JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (204) Pengembangan Metode Pembuatan Kurva P-V Untuk GI 500 kv Dalam Rangka Mengantisipasi Voltage Collapse Rusda Basofi, Adi Soeprijanto, Rony Seto Wibowo Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60 Indonesia e-mail: adisup@ee.its.ac.id, ronyseto@ee.its.ac.id Abstrak Stabilitas adalah salah satu parameter yang paling penting dalam perencanaan dan operasi sistem tenaga listrik. Stabilitas dipertahankan pada kondisi tertentu sehingga diperoleh perencanaan dan operasi sistem tenaga listrik yang baik. Namun, kenaikan konsumsi energi listrik mengakibatkan gangguan stabilitas pada sistem. Salah satu jenis gangguan stabilitas pada sistem tenaga listrik dengan skala besar adalah voltage collapse. Beberapa faktor yang menyebabkan voltage collapse adalah stress pada sistem yang diakibatkan oleh penambahan beban yang berlebih. Kurva PV merupakan tool untuk menentukan nilai stabilitas tegangan dan nilai voltage collapse. Pada tugas akhir ini diusulkan sebuah metode pendekatan Radial Equivalent Independent (REI) DIMO untuk mereduksi jaringan transmisi sehingga diperoleh nilai impedansi pengganti. Nilai impedansi pengganti tersebut merupakan rangkaian pengganti antara generator dan beban. Berdasarkan pengujian dengan menggunakan plant Jawa Bali 500 kv didapatkan nilai kapasitas maksimum daya yang dibangkitkan pada tiap generator. Kata Kunci Kurva P-V, REI-DIMO, Voltage Collapse S I. PENDAHULUAN tabilitas sistem tenaga listrik menjadi perhatian khusus dalam mengamankan operasi sistem tenaga. Banyak kejadian listrik mati total disebabkan oleh ketidakstabilan sistem tenaga. Kejadian ini telah menunjukkan bahwa stabilitas sistem tenaga menjadi fenomena penting. Permasalahan pada sistem tenaga listrik berhubungan dengan cara kerja mesin sinkron setelah mengalami gangguan. Pada sistem tenaga listrik ideal, energi listrik disalurkan dalam frekuensi tunggal yang konstan dan pada level tegangan yang konstan pula, hal tersebut dikatakan bahwa sistem berada dalam keadaan stabil. Salah satu faktor yang menyebabkan suatu sistem menjadi tidak stabil yaitu adanya voltage collapse pada sistem tersebut. Ada beberapa faktor yang dapat menyebabkan timbulnya voltage collapse diantaranya stress pada sistem yang diakibatkan pembebanan daya aktif yang besar pada sistem, suatu sistem tenaga listrik akan mengalami ketidakstabilan tegangan akibat adanya voltage collapse jika setelah terjadinya gangguan, keseimbangan tegangan yang paling dekat dengan beban berada di bawah batas nilai kestabilan tegangan. Voltage collapse dapat menyeluruh (blackout) atau sebagian. Kestabilan dapat menjaga kualitas daya yang dibangkitkan hingga sampai pada konsumen tetap baik. Salah satu metode untuk menyelesaikan permasalahan stabilitas sistem tenaga listrik adalah pendekatan Radial Equivalent Independent (REI) dimo [7], Berdasarkan referensi [5] dan [6] maka dapat dilakukan penelitian tentang pendekatan Radial Equivalent Independent (REI) dimo dalam menyelesaikan stabilitas. Hubungan antara perubahan P terhadap V, lebih dikenal dengan istilah kurva P-V, bahwa pada saat terjadi peningkatan daya aktif di beban maka tegangan akan mengalami penurunan. Penambahan daya aktif ini memiliki batas maksimum. Jika batas maksimum ini terlampaui maka tegangan akan menjadi tidak stabil (voltage collapse). A. Stabilitas Tegangan II. TEORI PENUNJANG Stabilitas tegangan adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk memperbaiki tegangannya pada level yang dapat diterima pada keadaan mantap pada semua bus dalam kondisi operasi normal dan setelah sistem menerima gangguan (Kundur, 994). Sistem memasuki keadaan instabilitas tegangan ketika terjadi gangguan, kenaikan permintaan beban atau perubahan kondisi sistem yang mengakibatkan penurunan tegangan secara progresif dan tidak terkendali. Faktor utama yang menyebabkan terjadinya instabilitas adalah ketidak-mampuan dari STL untuk memenuhi kebutuhan daya aktif pada jaring tersebut. Untuk keperluan analisis, klasifikasi stabilitas tegangan dapat dibagi menjadi dua subkelas yaitu: stabilitas tegangan akibat gangguan kecil dan gangguan besar. B. Voltage Collapse Voltage Collapase adalah sebuah fenomena yang selalu muncul bila adanya beban yang sangat besar pada sistem tenaga listrik. Keadaan ini dapat muncul dalam bentuk peristiwa yang berurutan secara bersamaan dengan ketidakstabilan tegangan yang dapat menyebabkan terjadinya pemadaman (blackout) atau tegangan yang beroperasi pada level dibawah batas pengoperasiannya sehingga menjadi sebuah bagian yang penting dari sistem tenaga.karena sifat yang nonlinier dari sebuah jaringan sistem kelistrikan C. Kurva P-V Kurva P-V sangat berguna untuk analisis stabilitas dan tegangan untuk sistem, di mana P adalah beban total dan V adalah tegangan kritis pada bus. P juga bisa transfer daya antara transmisi atau interkoneksi. tegangan pada beberapa bus dapat diplot. Untuk analisis kurva P-V pada saat karakteristik beban sebagai fungsi dari tegangan. Kurva P-V menunjukkan titik lokus dari tegangan menurun sebagai titik kritis.titik ini menunjukkan kinerja beban maksimum pada untuk batas kestabilan tegangan.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (204) 2 state (stabilitas tegangan). Dimo mengembangkan dengan rumus ssebagai berikut : () Dalam pendekatan ini, bagian yang nyata diwakili oleh nilai MW, sedangkan bagian reaktif bevariasi dengan kuadrat tegangan sesuai dengan Dengan nilai Qload yang dihitung ulang di setiap langkah dengan mempertimbangkan struktur beban konstan, cos Ø tetap. (2) Gambar. Zero Power Balance Network D. Persamaan REI-DIMO Sistem tenaga terdiri dari linier sub-system, yaitu jalur transmisi, transformator, reactor, kapasitor dan admintansi bus ke tanah (line charging dan tap transformator) dan non linier sub-system seperti generator, beban dan kondensator sinkron. Bus dapat dibagi menjadi bus non-essential, yang harus dihilangkan dan bus essential, yang harus dipertahankan tidak berubah. Jaring transmisi tidak dapat direduksi dengan menerapkan transformasi stardelta karena sifat nonlinier dari bus yang disuntikan daya aktif dan reaktif. Pada umumnya, model yang setara harus memenuhi beberapa hal dibawah ini:. Dilihat dari batas-batasnya, ekivalen harus akurat dan terpercaya mewakili prilaku sistem tenaga 2. Model reduksi harus menghasilkan sedekat mungkin sifat fisik dari sistem tenaga 3. Ekivalen harus sesuai dengan prosedur komputasi yang digunakan untuk memecahkan masalah subsequent 4. Ekivalen harus memastikan bahwa solusi matematik layak diperoleh Diantara berbagai teknik solusi yang diusulkan dalam literatur, metodologi REI-Dimo menonjol karena konsep yang sangat unik dari injeksi linearizing jenis yang sama dengan menggantikan jaring transmisi dengan admintansi konstan, kemudian mengelompokan jaring transmisi ke dalam single injeksi non linier diterapkan ke bus fiktif yang disebut REI bus. Proses ini dimungkinkan untuk memperkenalkan jaring fiktif, antara bus yang akan dihilangkan dan bus REI fiktif, yang linier, tidak memiliki rugian dan dapat dihilangkan dengan reduksi Gaussian. Jaring ini disebut zero power balance network dan mewakili konsep utama dalam REI-DIMO. Paul Dimo memperkenalkan zero power balance network bertujuan untuk menggabungkan sistem beban ke pusat beban tunggal fiktif sambil mempertahankan sifat dan keseimbangan daya dasar. Metode Dimo telah sukses diterapkan untuk menghitung batas pembebanan secara real time [8], metode ini dikenal di industri sebagai REI dan telah terbukti akurat jika individu bus beban bervariasi dengan beban total sistem. Gambar memperlihatkan sebuah contoh langkah demi langkah numerik yang menggambarkan proses membangun zero power balance network. Sifat radial dari REI memenuhi salah satu aturan penerapan daya reaktif stabilitas steady III. IMPLEMENTASI REI-DIMO PADA SISTEM KELISTRIKAN JAWA-BALI 500 KV Dalam bagian ini, dijelaskan prosedur untuk menyelesaikan penelitian yang terbagi dalam beberapa urutan seperti pada Gambar 2 Langkah awal penelitian ini dimulai dengan studi literatur, mengumpulkan data semua parameter sistem termasuk data pembangkit, transmisi dan beban. Selanjutnya transmisi diubah menjadi bentuk REI net [5]. Untuk mengubah sistem transmisi yang memiliki banyak bus sehingga menjadi satu bus beban digunakan metode Dimo. Metode ini dipilih karena lebih memperhatikan pengaruh model generator dalam penyelesaiannya. Nilai internal reaktansi generator telah dimasukkan dalam analisa steady state stability Gambar 2. metode penelitian mulai Data sistem tenaga listrik Jalankan load flow Tentukan bus beban Tentukan bus beban netral fiktif Hubungkan bus beban ke bus netral fiktif dengan Ybus Tentukan arus dari bus beban ke bus netral fiktif Tentukan bus load center Tentukan arus yang mengalir ke bus load center Hitung daya yang menuju bus netral fiktif Hitung nilai impedansi Z load center Ubah impedansi Z menjadi admitansi Y Tentukan tegangan load center Tentukan matrix Y bus baru Reduksi Y bus dengan gaussian Analisa batas kestabilan Selesai
JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (204) 3 A. Prosedur Radial Equivalent Independent (REI) DIMO. Data sistem tenaga listrik 2. Jalankan load flow untuk mendapatkan tegangan dan sudut tegangan. 3. Menentukan bus beban 4. Menentukan bus netral fiktif 5. Menghubungkan bus beban ke bus netral fiktif dengan admintansi Y bus konstan. Persamaan Ybus konstan adalah : 6. Tentukan arus I dari bus beban ke bus netral fiktif dengan persamaan : (3) (4) B. Menyusun Matrix REI-DIMO Sistem kelistrikan 500 kv jawabali terdiri dari 8 bus generator dan 7 bus beban. Untuk dapat menyusun matrix Ybus pada Gambar 3 menggunakan metode REI-DIMO dibutuhkan ekspansi ukuran matrix Ybus menjadi 35 bus dengan penambahan 8 bus ekspansi dari jumlah bus generator ditambah intermediate ground dan equivalent load center [3] Dengan : Y = Ukuran matrix 9x9 (Xd generator + equivalent load center) -Y = Ukuran matrix 9x9 (Xd generator + intermediate ground) Ym = Ukuran matrix 26x26 (modifikasi matrix jawabali) Setelah membuat matrix Ybus, dilakukan eliminasi gaussian [3] sehingga matrix Ybus menjadi 9x9. Dengan: S*in = Daya nyata konjuktif dari bus I ke bus netral fiktif Ei = Tegangan Aktif bus i (Ei = V Cos α ) Fi = Tegangan Reaktif bus i (Ei = V Sin α ) 7. Tentukan bus load center 8. Gunakan hukum kirchhoff untuk menentukan arus yang mengalir ke bus load center 9. Hiyung daya yang menuju bus netral fiktif 0. Tentukan nilai impedansi Zlc dari bus neral fiktif ke load center menggunakan persamaan : (5) Dengan Zlc = impedansi load center Rlc = resistansi load center Xlc = reaktansi load center Ilc = arus load center. Ubah impedansi Zlc ke dalam bentuk admintansi Ylc (6) 2. Tentukan tegangan di load center dengan persamaan dengan : Vlc = tegangan load center Slc = daya nyata load center Ilc = arus load center 3. Susun matrix Ybus REI-DIMO 4. Reduksi matrix Ybus dengan Gaussian 5. Analisa batas steady state Stability dan batas aman tegangan pada bus generator. Y -Y -Y Ym Gambar 3. Matrix Ybus 35x35 IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS A. Load Flow Sistem Kelistrikan Jawa-Bali 500 kv Pada oenelitian ini sistem yang digunakan adalah sistem kelistrikan jawa-bali 500 kv, langkah awal simulasi ini dimulai dengan melakukan study load flow pada Tabel. Untuk mendapatkan nilai profil tegangan pada Gambar 4. Bus Phase P load Q load P gen Q gen [rad] [p.u.] [p.u.] [p.u.] [p.u.] 0.000 53.000 45.000 4343.887 26.640 2-0.650 703.000 227.000 0.000 0.000 3-9.464 760.000 26.000 0.000 0.000 4-8.704 544.000 8.000 0.000 0.000 5-9.086 697.000 25.000 0.000 0.000 6 -.08 760.000 8.000 0.000 0.000 7-0.99 646.000 70.000 0.000 0.000 8-8.944 0.000 0.000 470.000 835.227 9-0.09 823.000 37.000 0.000 0.000 0-9.864 680.000 245.000 400.000 484.249-9.533 0.000 0.000 535.000 3.978 2-9.782 590.000 35.000 0.000 0.000 3-8.283 397.000 36.000 0.000 0.000 4-2.70 329.000 363.000 0.000 0.000 5 4.50 0.000 0.000 830.000 297.960 6.85 862.000 37.000 0.000 0.000 7 2.266 20.000 9.000 80.000 705.533 8-8.667 0.000 0.000 0.000 0.000 9-7.775 277.000 7.000 0.000 0.000 20-3.63 524.000 244.000 0.000 0.000 2 0.946 358.000 206.000 0.000 0.000 22 7.479 839.000 272.000 2843.000 843.682 23 4.590 30.000 93.000 98.000 435.977 24-9.936 732.000 287.000 0.000 0.000 25 0.357 264.000 58.000 0.000 0.000 Total 278.000 4377.000 406.887 5933.245 Tabel Hasil Load Flow Jawa-Bali PROFIL TEGANGAN JAWA -BALI,06 0,967 0,973 0,979 0,977 0,975 0,995 0,984 0,964 0,95 0,99 0,972 0,947 0,924 0,932 0,96 0,979 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 3 4 5 6 7 8 92 02 2 22 32 42 5 Gambar 4. Profil tegangan Jawa-Bali
JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (204) 4 Nama Bus Bus 9 (Load Center) Suralaya 0,042-0,2466i Muara Tawar 0,070-0,855i Cirata 0,0220-0,4285i Saguling 0,006-0,487 Tanjung Jati 0,046-0,072i Gresik 0,0202-0,7i Paiton 0,0382-0,289i Grati 0,078-0,056i Bus 9 (Load Center) -2,4599 +,007i Tabel 2 Nilai Admitansi Hasil Reduksi Dengan metode REI- DIMO Gambar 7. Kurva P-V pada GI Tanjung Jati Gambar 8. Kurva P-V pada GI Paiton Gambar 5. Sistem Jawa bali 500 kv Setelah Direduksi B. Hasil Reduksi Menggunakan Metode REI-DIMO Tujuan dari loadflow adalah mendapatkan nilai tegangan pada masing-masing bus beban, selanjutnya dapat mencari nilai arus dan admitansi yang akan disambungkan antara bus generator dan load center seperti pada Gambar 5 dan Tabel 2 adalah hasil nilai admitansi antara bus generator dan load center. C. Kurva P-V pada Bus Generator Penambahan beban dilakukan sampai mencapai titik kritis yang disebut voltage collapse, dengan cara menambah daya aktif pada analisa transien ETAP. Pada tugas akhir ini hanya membuat 4 macam kurva P-V, yaitu GI 500 kv Saguling, Tanjung jati, Paiton dan Muara Tawar. Berikut adalah kurva P-V pada 4 bus generator. Pada Tugas Akhir ini diambil 4 Bus pembangkit yaitu bus generator Saguling, Tanjung Jati, Paiton dan MuaraTawar. Berikut kurva P-V untuk menentukan batas Voltage Collapse. Pada Gambar 6,7,8 dan 9 menunjukkan hasil Pmax dengan batasan Frekuensi. Sedangkan untuk gambar 0,, 2 dam 3 dengan batasan frekuensi dan tegangan. Gambar 9. Kurva P-V pada GI Muara Tawar Gambar 0. Kurva P-V pada GI Saguling Gambar 6. Kurva P-V pada GI Saguling Gambar. Kurva P-V pada GI Tanjung Jati
JURNAL TEKNIK POMITS Vol., No., (204) 5 UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada orang ta dan keluarga yang telah memberikan dukungan kepada penulis, penulis juga mengucapkan terimakasih kepada Prof Adi Soeprijanto dan Dr. Rony Seto Wibowo sebagai dosen pembimbing, serta semua pihak yang telah memberikan bantuan yang tidak dapat disebutkan. Gambar 2. Kurva P-V pada GI Paiton Gambar 3. Kurva P-V pada GI Muara Tawar Hasil kurva P-V dengan melihat batas kestabilan frekuensi : Pada GI Saguling daya maksimum yang dapat dikeluarkan adalah 82,75 MW dengan profil tegangan 98,787 %, pada GI Tanjung Jati daya maksimum yang dapat dikeluarkan adalah 742,9 MW dengan profil tegangan 98,7 %, pada GI Paiton daya maksimum yang dapat dikeluarkan adalah 727,6 MW dengan profil tegangan 97,669 %, dan pada GI Muara Tawar daya maksimum yang dapat dikeluarkan adalah 95,5 MW dengan profil tegangan 98,534 %. Sedangkan hasil Kurva P-V dengan melihat batas frekuensi dan tegangan. 23,99 MW untuk GI Saguling, 756,495 MW untuk GI Tanjung Jati, 770,952 MW untuk GI Paiton dan 203,994 MW untuk GI Muara Tawar. DAFTAR PUSTAKA []. Prabha Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill Inc, USA, 994 [2]. Hadi Saadat, Power System, McGraw-Hill Inc, USA,99 [3]. Savu C.Savulescu, Real-Time Stability Assessment in Modern Power System Control Center, IEEE Press, Wiley,2009 [4]. M.H. Haque, A Fast Method for Determining The Voltage Stability Limit of A Power System, Electric Power System Research 32, 999, pp.35-43 [5]. Federico Milano and Kailash Srivastava, Dynamic REI Equivalent for Short Circuit and Transient Stability Analyses, Electric Power System Research 79, 2009, pp.878-887 [6]. Savu C. Savulescu, Equivalent for Security Analysis of Power System, IEEE Transaction on PAS, Vol.PAS-00, May,98, pp.2672-268 [7]. Savu C. Savulescu, Solving Open Access Transmission and Security Analysis Problems With The Short-Circuit Current Method, Latin Power Conference Controlling and Automating Energy Session, August 27, 2002, Monterrey, Mexico [8]. C.W. Taylor, Power System Voltage Stability, New York, McGraw Hill,994 V. KESIMPULAN Dari hasil pembahasan pada Tugas Akhir ini dapat diambil beberapa kesimpulan, diantaranya :. Dibandingkan dengan ETAP dalam penentuan daya maksimum, metode REI-DIMO dapat digunakan untuk mempermudah perhitungan dalam analisis kestabilan tegangan, dengan cara mereduksi jaringan transmisi menjadi REI (Radial Equivalent and Independent) Equivalent 2. Hasil simulasi pada GI Saguling didapatkan transfer daya maksimum sebesar 82,75 MW, pada GI Tanjung Jati sebesar 742,9 MW, pada GI paiton sebesar 727,6 MW, dan pada GI muara tawar sebesar 95,5 MW 3. Hasil Impedansi dari metode REI-DIMO pada setiap masing-masing generator mempengaruhi transfer daya maksimum menuju beban.