Reinhard Napitupulu, Surya Hardi

Transkripsi

1 Analisis Kestabilan Peralihan Pada Sistem Jaringan Transmisi 150 kv PLN Sumatera Bagian Utara Reinhard Napitupulu, Surya Hardi Magister Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater Kampus USU Medan, Sumatera Utara - Indonesia rein.napit@gmail.com Abstract The instability of a power system means a condition which indicates the loss of synchronization of the system. Stability issues are closely related to the assessment of synchronous machinery after an interruption occurs. Three phase phase short circuit is the biggest cause affecting instability of a system. This study discusses the transitional stability of Transmission Network 150 kv PLN of Northern Sumatra at the time of short circuit three phases in a 3 zone that is zone 1 Province of Aceh, zone 2 Provinces of North Sumatra (Area Medan) and zone 3 Provinces of North Sumatra (Area Siantar) in the longest channel and on the bus that has the largest load. This research uses Matlab R2014a software with PSAT toolbox version with Trapezoidal method. The simulation result showed that from 9 points of disturbance, there were 4 stable buses and 5 unstable buses. The fastest bus time, of critical breaks is on the Payageli bus between 67 ms and 68 ms and the longest is on the Banda Aceh bus that is between 928 ms and 929 ms. From this simulation can provide information on the stability of the system on Transmission Network 150 kv PLN North Sumatra so it can anticipate if there is interference short circuit three phases and know the characteristics of transitional stability as the basis of protection system planning. Keywords: Switching Stability, PSAT toolbox, trapezoidal Abstrak Ketidakstabilan suatu sistem tenaga berarti kondisi yang menunjukkan hilangnya sinkronisasi dari sistem. Masalah stabilitas terkait erat dengan penilaian mesin sinkron setelah terjadi gangguan. Gangguan hubung singkat tiga fasa adalah penyebab paling besar yang mempengaruhi ketidakstabilan suatu sistem. Penelitian ini membahas tentang stabilitas peralihan pada Jaringan Transmisi 150 kv PLN Sumatera Bagian Utara pada saat terjadi gangguan hubung singkat tiga fasa pada 3 zona yaitu zona 1 Propinsi Aceh, zona 2 Propinsi Sumatera Utara (Area Medan) dan zona 3 Propinsi Sumatera Utara (Area Siantar) di saluran terpanjang dan pada bus yang memiliki pembebanan terbesar. Penelitian ini menggunakan perangkat lunak Matlab R2014a dengan toolbox PSAT versi dengan metode Trapezoidal. Hasil simulasi menunjukkan bahwa dari 9 titik gangguan yang dilakukan diperoleh 4 bus stabil dan 5 bus tidak stabil. Bus yang tercepat waktu pemutusan kritisnya adalah di bus Payageli antara 67 ms dan 68 ms dan yang paling lama adalah di bus Banda Aceh yaitu antara 928 ms dan 929 ms. Dari simulasi ini dapat memberikan informasi kestabilan sistem pada Jaringan Transmisi 150 kv PLN Sumatera Bagian Utara sehingga dapat mengantisipasi apabila terjadi gangguan hubung singkat tiga fasa dan mengetahui karakteristik stabilitas peralihan sebagai dasar perencanaan sistem proteksi. Kata Kunci: Stabilitas Peralihan, toolbox PSAT, trapezoidal 1. Pendahuluan Kebutuhan energi listrik di Sumatera Utara semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pemanfaatan energi listrik baik di rumah tangga, industri dan lain lain sehingga pasokan energi listrik harus ditambah yaitu dengan membangun pembangkit baru. Sistem tenaga listrik terdiri dari tiga komponen utama yaitu: pembangkit, saluran transmisi dan sistem distribusi. Saluran transmisi merupakan penghubung antara pembangkit dan sistem distribusi melalui interkoneksi dimana letak pembangkit yang cukup berjauhan satu sama lain sehingga sistem harus dijaga kestabilannya. Pasokan listrik yang kontinyu sangat diinginkan semua pihak dan ini dapat terjadi bila generator sinkron (pembangkit) mampu memenuhi permintaan listrik. Listrik yang andal harus mampu menyuplai tenaga listrik kepada konsumen secara terus menerus. Sistem penyaluran yang andal akan meningkatkan keandalan sistem secara keseluruhan [1]. Stabilitas sistem tenaga adalah kemampuan sistem untuk kembali beroperasi normal atau stabil setelah mengalami gangguan. Ketidakstabilan suatu sistem berarti kondisi yang menunjukkan hilangnya sinkronisasi dari sistem itu. Masalah stabilitas terkait erat dengan penilaian mesin sinkron setelah gangguan. Suatu gangguan baik kecil maupun besar pada sistem tenaga listrik dapat mempengaruhi operasi sistem. Gangguan kecil berupa penambahan atau pengurangan daya tiba-tiba secara bertahap pada beban, rugi-rugi daya sementara gangguan besar dapat berupa penambahan atau pengurangan daya yang besar pada beban secara mendadak, terputusnya saluran transmisi dan gangguan hubung singkat seperti gangguan tiga fasa, tiga fasa ke tanah dan hubung singkat tidak simetri. Pada

2 penelitian ini ketidakstabilan peralihan disimulasikan dengan gangguan hubung singkat tiga fasa. Kestabilan peralihan merupakan kemampuan suatu sistem daya dalam menjaga sinkronisasi generator saat terjadi gangguan peralihan seperti gangguan pada saluran transmisi, hubung singkat, lepasnya generator, atau lepasnya beban yang besar. Analisis stabilitas peralihan adalah analisis ayunan pertama dari generator, yaitu selama generator mengalami gangguan yang keras pada periode ayunan pertama dari keadaan peralihan. Jika generator dapat melalui keadaan ini tanpa kehilangan sinkronisasi maka sistem dikatakan stabil. Sebaliknya jika generator kehilangan sinkronisasi dan tidak dapat bertahan melalui ayunan pertama maka sistem dikatakan tidak stabil. Perubahan beban karena ada gangguan akan menyebabkan perubahan posisi rotor yang akhirnya akan menyebabkan perubahan besar sudut rotor δ jika perubahan sudut ini dibiarkan maka sistem akan kehilangan kestabilannya. Agar sistem tetap stabil maka gangguan harus diputus pada suatu sudut rotor δ tertentu yaitu yang dinamakan dengan sudut rotor kritis ( δ ). Waktu yang bersesuaian dengan besar sudut rotor kritis ini adalah waktu terlama yang diijinkan untuk mengamankan gangguan ini disebut dengan waktu pemutusan kritis ( ). 2. Kestabilan Peralihan Mesin Majemuk A. Asumsi Analisis Stabilitas Peralihan Mesin- Majemuk Untuk mengurangi kerumitan pembuatan model sistem, dan dengan demikian juga mengurangi beban penghitungan, biasanya dalam studi kestabilan peralihan dibuat pula pengandaian tambahan sebagai berikut [1] : (a) Masukan daya mekanis ke masing-masing mesin adalah tetap konstan selama keseluruhan perioda perhitungan lengkung ayunan. (b) Daya peredaman dapat diabaikan. (c) Setiap mesin boleh diwakili oleh suatu reaktansi peralihan yang konstan yang terhubung seri dengan suatu tegangan dalam peralihan yang konstan pula. (d) Sudut rotor mekanis dari setiap mesin adalah bersamaan dengan δ, yaitu sudut fasa listrik dari tegangan dalam peralihan. (e) Semua beban boleh dianggap sebagai impedansi shunt ke tanah dengan nilai yang ditentukan oleh keadaan yang berlangsung tepat sebelum keadaan peralihan. Model kestabilan sistem yang didasarkan pada pengandaian ini dinamakan model kestabilan klasik (classical stability model) dan studi yang menggunakan model ini disebut sebagai studi kestabilan klasik. Program komputer terinci dengan model mesin dan beban yang lebih mutakhir memang tersedia untuk mengubah satu atau beberapa pengandaian ( a) hingga ( e). Dalam penelitian ini menggunakan model klasik untuk mempelajari gangguan sistem yang berasal dari gangguan hubung singkat tiga fasa. Seperti yang telah kita lihat, dalam setiap studi kestabilan, keadaan sistem sebelum gangguan dan konfigurasi jaringannya selama dan setelah terjadinya gangguan harus diketahui. Sebagai akibatnya, dalam hal mesin majemuk ini, diperlukan dua langkah pendahuluan: 1. Kondisi pragangguan keadaan tetap untuk sistem itu harus dihitung dengan menggunakan program aliran daya. 2. Representasi jala-jala pra-gangguan perlu ditentukan dan kemudian diubah untuk dapat melukiskan juga gangguannya serta kondisi setelah terjadinya gangguan. B. Model Matematika Mesin Majemuk Langkah pertama dalam analisis stabilitas peralihan adalah melakukan analisis aliran daya untuk menentukan besaran tegangan bus awal dan sudut fasa. Arus mesin sebelum gangguan dihitung dari [13] I = =, i = 1,2,., m... (1) m = nomor generator S = daya total (konjugat) terminal ke-i dari generator V = tegangan (konjugat) terminal ke-i dari generator P i = daya aktif dari generator Q i = daya reaktif dari generator Semua nilai yang tidak diketahui ditentukan dari analisa aliran daya awal. Tahanan jangkar dari generator biasanya diabaikan dan tegangan reaktansi peralihan dapat dihitung dengan : = +... (2) = tegangan internal peralihan generator ke - i = tegangan terminal generator ke - i = reaktansi peralihan = arus keluaran generator ke - i Selanjutnya, semua beban dikonversi menjadi admitansi ekivalen dengan menggunakan persamaan : = =... (3) Untuk memperoleh tegangan reaktansi peralihan, bus m ditambahkan dengan bus n pada sistem jaringan listrik. Jaringan ekivalen dengan semua beban yang dikonversi ke admitansi ditunjukkan pada Gambar 1 [13].

3 Jaringan transmisi n bus dengan semua bebannya diubah menjadi admitansi Gambar 1 Representasi sistem tenaga untuk analisis stabilitas peralihan Node n + 1, n + 2,..., n + m adalah bus mesin internal, yaitu bus reaktansi peralihan. Persamaan tegangan simpul dengan node 0 sebagai acuan untuk jaringan ini adalah Y = Y mm Y Y Y nm... (10) Bus matriks admitansi yang direduksi memiliki dimensi ( m x m), dimana m adalah jumlah generator). Output daya listrik dari setiap mesin sekarang dapat dinyatakan dalam tegangan internal mesin. S * ei = E * i I i, Atau P ei = Re(E I i )... (11) Tegangan dan admitansi dalam bentuk polar, yaitu E = E δ dan Y ij = Y ij θ ij dan subsitusikan I i pada Persamaan 2.16, hasilnya adalah P = E E Y cos θ δ + δ... (12) Persamaan diatas adalah sama dengan persamaan aliran daya. Sebelum terjadi gangguan, ada keseimbangan antara daya input mesin dan daya output listrik, sehingga : P = E E Y cos θ δ + δ... (13) Elemen-elemen diagonal dari matriks bus admitansi adalah jumlah dari admitansi yang terhubung, dan elemen-elemen off-diagonal adalah sama dengan admitansi negatif dari antara node. Referensinya adalah node tambahan yang ditambahkan termasuk tegangan reaktansi mesin. Elemen diagonal juga dimodifikasi untuk menyertakan n admitansi beban. Untuk mempermudah analisis, semua node selain node generator internal dieliminasi menggunakan kron reduction [13]. Untuk menghilangkan bus beban, admitansi bus matriks Persamaan 2.8 dipisahkan sehingga bus n dihapus untuk diwakili bagian atas dari baris ke n. Karena tidak ada arus masuk atau arus pada bus beban sehingga arus pada baris ke-n adalah nol. Arus generator ditandai oleh vektor I n, tegangan generator dan tegangan beban yang diwakili oleh vektor dan V n. Kemudian, Persamaan 2.8, dalam hal submatriks, menjadi 0 = Y Y V I Y Y E... (5) Tegangan vektor Vn dapat dihilangkan dengan substitusi sebagai berikut: 0 = Y nn V n + Y nm E... (6) I m = Y V n + Y mm E... (7) Dari Persamaan 2.11, V n = ( Y nn ) -1 Y nm E )... (8) Di subsitusi ke Persamaan 2.12, maka I m = [Y mm Y Y Y nm ] E = Y E... (9) Matriks admitansi yang di reduksi adalah Studi stabilitas peralihan klasik didasarkan pada penerapan gangguan tiga fasa. Gangguan tiga fasa pada bus k dalam suatu jaringan maka V k = 0. Hal ini disimulasikan dengan menghapus baris dan kolom ke-k dari matriks admitansi sebelum gangguan. Bus matriks admitansi yang baru akan berkurang dengan menghilangkan semua node kecuali node generator internal. Tegangan eksitasi dari generator selama gangguan dan sesudah gangguan diasumsikan tetap konstan. Daya listrik dari generator ke-i pada saat bus matriks admitansi yang baru dikurangkan diperoleh dari Persamaan Persamaan ayunan dengan mengabaikan redaman untuk mesin ke-i adalah δ = P E E Y cos θ δ + δ π... (14) Y ij = elemen dari bus matriks admitansi yang dikurangkan setelah gangguan H i = konstanta inersia dari mesin ke-i yang dinyatakan dengan MVAbase (S B ) Jika H Gi adalah konstanta inersia dari mesin ke-i dengan rate MVA S Gi, maka H i adalah =... (15) f Dengan P e adalah daya listrik generator ke-i dan mengubah Persamaan 2.20 ke mode variabel state maka : δ = ω... (16) ω =... (17) Dalam masalah analisis stabilitas peralihan, kita memiliki dua persamaan state untuk setiap

4 generator. Berikutnya adalah evaluasi setelah gangguan bus matriks admitansi dikurangi dan daya listrik setelah gangguan pada generator ke-i adalah P pf i mudah ditentukan dari Persamaan Simulasi daya setelah gangguan adalah P pf i digunakan untuk menentukan stabilitas sistem, sampai plot memperlihatkan kecenderungan stabil atau tidak stabil. Biasanya slack generator dipilih sebagai referensi mesin yang sudah di-plot. Biasanya solusi ini dilakukan selama dua ayunan untuk menunjukkan bahwa ayunan kedua tidak lebih besar dari yang pertama. Jika perbedaan sudut tidak meningkat maka sistem stabil. Jika salah satu perbedaan sudut meningkat tanpa batas maka sistem disebut tidak stabil. B. Penyelesaian Analisis Stabilitas Peralihan Menggunakan Metode Trapezoidal Pada penelitian ini menggunakan software PSAT versi yang dalam aplikasinya metode penyelesaian analisis peralihan menggunakan metode trapezoidal. Metode trapezoidal merupakan salah satu metode integrasi numerik. Ada 4 teknik yang paling umum digunakan dalam integrasi numerik yaitu metode Euler, Runge-Kutta orde 2, Runge-Kutta orde 4 dan integrasi implisit. Metode trapezoidal termasuk metode integrasi implisit [7]. Metode integrasi implisit yang lebih tinggi telah diusulkan dalam literatur tentang metode numerik namun usulan ini belum banyak digunakan untuk aplikasi sistem tenaga terutama karena kesulitan dalam memprogram dan kurang stabil secara numerik dibandingkan aturan trapesium. Jadi, integrasi numerik yang digunakan pada aturan trapesium adalah persamaan diferensial orde pertama. 3. Metode Penelitian Penelitian menggunakan data sistem kelistrikan Jaringan Transmisi 150 kv PLN Sumatera Bagian Utara berupa diagram satu garis, data pembebanan pada tanggal 26 Januari 2017 pukul Wib dan data saluran yang diperoleh dari PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumatera Bagian Utara. Data pembangkit dan data transformator di pembangkit diperoleh dari setiap pembangkit. Semua data digunakan untuk memodelkan Jaringan Transmisi 150 kv PLN Sumatera Bagian Utara menggunakan software PSAT versi Hasil dan Pembahasan Pada simulasi ini akan dianalisis respon sudut rotor dimana penentuan kestabilan atau ketidakstabilan suatu sistem dapat disebabkan oleh jenis gangguan dan lokasinya di sistem serta kecepatan pemutusan waktu gangguan. Jenis gangguannya adalah hubung singkat 3 fasa dan lokasi gangguan pada bus dan saluran transmisi. Pemilihan bus yang akan disimulasikan berdasarkan besaran daya terbesar karena pada bus ini bila terjadi gangguan maka memungkinkan ketidakstabilan sistem dan pemilihan saluran transmisi yang panjang karena kemungkinan gangguan yang terjadi lebih besar. Simulasi gangguan saluran dilakukan pada dekat bus (20% panjang saluran) dan pertengahan saluran (50% panjang saluran). Analisis gangguan dilakukan pada ke 3 zona sistem Jaringan Transmisi 150 kv di Sumatera Bagian Utara yaitu zona 1 Propinsi Aceh, zona 2 Propinsi Sumatera Utara (Area 2 Medan) dan zone 3 Propinsi Sumatera Utara (Area 3 Siantar). Pada simulasi peralihan ini ditentukan 9 titik gangguan berdasarkan zona dan menggunakan waktu simulasi selama 10 detik. Waktu pemilihan simulasi 10 detik termasuk simulasi jangka pendek [15] dengan mengabaikan pengaturan frekuensi beban dan mempertimbangkan osilasi semua pembangkit. Gangguan hubung singkat 3 fasa dilakukan pada detik pertama karena model generator pada penelitian ini tidak memasukkan sistem pengaturannya [15] Agar lebih sederhana dalam memahami hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 1 Tabel 1. Hasil Simulasi Peralihan Pada 9 Titik Gangguan

5 5. Kesimpulan Dari 9 titik gangguan sistem Jaringan Transmisi 150 KV Sumatera Bagian Utara diperoleh 4 bus stabil dan 5 bus tidak stabil. Berdasarkan lokasi gangguan pada bus pembebanan terbesar dan saluran terpanjang di 3 zona diperoleh waktu pemutus kritis tercepat di bus Payageli antara 67 ms dan 68 ms dan yang paling lama adalah di bus Banda Aceh antara 928 ms dan 929 ms. Dari pembebanan setiap bus, semakin besar daya pembebanan pada bus maka waktu pemutusan akan lebih cepat dan bahkan dapat mengakibatkan ketidakstabilan sistem. Engineering HoChiMinh City University of Technology, Vietnam [14] P.S.R. Murthy, Power System Analysis, BS Publication, Hyderabad, 2007 [15] K.R. Padiyar, Power System Dynamics Stability and Control, BS Publication, Hyderabad, REFERENCES [1] William D Stevenson, Jr., Analisis Sistem Tenaga Listrik, Penerbit Erlangga,Jakarta,1990 [2] P.K. Iyambo And R.Tzoneva, Transient Stability Analysis Of The IEEE 14-Bus Electric Power System, IEEE, 2007 [3] Swaroop Kumar, Nallagalva, Mukesh Kumar Kirar and Dr.Ganga Agnihotri, Transient Stability Analysis Of The IEEE 9-Bus Electric Power System, International Journal Of Scientific Engineering And Technology,India, 2012 [4] Mishra Kiran and Umredkar S.V, Transient Stability Analysis of Multi Machine Bus Systems, International Journal of Science and Research (IJSR), India, 2013 [5] Hambali dan Oriza Candra, Studi Stabilitas Sistem Tenaga Listrik Di Sumbar Riau,Laporan Penelitian Universitas Negeri Padang, 2007 [6] Adepoju Gafari Abiola and Tijani Muhammed Adekilekun, Critical Clearing Time Evaluation Of Nigerian 330 KV Transmission System, American Journal Of Electrical Power And Energy Systems, 2013 [7] Federico Milano, Power System Modelling And Scripting, Springer, London, 2010 [8] Rosalina, Analisis Kestabilan Peralihan Sistem Tenaga Listrik Dengan Metode Lyapunov, Universitas Indonesia, 2010 [9] Masjkur SJ, Analisis Sistem Tenaga Listrik, USU Press, 2016 [10] Federico Milano, Power System Analysis Toolbox Documentation For PSAT Version 2.0.0, University Of Waterloo, Canada, 2008 [11] T.S. Hutauruk, Transmisi Daya Listrik, Penerbit Erlangga, 2000 [12] Kementerian ESDM Republik Indonesia, Aturan Jaringan Sistem Tenaga Listrik Sumatera, Jakarta, Indonesia, [13] Huynh Chau Duy, Huynh Quang Minh And Ho Dac Loc, Transient Stability Analysis Of A Multi Machine Power System, Faculty Of Electrical And Electronics