan  energi listrik menjadi tidak efisien [2].
Dari  hasil  survei  CBEMA (Computer  and  Business  Equipment Manufacturing  Association)  dan  LCSE (Liebert  Customer  Service  Engineering) dinyatakan  bahwa  lebih  dari  40%  total
beban  yang  terdapat  pada  sistem distribusi  tenaga  listrik  modern  adalah berupa  beban  nonlinier  yang  didominasi oleh peralatan elektronik. Dan beban ini telah menyebabkan arus sistem terdistorsi  dengan  faktor  daya  lebih rendah  dari  0.67  dan  arus  netralnya mencapai  1.73  kali  dari  arus  fasanya. Beban elektronik ini meningkat terus dan diperkirakan  mencapai  65%  pada  akhir tahun  2004.  Sebagaimana  diketahui bahwa  setiap  peralatan  elektronik  yang terdapat  pada  utiliti  merupakan  sumber arus  harmonisa.  Besar  arus  harmonisa yang dibangkitkannya akan proporsional terhadap  kapasitas  dayanya.  Secara individual,  arus  harmonisa  yang dibangkitkan  oleh  peralatan  elektronik ini relatif kecil tetapi secara keseluruhan arus  harmonisa  ini  menjadi  signifikan bagi  utiliti. Karena  total  beban  yang terdapat  pada  utiliti  listrik  perumahan adalah gabungan dari beban-beban linier dan  nonlinier,  maka  total  distorsi  arus harmonisa  dan  faktor daya  pada  utiliti juga  akan  dipengaruhui  oleh  komposisi gabungan  dari  kedua  jenis  beban tersebut. Pada paper ini  dijelaskan suatu metoda  pembentukan  formulasi  praktis untuk  memprediksi  distorsi  arus harmonisa  dan  faktor  daya  yang  terjadi pada utiliti listrik perumahan dikarenakan  oleh  gabungan  dari  beban linier  dan  nonlinier.  Pada  metoda  ini, beban-beban  linier  dimodelkan  sebagai beban  tanpa  kandungan  harmonisa  dan beban-beban nonlinier dimodelkan sebagai  sumber  arus  harmonisa  yang sebanding  dengan  kapasitas  dayanya. Pembentukan  formulasi  didasarkan  pada jenis  dan  kapasitas  daya  masing-masing beban  yang  diolah  menggunakan  cara statisik-perbandingan linier.
Hasil prediksi  ini  sangat  berguna  untuk mengetahui kemampuan kapasitas jaringan  utiliti  yang  ada  sekarang  dan sebagai  antisipasi  untuk  pengembangan masa yang akan datang.

## Beban Linier
Beban  linier  yang  terdapat  pada utility  perumahan  dapat  dimodelkan sebagai suatu kombinasi antara resistansi dan  induktansi,  tampak  pada  gambar  di bawah ini.
Gambar 1. Pemodelan beban linier
Apabila  tegangan  utility ) ( t V diasumsikan  adalah  sinusoidal  murni tanpa kandungan harmonisa, yaitu: t V t V L  sin 2 ) (  ……………(1) Maka  arus  beban ) ( t i L juga merupakan  sinusoidal  murni  dengan sudut pergeseran fasa θ, dapat dinyatakan sebagai berikut:
) sin( 2 ) ( 1 1     t I t i L L …….(2)
Sehingga  daya  dan  faktor  daya pada beban utility adalah:  cos . 1 L L L V P  ………………(3)
Dimana  cos θ adalah  faktor  daya  (PF)
beban linier. Beban Nonlinier Beban-beban nonlinier yang terdapat pada utility perumahan umumnya  merupakan  peralatan  listrik elektronik satu  fasa,  pada  peralatan elektronik  ini  selalu  terdapat  penyearah (DC Power Suply) yang berfungsi untuk merubah  tegangan  bolak-balik  (AC) menjadi  tegangan  searah  (DC)  yang diperlukan  untuk  operasi  peralatan tersebut. Untuk  mendapatkan  tegangan yang  searah  relative  ideal,  maka penyearah  yang  digunakan  dilengkapi dengan  kapasitor  perata  C,  atau menggunakan  switch  mode  power  suply
(SMPS),  seperti  yang  ditunjukkan  pada gambar 2 dan gambar 3.
dc I dc V L I L V Gambar 2. Rangkaian penyearah satu fasa
Gambar 3. Switch mode power suply (SMPS)
Karakteristik  tegangan  dan  arus yang  nonlinier  dari  penyearah  di  atas menyebabkan  arus utility tidak  lagi proportional terhadap tegangan, sehingga arus  utility  terdistorsi  (nonsinusoidal) yang mengandung harmonisa.
Oleh  karena  itu  beban  nonlinier (peralatan  elektronik)  dapat  dimodelkan sebagai  satu  beban  linier  R  dan  L  dan sumber  arus  harmonisa,  seperti  yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
L I L V Gambar 4. Pemodelan beban nonlinier pada utility
Rata-rata Istilah  “rata-rata  ( average )”  ini sebenarnya ini meliputi beberapa ukuran pemusatan.  Rata-rata  ( average )  adalah nilai  khas  yang  mewakili  sifat  tengah, atau  posisi  pusat,  dari  suatu  kumpulan data.  Terdapat  beberapa  ukuran  yang
termasuk  rata-rata  sebagaimana  yang dibahas berikut.
1. Mean Aritmatik Dalam prakteknya seringkali istilah “rata-rata” mengacu pada mean aritmatik atau  mean.  Mean aritmatik  dirumuskan sebagai berikut.
Data Tidak Terkelompok
n X X n i i    1 _ .............................(4) N X N i i x    1  ………………...(5)
Dimana: _ X : Mean aritmatika dari suatu sampel x  : Mean aritmatika dari suatu populasi
i X : Nilai dari suatu data n: Banyaknya data x dari suatu sampel N: Banyaknya data x dari suatu populasi
2. Mean Aritmatik Terbobot (Weighted Arhitmetic Mean) Sering  sekali  suatu  persoalan, masing-masing  nilai  mempunyai  nilai bobot  /  timbangan  tertentu,  misalnya  X 1 denga  timbangan  W 1 ,  X 2 dengan timbangan W 2 , dan seterusnya sampai X n dengan  timbangan  W n .  oleh  karena  itu rata  yang  menggunakan  timbangan tersebut  disebut rata-rata  tertimbang ( weight arihitmetic mean ).
     n i i n i i i w W X W X 1 1 _ . ….(6) Dimana:
X i : Mean aritmatika terbobot; W i : faktor pembobotan
Apabila  terdapat  sejumlah  beban linier  dan  nonlinier  pada utility listrik perumahan  dengan  kapasitas  atau  bobot (daya),  maka  dapat  dibentuk  suatu formulasi praktis  yang  dapat  digunakan
untuk  memeprediksi  distorsi  arus harmonisa  dan  faktor  daya  total  pada utility  tersebut,  yaitu  seperti  yang dinyatakan sebagai berikut:
     1 1 ) )( ( n n n n n UTL P THD P THD ………..(7)
Dimana: THD UTL : Total  kandungan  harmonisa arus  pada  utilitiTHD n Total kandungan harmonisa
peralatan  yang  termasuk beban nonlinier. P n : Kapsitas  daya  masing- masing peralatan listrik.
Dan faktor daya utiliti PF UTL dapat ditentukan sebagai berikut:
PF UTL UTL UTL DPF THD . ) ( 1 1 2           ..(8)
Dimana  DPF UTL adalah  faktor pergeseran  daya  utiliti  yang  dapat ditentukan sebagai berikut:
DPF      1 1 ) ( ) )( ( n nL n nL nL UTL P DPF P ………..(9) Dimana:
P nL :  Daya pada beban nonlinier DPF nL :  Faktor  pergeseran  daya  pada beban nonlinier
Telah  dijelaskan  beban  pada utility listrik perumahan secara
umum merupakan  gabungan  dari  jenis  beban linier  dan  nonlinier  dengan  kapsitas dayanya  masing-masing.  Beban-beban linier  akan  mempengaruhui  DPF, sedangkan  beban  nonlinier  akan mempengaruhui THD dan juga DPF pada utiliti.  Dengan demikian,  gabungan  dari kedua  jenis  beban  ini  sama-sama mempengaruhui  nilai  THD  dan  PF  pada utiliti

## Data dan Pengukuran
Hasil  pengukuran  distorsi  arus harmonisa  pada  peralatan  elektronik yang  lain  seperti  TV,  komputer  dan lampu flourescent masing-masing diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

## Pengukuran  Daya  dan  Harmonisa Arus pada Beban
Seperti  kita  ketahui  bahwa  beban- beban  yang  terdapat  pada  utility perumahan  terdiri  dari  beban  linier  dan nonlinier.  Untuk  itu  kita  akan mengelompokkan  pengukuran  di  bawah ini  berdasarkan  beban  linier  dan nonlinier.
1. Pengukuran  Daya  dan  Harmonisa arus pada Beban Linier
Pengukuran  daya  dan  harmonisa arus pada beban linier dilakukan dengan mengukur  sebuah  lampu  pijar.  Lampu pijar  merk  philips  dengan  daya  100  W dan tegangan kerja 220 – 240 Volt. Nilai daya  dan  harmonisa  arus  terlihat  pada gambar di bawah ini.
Gambar 5. Daya dari lampu pijar
Gambar 6. Harmonisa arus lampu pijar
Keterangan:
Daya: 90 W PF: 1.00 DPF: 1.00 Keterangan: THD : 4,4 % F: 50,08 Hz
2. Pengukuran  Daya  dan  Harmonisa pada Beban Nonlinier Pengukuran  daya  dan  harmonisa arus  pada  beban  nonlinier  dilakukan dengan  mengukur  peralatan-peralatan elektronik  yang  terdapat  pada  utility perumahan,  yaitu:  lampu  hemat  energi (LHE),  TV  berwarna,  water  dispenser, tape recorder, dan komputer. Berikut ini susunan  gambar  pengukuran  mulai dari lampu  hemat  energi  dan  dilanjutkan dengan peralatan yang lain.
 Lampu hemat energi (LHE) Lampu flourescent merk Philips 23 W, dengan tegangan kerja 170 – 250 Volt.
Gambar 7. Daya lampu hemat energi (LHE)
Gambar 8. Harmonisa arus lampu hemat energi (LHE)
 DVD Player Merk Toshiba memiliki daya sebesar 20  W,  dengan  tegangan  kerja  220 – 240 Volt
Gambar 9. Daya DVD Player
Gambar 10. Harmonisa arus DVD Player  Tape Recorder Merk  Phillips  Boombox  memiliki daya  sebesar  35  Watt,  dengan tegangan kerja 110 – 220 Volt
Gambar 11. Daya Tape Recorder
Gambar 12.
Harmonisa arus Tape Recorder
Keterangan: Daya: 20 W PF: 0,68 DPF: 0,87 Keterangan: THD : 70,3 % F: 49,95 Hz Keterangan : Daya: 10 W PF: 0,49 DPF: 1,00 Keterangan : THD : 86,0 % F: 49,88 Hz Keterangan : Daya: 10 W PF: 0,69 DPF: 0,80 Keterangan : THD : 86,2 % F: 50,0 Hz
 Television 14” inchi Televisi  berwarna  merk  sharp  65 Watt,  dengan  tegangan  kerja  220 – 230 Volt.
Gambar 13. Daya TV Berwarna 14”
Gambar 14. Harmonisa arus TV Berwarna14”
 Water  dispenser  Merk  cosmos memiliki  daya  sebesar  350  Watt, dengan tegangan kerja 220 – 230 Volt.
Gambar 15. Daya water dispenser
Gambar 16. Harmonisa arus water dispenser
 Personal Computer (PC)
Komputer  ini  memiliki  supply  daya sebesar  350  watt,  dengan  tegangan kerja 115 – 230 Volt.
Gambar 17. Daya komputer (PC)
Gambar 18. Harmonisa arus komputer
(PC)
Pengukuran  Daya  dan  Harmonisa Arus pada Utility Pengukuran pada utility ini berguna untuk  mengetahui  nilai  total  daya  dan total  harmonisa  arus  secara  keseluruhan bila beban linier dan nonlinier digabung.
Selain  itu  sebagai  acuan  untuk pembuktian  rumus  prediksi  distorsi harmonisa
menggunakan ststistik Keterangan : Daya: 40 W PF: 0,65 DPF: 0,97 Keterangan : THD : 77,6 % F: 50,0 Hz Keterangan : Daya: 50 W PF: 0,58 DPF: 0,95
Keterangan : THD : 79,3 % F: 50,0 Hz Keterangan : Daya: 120 W PF: 0,56 DPF: 1,00
Keterangan : THD : 82,7 %
F: 49,75Hz
perbandingan linier menggunakan persamaan  2.15,  2.16,  dan  2.17. Seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 19. Daya pada Utility

## Gambar 20. Harmonisa arus Utility
Analisa Data dan Hasil Pengukuran
Setelah  menganalisa  daya  dari masing-masing beban, selanjutnya menganalisa  distorsi  harmonisa  arus ( THD i ) untuk beban linier dan nonlinier, untuk  itu  maka  akan  dibuatkan  suatu tabel  di  bawah  ini  yang  akan menjelaskan  jenis  beban,  kuantitas  atau banyaknya  peralatan,  daya  berdsarkan hasil  pengukuran,  total,  dan THD i peralatan  dan utility berdasarkan  hasil pengukuran.
Tabel 1. Total harmonic distortion ( THD i ) beban Jenis beban Peralatan Kuan titas Daya (Watt) Total PF DPF THD (%) Beban linier Lampu pijar 2 90 180 1.00 1.00 4,4 Beban nonlinier Water dispenser 1 50 50 0,58 0,95 79,3 Lampu TL 2 20 40 0,68 0,87 70,3 TV 1 40 40 0,65 0,97 77,6 Tape Recorder 1 10 10 0,99 0,94 82,7 Komputer 1 120 120 0,56 1.00 86,2 VCD Player 1 10 10 0,99 0,94 86,0
Tabel 2. Total harmonic distortion (THD i ) utility
Utility Daya (W) PF DPF THDi (%) 440 0,84 0,99 50,6 Dengan  mengasumsikan  bahwa THD arus pada peralatan elektronik atau beban  nonlinier  adalah  80,3%  dengan faktor  daya  PF=0,86  dan  beban  linier tanpa  kandungan  harmonisa  (THD=0), maka  dengan  menggunakan  formulasi yang  (2.4), (2.5)  dan  (2.6)  maka  hasil perhitungan  prediksi  distorsi  arus harmonisa  adalah  sebagai  berikut,  total
Keterangan : Daya: 440 W
PF: 0,84 DPF: 0,99
Keterangan : THD : 50,6 %
F: 49,78Hz
daya peralatan listrik yang tersambung di utiliti adalah 450 W dan THDUTL=49,3%  dengan  faktor  daya PFUTL=0,86. Perbedaan
hasil eksperimen  dan  hasil  perhitungan relative  sangat  kecil,  seperti  yang diberikan pada Tabel 2.1.
Tabel 3. Perbandingan Hasil Prediksi dan Pengukuran
Daya THD UTL PF UTL DPF UTL Prediksi 450 49,3 0,86 0,96 Pengukuran 440 50,6 0,84 0,99 % Kesalahan 1 2,64 2,3 3
Selain  itu  juga  kita  dapat membandingkan  atau  membuktikan melalui  sebuah  grafik  yang  menyatakan bahwa  daya  (Watt)  berbanding  lurus secara  linier  dengan  besarnya  distorsi harmonisa  arus  (THD i )  dalam  suatu beban utility perumahan,  dimana  beban tersebut  terdiri  dari  beban  linier  dan nonlinier. Dengan  cara  menggabungkan dan  mengatur  antara  beban  linier  dan nonlinier  sedemikian  hingga  didapatkan grafik di bawah ini.
0 100 200 300 beban thd beban 110 150 200 250 300 thd 14,6 32,14 45,9 51,42 56,24 1 2 3 4 5
Gambar 21. Grafik Daya (P) terhadap
i THD
Data Simulasi Menggunakan Etap 4.00 Data  simulasi  diperoleh  dari  data sekunder  yang  berasal  dari  PT.  PLN (Persero)  Unit  Bisnis  Distribusi  Jawa Timur.  Data  dipilih  berasal  dari  Gardu Induk  Tandes  dengan  Penyulang  Darmo Permai.  Data  tersebut  berupa  data jaringan tegangan rendah (20 KV/380 V) yang kemudian di olah didalam program simulasi Etap 4.00 Data tersebut meliputi hal-hal di bawah ini:
 Data Gardu Induk dan Penyulang
 Data kapasitas Trafo
 Data beban (R1/R2, S1/S2, dan B1/B2)
 Data peralatan yang umum digunakan sesuai dengan daya beban (VA)
Single  line  diagram  untuk utility listrik pe-rumahan yang terdiri dari beban rumah  tangga  (R),  sosial  (S),  dan  bisnis (B)  dapat  dilihat  pada  gambar  di  bawah ini.
Gambar 22. single line diagram simulasi Etap 4.

## 1. Analisa  Harmonisa  Berdasarkan Standart IEEE 519-1992
Dari  Beban  di  atas  dapat  kita  peroleh nilai harmonisa arus dan tegangan setelah kita  simulasikan  dengan  mengguanakan Etap  4.00.  Untuk  mengetahui  batasan harmonisa arus yang diizinkan berdasarkan Standart  IEEE  519-1992,
sehingga  kita  harus  mencari  nilai  arus hubung  singkat  ( I SC )  dan  arus  beban maksimum  ( I L )  pada PCC  (Point  of Common Coupling) pada masing-masing bus . Setelah kita run simulasi etap, pada mode load flow untuk mendapatkan nilai arus beban maksimum dan mode hubung singkat untuk mencari nilai arus hubung singkat,  maka  dapat  dibuatkan  suatu tabel di bawah ini.
Tabel 4. Nilai I SC dan I L
Bus I L (A) I SC (KA) I SC / I L TDD (%) 2 216,03 6,031 27,9 8 3 142,06 5,614 39,5 8 4 71,88 4,275 59,47 12 5 145 6,891 40,63 8 6 72,19 4,506 62,4 12
Untuk masing-masing  beban  (R 12 ,  S 12 , dan B 12 ) yang terhubung pada Bus  yang terdapat  pada  tabel  di  atas  maka  nilai harmonisa  arus  (TDD)  dapat  di bandingkan dengan tabel 4.9 berdasarkan Standart  IEEE  519-1992 ,  sehingga  kita dapat  meprediksikan  nilai  TDD  tersebut apakah  melebihi  standart  yang  telah ditentukan  pada  tabel  4.9. Untuk  nilai TDD  pada  masing-masing  beban berdasarkan kapsitas daya (450 s/d 4400 VA) dapat dilihat pada tabel 4.19.
Tabel 5. Typical THD i Beban Bus Beban (VA) Jenis Beban THDi A (%) THDi B (%) 2 450 R1, S1, dan B1 3,41 8 900 3,54 1300 7,55
2200 11,48 3500 R2, S2, dan B2 17,72 4400 40,26 3 450 R1, S1, dan B1 3,32 8 900 3,35
1300 7,58
2200 R2, S2, dan B2 11,93 3500 17,12
4400 39,89 4 450 R1, S1, dan B1 3,4 12 900 3,47 1300 7,6
2200 11,33 3500 R2, S2, dan B2 18,62 4400 42,05
5 450 R1, S1, dan B1 3,22 8 900 3,48
1300 7,54
2200 11,23 3500 R2, S2, dan B2 18,85 4400 41,42
6 450
R1, S1, dan B1 3,28 12 900 3,46
1300 7,91
2200 11,3 3500 R2, S2, dan B2 18,77 4400 41,8
Keterangan:
 THD iA adalah nilai total harmonisa arus pada setiap beban
 THD iB adalah nilai total harmonisa  arus  pada  bus  yang diijinkan  sesuai standart  IEEE 519-1992

## KESIMPULAN
Dari hasil analisa data pengukuran pada  bab  sebelumnya  maka  dapat memperkuat  teori  dan  dapat  diambil suatu kesimpulan sebagai berikut:
1. Beban  nonlinier  pada  utility listrik listrik perumahan memiliki total kandungan distorsi harmonisa yang tinggi. 2. Pada  utility  listrik  perumahan memiliki  nilai  faktor  daya  yang rendah  dan  distorsi  harmonisa
yang  tinggi  sebanding  dengan daya. 3. Hasil perhitungan dan dibandingkan dengan hasil pengukuran  diperoleh  persen kesalahan (% Error) < 5 %. 4. Pada simulasi tampak bahwa nilai distorsi harmonisa arus sebanding dengan daya (P)

## DAFTAR PUSTAKA
Harinaldi, 2005, Prinsip-prinsip statistik untuk teknik dan sains ,  Jakarta: Erlangga. Masri, Syafrudin, 2004.
Pemodelan dan prediksi distorsi harmonisa utility listrik perumahan  yang disebabkan oleh beban nonlinie.
IES-Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS.
Penangsang, Ontoseno, 2006, Peningkatan kualitas daya listrik, Materi Kuliah Jurusan Teknik Elektro-ITS. Pakpahan, Sahat, 1999, Instrumentasi

## Elektronik dan Teknik Pengukur
Jakarta: Erlangga Supranto J., 2000, Statistik, Teori, dan Aplikasi , jilid 1, edisi ke-6, Jakarta: Erlangga.
Sapiie, Soedjana, 2005, Pengukuran dan Alat Ukur Listrik , Jakarta
:Pradya Paramita