PERHITUNGAN CCT (CRITICAL CLEARING TIME) UNTUK ANALISIS KESTABILAN TRANSIENT PADA SISTEM KELISTRIKAN 500KV JAWA-BALI

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) PERHITUNGAN CCT (CRITICAL CLEARING TIME) UNTUK ANALISIS KESTABILAN TRANSIENT PADA SISTEM KELISTRIKAN 500KV JAWA-BALI I Nyoman Kurnia Widhiana, Ardyono Priyadi dan Ontoseno Penangsang Jurusan Teknik Elektro,Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya widhiana10@mhs.ee.its.ac.id, priyadi@ee.its.ac.id, ontosenop@ee.its.ac.id Abstrak Suatu sistem kelistrikan 500kV Jawa-Bali yang terhubung secara interkoneksi melalui jaringan transmisi tidak lepas dari adanya gangguan. Gangguan yang terjadi seperti hubung singkat, putusnya penghantar, switching dan load shedding sehingga dapat menyebabkan hilangnya sinkronisasi yang mempengaruhi kestabilan sistem berupa perubahan tegangan dan frekuensi sistem. Berdasarkan sifat dan besarnya gangguan, analisis stabilitas sistem dapat diklasifikasikan dalam stabilitas keadaan mantap (steady state), keadaan transien dan keadaan dinamik. Gangguan berat yang bersifat mendadak pada sistem daya memerlukan analisis stabilitas transien. Pada tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui waktu pemutusan kritis (Critical Clearing Time) pada saat terjadi gangguan tiga phasa (3 phase fault) pada sistem kelistrikan Jawa-Bali 500kV. Untuk itu dilakukan perhitungan waktu pemutusan kritis (Critical Clearing Time) untuk setting recloser dalam mengantisipasi terjadinya ketidakstabilan sistem. Kata Kunci Gangguan, Stabilitas Transien, Waktu Pemutusan Kritis K I. PENDAHULUAN estabilan secara umum didefinisikan sebagai kemampuan terbangkitnya gaya atau momen untuk melawan gangguan yang terjadi dan mengembalikan sikap benda ke kondisi seimbang. Kondisi stabil sistem tenaga listrik terjadi jika ada keseimbangan antara pembangkit dan beban, sehingga apabila terjadi ketidakseimbangan akan mencari sebuah kondisi operasi mantap yang baru..[1] Untuk memperjelas bahasan dari tugas akhir ini perlu adanya pembatasan masalah. Adapun batasan tersebut adalah meliputi : 1) Pembahasan mencakup masalah waktu pemutusan kritis (Critical Clearing time). ) Gangguan yang terjadi adalah tiga fasa seimbang. 3) Gangguan yang terjadi bukan di main bus (bus utama) melainkan diasumsikan dekat dengan bus utama. 4) Analisa dan simulasi yang digunakan analisis sudut rotor generator, kecepatan dan relative power angle dengan menggunakan software ETAP 7.0 II. KESTABILAN SISTEM TENAGA A. Stabilitas Sistem Tenaga Listrik Dalam buku Prabha Kundur, stabilitas sistem tenaga secara luas didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu sistem tenaga untuk tetap dalam kondisi operasi seimbang saat terjadi kondisi tidak normal dan dapat mengembalikan ke kondisi seimbang setelah terjadi gangguan []. Gambar dibawah ini menunjukkan sudut rotor/ daya mesin dalam sistem 4 mesin sebagai fungsi waktu selama keadaan transient. Gambar 1. Sistem Stabil Gambar. Sistem Tidak Stabil B. Stabilitas Transien Adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga untuk mempertahankan sinkronisasi setelah megalami gangguan besar yang bersifat mendadak selama sekitar satu swing (yang pertama) dengan asumsi bahwa pengatur tegangan otomatis (AVR) dan governor belum bekerja. [4] Study kestabilan transien bertujuan untuk menentukan apakah sistem tadi akan tetap dalam keadaan serempak setelah terjadinya gangguan besar, misalnya adanya motor starting yang besar, perubahan beban yang mendadak, terputusnya unit pembangkit, atau pemutaran saklar (switching) saluran.

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) 1-5 C. Dinamika Rotor dan Persamaan Ayunan[5] Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin serempak didasarkan pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen putar percepatan (accellerating torque) adalah hasil kali dari momen-momen kelembaman (moment of inertia) rotor dan percepatan sudutnya. Generator). Adapun pembangkit Suralaya bertindak sebagai slack dan yang pembangkit-pembangkit lainnya bertindak sebagai voltage control. Berikut ini adalah gambar. Single line diagram interkoneksi sistem kelistrikan Jawa Bali 500kV yang digunakan untuk analisis kestabilan CCT (Critical Clearing Time). J d θm = Tm T e =T (1) dt Kemudian dengan mengalikan persamaan (1) dengan J d θm = Tm Te () dt Jika kecepatan putar dikali torsi adalah sama dengan daya, maka persamaan () dapat ditulis dengan persamaan daya sebagai berikut; (3) Jika mempertimbangkan damping, maka (4) dimana: H = Inersia mesin yang dinyatakan dalam kw.s/kva. = Pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu sumbu diam, dalam radian mekanis. = Kecepatan serempak dalam satuan listrik t = waktu dalam detik. P e = daya elektris dalam p.u. P m = daya mekanis dalam p.u = daya yang ditimbulkan oleh akselerasi dalam p.u P a D. Faktor yang mempengaruhi stabilitas transien [] 1. Seberapa besar generator tersebut dibebani. Output generator selama gangguan. Ini tergantung dari lokasi gangguan dan type gangguan. 3. Waktu pemutusan gangguan. 4. Reaktansi sistem transmisi setelah gangguan. 5. Reaktansi generator. Reaktansi yang rendah meningkatkan daya puncak. 6. Inersia generator. Inersia yang besar, menyebabkan perubahan sudut lambat. Ini menurunkan energi kinetik yang diperoleh saat gangguan. III. SISTEM KELISTRIKAN JAWA-BALI 500KV Sistem interkoneksi 500kV Jawa-Bali terdiri atas 5 bus dengan 30 saluran dan 8 pembangkit. Pembangkitpembangkit yang terpasang antara lain pembangkit Suralaya, pembangkit Muaratawar, pembangkit Cirata, pembangkit Saguling, pembangkit Tanjungjati, pembangkit Gresik, pembangkit Paiton dan Pembangkit Grati. Diantara 8 pembangkit tersebut, pembangkit Saguling dan pembangkit Cirata merupakan pembangkit tenaga air, sedangkan pembangkit lainnya merupakan pembangkit tenaga uap dan ada juga kombinasi dengan tenaga uap yaitu menggunakan sistem HRSG (Heat Recovery Steam Gambar 3. Single Line Diagram Sistem Kelistrikan Jawa-Bali 500kV IV. SIMULASI DAN ANALISIS A. Pemodelan Sistem Kelistrikan 500kV Jawa-Bali Setelah menggambarkan pemodelan dan penyederhanaan sistem kelistrikkan Jawa-Bali 500kV dalam bentuk software ETAP 7.0, maka selanjutnya akan dilakuan simulasi stabilitas transien meliputi hubung singkat yang terdapat di 1 (dua belas) titik sesuai dengan studi kasus yang akan dipaparkan tabel 1.

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) 1-5 TABEL I PENJELASAN KASUS STABILITAS TRANSIEN Nama Kasus Keterangan Kasus Aksi Waktu (s) (Suralaya-Cilegon) SC Bus1 CB 7&9 Open,antara.698 SC Bus SC Bus3 SC Bus4 SC Bus5 SC Bus6 SC Bus7 SC Bus8 SC Bus9 SC Bus10 SC Bus11 SC Bus1 (Kembangan-Gandul) (Cibinong-Depok) (Bekasi-Cawang) (Cibinong-Saguling) (Cirata-Cibatu) (Mandiracan- Bandung) (Muaratawar-Cibatu) (Mandiracan-Ungaran) (Saguling-Bandung) (Tasikmalaya-Pedan) (Paiton-Grati) (Suralaya-Cilegon) CB 194&195 Open,antara (Kembangan-Gandul) CB 14&43Open, antara (Cibinong-Depok) CB 07&08 Open,antara (Bekasi- Cawang) CB 184&00 Open,antara (Cibinog- Saguling) CB 19&Open, antara (Cirata-Cibatu) CB 6&8Open,antara (Muaratawar-Cibatu) CB 5&5Open,antara (Mandiracan-Bandung) CB 30&3Open,antara (Mandiracan-Ungaran) CB 7&18Open, antara (Saguling-Bandung) CB 79&80Open, antara (Tasikmalaya-Pedan) CB 11&14Open,antara (Paiton-Grati) B. Simulasi Stabilitas Transien Pada sub-bab ini akan dijelaskan mengenai hasil dari analisa stabilitas transient.simulasi menggunakan Sistem interkoneksi 500 kv Jawa Bali terdapat 1 (dua belas) titik gangguan acak yang dicoba untuk mencari besarnya CCT untuk tiap titik gangguan. Gangguan yang di simulasikan adalah gangguan hubung singkat 3 phasa. Gangguan hubung singkat ini dapat menyebabkan sistem keluar dari batas kestabilan. Setiap studi kasus yang dijalankan dilengkapi dengan perbandingan gambar respon sudut rotor (power angle absolute), kecepatan (speed) dan power angle relative gambar Hasil simulasi tiap titik ditunjukkan pada tabel TABEL II HASIL SIMULASI PERHITUNGAN CCT PADA SISTEM KELISTRIKAN 500KV JAWA-BALI Titik Gangguan CCT Waktu tidak Stabil (detik) Waktu Stabil (detik) SC Bus SC Bus SC Bus SC Bus SC Bus SC Bus SC Bus SC Bus SC Bus SC Bus SC Bus SC Bus Dengan metode trial & error dilakukan beberapa pengujian dalam mencari waktu pemutusan kritis (Critical Clearing Time) yaitu waktu antara sistem stabil dan sistem waktu tidak stabil. Waktu stabil merupakan waktu pemutusan saluran dimana sistem terlihat kembali kekeadaan semulanya atau stabil. 1. Studi Gangguan 3 Phasa di SC Bus3 (t = s), Waktu Pemutusan Kritis (t = ) Gangguan hubung singkat adalah gangguan yang paling sering terjadi. Gangguan hubung singkat dapat menyebabkan sistem keluar dari batas kestabilan. Dalam kasus HS ini akan dilakukan simulasi dan analisa hubung singkat yang terjadi di saluran antara (Cibinong-Depok), kemudian menganalisa respon sudut rotor, kecepatan dan power angle relative-nya terhadap kestabilan sistem dari kedelapan generator tersebut. Pada studi kasus kasus ini waktu pemutusan kritisnya (CCT) antara detik.hasil simulasi ditunjukkan pada gambar 4 sampai 9 Gambar 4. Perbandingan respon sudut rotor pada delapan Generator pada detik.755 (waktu tidak stabil) 3

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) Gambar 5. Perbandingan kecepatan (rpm) pada delapan Generator pada detik.755 (waktu tidak stabil) Gambar 8. Perbandingan kecepatan (rpm) pada delapan Generator pada detik.754 (waktu stabil) Gambar 6. Perbandingan relative power angle pada delapan Generator pada detik.755 (waktu tidak stabil) Gambar 7. Perbandingan respon sudut rotor pada delapan Generator pada detik.754 (waktu stabil) Gambar 9. Perbandingan relative power angle pada delapan Generator pada detik.754 (waktu stabil) Berdasarkan gambar perbandingan hasil respon diatas,ketika terjadi gangguan 3 phasa pada SC Bus 3 di saluran antara (Cibinong-Depok) respon sudut rotor pada keadaan tidak stabil (t =.755 detik) terus berosilasi mencapai 380 degree untuk Generator Cirata, Grati, Gresik, Muaratawar, Paiton dan Tanjung Jati, keadaan ini terus terjadi dan tidak kembali pada posisi normal. Hanya Generator Suralaya yang sedikit mengalami kondisi tidak stabil. Hal ini disebabkan pembebanan generator, inersia dan damping generator masing-masing generator. Begitu pula dengan perbandingan kecepatan dan power angle relative. Jika pada perbandingan kecepatan kedelapan generator berosilasi sampai 1680 rpm,dan pada kecepatan generator Saguling dan Tanjung Jati terjadi penurunan kecepatan pada titik 900 rpm dan kembali naik pada posisi 1580 rpm sedangkan kecepatan keadaan generator Cirata, Grati, Gresik, Muaratawar dan Tanjung Jati turun sampai pada titik 1350 rpm, Hanya Generator Suralaya yang mampu kembali pada keadaan normal yaitu 1500 rpm. Sedangkan pada perbandingan power angle relative delapan generator tersebut mengalami osilasi sampai 180 degree dan tidak dapat kembali ke keadaan normal.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) 1-5 Namun pada keadaan stabil (t =.754 detik) respon sudut rotor delapan generator tersebut berosilasi namun dapat kembali pada keadaan stabil. Demikian pula dengan respon kecepatan dan reactive power angle meskipun terjadi osilasi namun kedua parameter tersebut dapat kembali ke keadaan stabil. V. KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisis, maka dalam tugas akhir ini dapat ditarik kesimpulan bahwa: Gangguan Hubung Singkat yang paling parah terjadi di SC Bus3 (Saluran antara Cibinong- Depok) terlihat dari hasil simulasi respon sudut rotor generator, kecepatan dan relative power angle, semua generator menjadi tidak stabil dan tidak mampu kembali pada keadaan stabil. Terlihat dari respon sudut rotor generator, kecepatan dan relative power angle, generator yang cenderung tidak stabil adalah Generator Tanjung Jati. Dari 1 titik gangguan, 8 diantaranya tidak stabil. Untuk respon sudut rotor generator Tanjung Jati yang mengalami osilasi mencapai 00 degree dan turun hingga -10 degree. Kecepatannya (Rpm) berosilasi sampai 1680 rpm dan relative power angle generator Tanjung Jati mengalami osilasi mencapai titik 180 degree dan -180 degree. Perubahan sudut rotor ini dipengaruhi oleh beberapa faktor. Salah satu diantaranya pembebanan generator, inersia dan damping generator masing-masing generator. Generator yang memiliki inersia dan damping yang besar akan cenderung lebih stabil jika terjadi gangguan dan sebaliknya Dari 1 titik gangguan yang di simulasikan di sistem Jawa-Bali 500kV didapatkan waktu pemutusan kritis (critical clearing time) tercepat di SC Bus1 (saluran antara Suralaya-Cilegon), SC Bus7 (saluran antara Mandiracan-Bandung) dan SC Bus9 (saluran antara Mandiracan-Ungaran) yaitu detik. Untuk waktu pemutusan kritis (critical clearing time) terlama terjadi di SC Bus1 (saluran antara Paiton-Grati) yaitu detik. DAFTAR PUSTAKA 1. Imam Robandi, Margo Pujiantara, Analisa Sistem Tenaga Modern [Pengantar stabilitas Dinamik] Proyek PercepatanPendidikan Insinyur th 1996/1997 FTI ITS, Kundur, P., Power System Stability and Control, McGraw-Hill, Inc, IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions, Definition and Classification of Power System Stability IEEE Transactions on Power system, vol. 19, no., may Penangsang, Ontoseno. Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga Listrik, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. 5. Stevenson, W.D., Jr and John J. Grenger, Elements of Power System Analysis, 4th Edition. McGraw-Hill, Inc, Saadat, H., Power System Analysis, McGraw-Hill, Inc, UCAPAN TERIMA KASIH Dalam kesempatan berbahagia ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ida Sang Hyang Widhi Wasa (Tuhan YME) atas limpahan rahmat,taufiq dan hidayahnya sehingga penulis mendapatkan insprasi. Kedua orang tua Ayah dan Ibu tercinta yang selalu memberikan dukungan, semangat, doa dan materi yang berlimpah untuk keberhasilan putra tercinta. Seluruh rekan asisten laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik B-103 dan LIPIS B-04. Rekan-rekan satu angkatan LJ power 010 atas kebersamaan,kerjasamanya dan kekompakannya selama menyelesaikan pendidikan diteknik elektro.