BAB V SEKURITI SISTEM TENAGA LISTRIK
5.3 Analisis Kontigensi Sistem Tenaga Listrik
Dalam analisis ini gangguan yang mungkin terjadi pada sistem dimodelkan, sehingga bisa diambil tindakan yang diperlukan, jika benar-benar terjadi. Kontingensi adalah suatu kejadian yang disebabkan oleh kegagalan atau pelepasan dari satu atau lebih generator dan/atau transmisi (Ditjen LPE, 2004).
Teknik analisis kontingensi dari tahun ke tahun berkembang terus seiring dengan perkembangan komputer. Walaupun ada metode aliran daya yang lebih baik seperti Gauss-Seidel dan Newton- Rhapson yang bisa mempercepat proses komputasi, namun untuk menganalisis sistem dengan mensimulasi satu persatu gangguan pada saluran dan pembangkit , akan memakan waktu yang lama. Ada 2 metoda analisis kontingensi :
1. Analisis kontingensi deterministik..
Yaitu cara penganalisisan dengan membuat simulasi terlepasnya elemen dari sistem tenaga misalnya satu saluran dilepas atau satu trafo dilepas atau satu unit pembangkit dilepas, serta melihat pengaruh yang diakibatkannya. Beberapa metoda analisis kontingensi deterministik yang dikenal saat ini yaitu:
1) Analisis kontingensi dengan menggunakan aliran daya arus searah (DC Power-Flow Contingency Analysis) : Metoda ini paling sederhana tetapi hasil yang diberikan kurang akurat. Dapat digunakan untuk menganalisis kontingensi tunggal atau kontingensi multi. Pada metoda ini, resistansi saluran diabaikan sehingga daya reaktifnya dapat diabaikan dan didapatkan model rangkaian linearnya (P-θ).
2) Analisis kontingensi dengan menggunakan matriks impedansi bus (Z BUS).
3) Analisis kontingensi dengan menggunakan metoda aliran daya Fast Decoupled dan Newton-Rhapson.
lkpp
2. Analisis kontingensi non-deterministik.
Penganalisisan didasarkan pada tingkat keandalan sistem yang didefinisikan pada 2 indeks keandalan yaitu LOLP (Loss-Off-Load-Probability) dan EDNS (Expected Values Of Demand Not Served). Keandalan sistem yang dimaksud tergantung kepada :
Ketidakpastian perkiraan beban.
Tingkat kepercayaan komponen/unit sistem tenaga.
Jadwal pemeliharaan komponen/unit sistem tenaga.
Kendala-kendala bagian yang terinterkoneksi.
Dengan kedua metoda di atas (LOLP dan EDNS), maka perencana sistem mampu menentukan kapasitas elemen sistem tenaga yang akan dievaluasi dengan menggunakan fungsi probabilitas kerapatan. Dengan teknik penganalisisan secara probabilistik ini dapat ditentukan bagian saluran yang mana yang dibebani lebih atau bus mana yang bertegangan abnormal tanpa mengevaluasi keseluruhan sistem. Dengan demikian diharapkan waktu komputasi lebih cepat dan pengevaluasian dapat dititikberatkan pada daerah dimana sering terjadi gangguan (outage).
5.3.1 Analisis Kontingensi dengan Metode Aliran Daya Newton-Raphson
Pendekatan tradisional untuk analisis kontingensi keadaan mantap dilakukan dengan menguji semua kontingensi secara berurutan. Pada sistem tenaga listrik yang besar pengujian kontingensi secara lengkap dengan mengikutsertakan semua kemungkinan kontingensi adalah tidak efisien karena memerlukan waktu proses yang lama. Di sisi lain, pengujian kontingensi yang dipilih berdasarkan pengalaman dan perasaan (intuisi) dari perencana tidaklah memadai karena kemungkinan akan mengabaikan kasus-kasus kontingensi yang kritis. Dengan demikian diperlukan suatu daftar kontingensi yang dipilih dan melakukan analisis kontingensi hanya untuk kasus-kasus kontingensi yang dipilih tersebut.
Suatu sistem tenaga listrik mungkin mengalami kondisi kontingensi, antara lain: (1) lepasnya unit pembangkit dan/atau saluran transmisi akibat adanya gangguan, dan (2) adanya penambahan atau pengurangan yang tiba-tiba dari kebutuhan beban pada sistem tenaga listrik. Meskipun banyak kontingensi lain yang dapat terjadi, namun hanya kontingensi-kontingensi yang mempunyai probabilitas yang tinggi (credible) yang akan dipertimbangkan.
lkpp
Kriteria yang digunakan untuk menentukan keandalan sistem, salah satunya dengan menggunakan kriteria keandalan keamanan N-1 (Pottonen, 2005, Kundur, 2003, Marsudi, 1990). Kontingensi N-1 adalah kontingensi yang dihasilkan dari terlepasnya satu komponen sistem yaitu satu saluran transmisi atau satu generator. Kontingensi N-k adalah kontingensi yang dihasilkan dari terlepasnya sejumlah k komponen sistem.
Metode ini menggambarkan tingkat keandalan sistem dengan memperhitungkan kemungkinan gangguan unit pembangkit dan juga gangguan peralatan transmisi. Dengan kriteria indeks keandalan keamanan N-1 apabila dalam sistem terdapat N buah elemen baik unit pembangkit maupun peralatan transmisi, sistem tidak akan kehilangan beban (tidak terjadi pemadaman) apabila sebuah elemen sistem mengalami gangguan.
Dalam analisis kontigensi dilakukan studi aliran daya. Dalam penyelesaian masalah aliran daya, sistem tenaga diasumsikan beroperasi pada keadaan seimbang dan digunakan model satu fase. Untuk menghitung aliran daya pada jaringan sederhana dengan bentuk radial dapat dilakukan secara analitik, tetapi untuk jaringan yang lebih rumit diselesaikan secara iterasi. Ada empat kuantitas yang berhubungan dengan setiap bus, yaitu magnitude tegangan |V|, sudut fase tegangan , daya riil P, dan daya reaktif Q. Bus-bus sistem secara umum dikelompokkan ke dalam tiga tipe , sebagai berikut :
Bus tadah (slack bus). Dikenal juga sebagai bus ayun (swing bus), yang diambil sebagai bus referensi dimana besar dan sudut fase tegangannya ditetapkan, sedang injeksi daya aktif dan reaktif dihitung. Bus ini akan memenuhi kebutuhan selisih daya antara beban terjadwal dan daya yang dibangkitkan yang disebabkan oleh rugi-rugi jaringan.
Bus-PVatau lazim disebut bus pembangkit. Disini injeksi daya aktifPdan besar tegangan|V| ditentukan sedang sudut tegangandan injeksi daya reaktifQ dihitung.
Bus-PQ atau lazim disebut bus beban. Disini baik injeksi daya aktifPmaupun daya reaktifQ dua-duanya ditentukan sedang besar dan sudut tegangan dihitung.
Konsep bus tadah atau simpul tadah yang membiarkan injeksi daya aktif tidak ditentukan diperlukan karena ke bus inilah nantinya semua rugi daya aktif yang terjadi pada jaringan ditimpakan setelah tegangan selesai dihitung, disamping injeksi daya aktif yang ada di bus ini sendiri. Dengan tujuan hampir sama konsep bus tadah, bus pembangkit (PV) yang membiarkan injeksi daya reaktif tidak ditentukan diperlukan karena ke bus inilah nantinya
lkpp
rugi-rugi daya reaktif yang terjadi pada jaringan ditimpakan setelah tegangan selesai dihitung, disamping injeksi daya reaktif yang ada di bus-bus ini sendiri.
. Secara umum persamaan arus yang memasuki suatu bus i pada sistem tenaga adalah sebagai berikut :
dimana Yij adalah admitansi bus antara bus i dan j, dan pada persamaan di atas j termasuk bus i. Dalam bentuk polar, dapat ditulis menjadi
Daya kompleks pada bus i adalah
Dengan memasukkan (38) ke dalam (39), diperoleh
Kemudian dipisahkan bagian-bagian riil dan imajiner,
Persamaan (5.41) dan (5.42) merupakan satu set persamaan aljabar nonlinear yang berhubungan dengan variabel-variabel bebas, magnitude tegangan dalam per unit (pu), sudut fase dalam radian. Terdapat dua persamaan untuk setiap bus beban, diberikan oleh (5.40) dan (5.41), dan satu persamaan untuk setiap bus pembangkit, diberikan oleh (5.41). Pengembangan (5.41) dan (5.42) ke dalam deret Taylor dan mengabaikan semua suku-suku yang berorde tinggi, menghasilkan satu set persamaan-persamaan linear berikut :
lkpp
berikut :
Langkah-langkah solusi aliran daya dengan metode Newton-Raphson adalah sebagai
sch
1. Untuk bus PQ, dimana Pisch dan Qi ditentukan, nilai awal magnitude dan sudut fase tegangan diset sama dengan nilai bus tadah, atau 1,0 dan 0,0, yaitu Vi(0) = 1,0 dan
sch
i(0) = 0,0. Untuk bus PV, dimana Vi dan Pi ditentukan, sudut fasenya diset sama
(0)
dengan sudut fase tegangan bus tadah, atau 0, yaitu i = 0. 2. Untuk bus PQ, (Pi
(k)
danQi(k)dihitung dengan persamaan (41) dan (42), 3. Untuk bus PV,Pi(k)dan ΔPi(k)
berturut-turut dihitung dengan persamaan (41)
4. Menyelesaikan persamaan linear simultan (42) secara langsung dengan cara faktorisasi triangular dan eliminasi Gauss.
Proses berulang sampai selisih dayaΔPi
(k) (k)
dan ΔQ
i
lebih kecil dari tingkat akurasiya.Analisis kontingensi dengan metode aliran daya digunakan untuk mengetahui pengaruh gangguan yang terjadi pda sistem tenaga listrik baik gangguan yang terjadi merupakan gangguan tunggal (single contingencies) atau gangguan jamak (multiple contingencies) pada saluran transmisi terhadap besarnya tegangan pada bus dan sudut fasa tegangan, serta perubahan aliran daya pada sistem tenaga listrik dengan perhitungan dan kecepatan komputasi yang baik.
lkpp
5.3.2 Analisis Kontingensi Tunggal
Analisis kontingensi tunggal adalah analisis kontingensi setelah terputusnya aliran listrik (outage) pada salah satu bagian sistem, artinya tidak terjadi dua pemutusan secara bersamaan. Pemutusan dapat terjadi karena salah satu saluran atau transformator lepas dari sistem, generator lepas, atau terjadi pergeseran pembangkitan, baik karena direncanakan untuk pemeliharaan rutin, maupun terpaksa karena kondisi cuaca, atau karena gangguan.
a. Pergeseran Arus-Injeksi
Misalkan suatu sistem tenaga listrik, jika pada bus m diberikan tambahan arus injeksi sebesar ΔIm, akan terjadi perubahan tegangan pada setiap bus dan perubahan arus yang mengalir pada setiap saluran. Perubahan tegangan pada sistem karena tambahan arus injeksi tadi dinyatakan dengan,
dengan Zbus adalah matriks impedansi bus sistem awal, sebelum enambahan arus injeksi. Perubahan tegangan pada bus i dan j dapat ditulis,
dengan Zim dan Zjm adalah komponen-komponen dari Zbus. Jika saluran yang menghubungkan busidan busjmempunyai impedansi primitif zc, maka perubahan arus yang mengalir dari busike busjadalah
dari persamaan ini kita mendefinisikan istilah faktor distribusi arus-injeksi atau current-injection distribution factor, Kij,m yang dirumuskan dengan,
lkpp
perubahan arus-injeksi pada satu bus, bus m. Maka perubahan arus pada saluran ij karena perubahan arus-injeksi pada bus m adalah
Hubungan ini menunjukkan bahwa beban lebih pada saluran dapat dihilangkan dengan menurunkan arus-injeksi pada suatu bus dan menaikkan arus-injeksi pada bus lain, atau dengan kata lain menurunkan pembangkitan daya suatu unit pembangkit dan menaikkan daya yang dibangkitkan pada unit yang lain.
Apabila arus-injeksi pada busp diubah sebesar ΔIpsedangkan pada busq arus injeksi diubah sebesar ΔIq, maka dengan prinsip superposisi, perubahan arus pada saluran ij dapat dihitung dengan,
Karena penggunaan seperti di atas, Faktor Distribusi Arus-Injeksi disebut sebagai faktor distribusi pergeseran arus (current-shift distribution factor). Pada model aliran daya DC pergeseran arus dari bus yang satu ke bus yang lain ekivalen dengan pergeseran pembangkitan daya aktif dari bus yang satu ke bus yang lain. Oleh karena itu Faktor Distribusi Pergeseran Arus sering disebut Faktor Distribusi Pergeseran Pembangkitan (generation-shift distribution factor).
b. Saluran Lepas dari Sistem
Mengeluarkan satu saluran dari operasi sistem tenaga dapat disimulasikan dalam model sistem dengan penambahan suatu impedansi negatif yang besarnya sama dengan impedansi saluran itu di antara kedua bus di ujung saluran tersebut. Dengan menggunakan konsep kompensasi arus, Zbussistem tidak perlu dimodifikasi, penurunan persamaan perubahan tegangan tiap bus dan perubahan arus pada tiap saluran cukup dengan menggunakan Zbussistem awal sebelum saluran lepas.
Misalkan suatu saluran antara bus m dan bus n dengan impedansi seri za yang terlepas dari sistem dapat disimulasikan dengan menambah impedansi -za antara kedua bus
lkpp
dalam rangkaian ekivalen sistem pre-outage, yaitu sebelum saluran mn lepas, seperti pada Gambar 1. Saluran mn lepas disimulasikan dengan menghubungkan impedansi -za dengan memasukkan saklar S sehingga mengalir arus Ia. Dengan Zmn = Znm, dari Gambar 1 terlihat bahwa,
dengan Vm dan Vnadalah tegangan pre-outage busm dan busn dan Zth,mn = (Zmm+ Znn
- 2 Zmn) adalah impedansi Thevenin antara bus m dan busn. Efek arus Ia terhadap tegangan pre-outage bus m dan bus n sama dengan memberikan arus injeksi ΔIm = -Ia ke dalam bus m
dan ΔIn = Ia ke dalam bus n. Perubahan arus pada sembarang arus ij dengan impedansi zc
adalah,
Gambar 5.13 Rangkaian ekivalen Thevenin pre-outage untuk simulasi lepasnya saluranmn.
Substitusi untukIadari persamaan (5.51) ke dalam persamaan (5.52) diperoleh,
Sebelum saluran mnlepas, arus yang mengalir pada saluran tersebut,
Dengan menggabungkan persamaan (5.53) dan (5.54) kita peroleh perubahan arus pada saluran ijyang disebabkan oleh lepasnya saluranmndari sistem yaitu,
lkpp
Lij,mn disebut Faktor Distribusi Saluran-Keluar (line-outage distribution factor) yang menyatakan besar perubahan arus pada saluran ijdengan impedansi seri zckarena keluarnya saluranmndari sistem yang mempunyai impedansi seri za.
Arus yang mengalir pada saluran ij setelah saluran mn keluar diberikan oleh persamaan,
Imnadalah arus saluranmnsebelum lepas dari sistem, dapat diperoleh dari hasil analisis aliran daya. Dengan demikian dengan persamaan (5.50) dapat diketahui apakah tiap saluran mengalami pembebanan lebih(overload)atau tidak setelah satu saluran lepas dari sistem.
5.3.2 Analisis Multi Kontingensi
Bila terjadi dua kontingensi tunggal berturut-turut atau simultan, perhitungan perubahan arus yang mengalir melalui setiap saluran dapat dilakukan dengan mengkombinasikan faktor-faktor distribusi dari kontingensi tunggal yang sudah dihitung lebih dahulu pada studi kontingensi tunggal.
a. Satu Saluran Lepas dan Pergeseran Arus-Injeksi
Bila saluran mn keluar dari sistem diikuti dengan pengurangan arus-injeksi ke bus p serta penambahan arus injeksi ke busq, maka perubahan arus pada sembarang saluranijdapat diturunkan dengan prinsip superposisi menggunakan faktor-faktor distribusi dari kontingensi tunggal dan hasilnya diberikan oleh persamaan,
dengan Kij,p adalah faktor distribusi pergeseran pembangkitan yang baru, yang menyatakan perubahan arus pada saluranijkarena penambahan atau pengurangan arus injeksi
lkpp
di bus p sebesar ΔIp yang sebelumnya didahului oleh lepasnya saluran mn. Hal yang sama dapat dinyatakan untukKij,q
b. Dua saluran Lepas
Misalkan saluranpq lepas dari sistem pada saat saluranmntelah lepas sebelumnya dari sistem karena pemeliharaan, maka perubahan arus pada sembarang saluranijadalah,
Lij,mn= adalah Faktor Distribusi Saluran Lepas efektif yang menyatakan perubahan arus dalam kondisi statis (steady state) saluran ij akibat lepasnya saluran mn ketika saluran pq telah lepas lebih dulu dari sistem. Pernyataan yang sama juga untuk Lij,pq
Untuk melakukan analisis kontingensi, sebelumnya diperlukan data-data awal dari hasil studi aliran daya. Analisis kontingensi sangat berguna dalam perencanaan dan operasi sistem tenaga listrik. Dengan hasil-hasil yang diperoleh dari studi analisis kontingensi disamping data-data dari studi-studi lainnya, seorang perencana dapat menentukan kapasitas peralatan yang akan dipasang pada bagian-bagian tertentu dari sistem. Dan seorang operator dapat mengambil tindakan cepat jika terjadi gangguan, misalnya lepasnya saluran atau lepasnya generator di salah satu bus, seorang operator dapat dengan cepat melakukan pergeseran pembangkitan ke bus lain atau melepas sebagian beban untuk menghindari terjadinya beban lebih (overload) pada saluran tertentu, sehingga gangguan yang lebih besar, seperti lepasnya saluran secara berentetan dapat dihindari.
lkpp
5.4 ANALISIS KOREKTIF SISTEM TENAGA LISTRIK (CORRECTIVE ACTION