ABSTRACT
DYNAMIC VOLTAGE STABILITY PREDICTION OF LAMPUNG’S ELECTRIC POWER SYSTEM
USING MAXIMUM LYAPUNOV EXPONENT
By
M. Widi Tryatno
Disturbances in operation of electric power system can make changes in voltage stability. Therefore, prediction of dynamic voltage stability before and after disturbances needs to be done. One of method for predicting the dynamic voltage stability is the use of maximum Lyapunov exponent. In this research, dynamic voltage stability of Lampung’s electric power system is performed by simulating several types of disturbances that apply in Baturaja – Bukit Kemuning branch. Time-series data of voltage measurements is then used to predict voltage stability using maximum Lyapunov exponent. In three-phase fault simulation, voltage starts to be stable at 2.15 seconds after disturbance. In line to ground fault, double-line to ground fault, and double-line-to-double-line fault, voltage starts to be stable at 1.65 seconds after disturbance. When applied loss of line fault, voltage starts to be stable at 2.15 seconds after disturbance. In loss of load fault, voltage starts to be stable at 2.45 seconds after disturbance. The results show that maximum Lyapunov exponent can be used to predict voltage stability dynamically.
ABSTRAK
PERKIRAAN STABILITAS TEGANGAN SECARA DINAMIS PADA SISTEM TENAGA LISTRIK LAMPUNG
DENGAN EKSPONEN LYAPUNOV MAKSIMUM
Oleh M. Widi Tryatno
Gangguan-gangguan dalam operasi sistem tenaga listrik dapat menyebabkan stabilitas tegangan terganggu. Oleh sebab itu, perkiraan stabilitas tegangan secara dinamis sebelum dan setelah terjadinya gangguan perlu dilakukan. Salah satu metode untuk memperkirakan stabilitas tegangan dinamis adalah menggunakan eksponen Lyapunov maksimum. Dalam penelitian ini, simulasi stabilitas tegangan dinamis pada sistem kelistrikan Wilayah Lampung dilakukan dengan mensimulasikan beberapa jenis gangguan pada saluran Baturaja – Bukit Kemuning. Data pengukuran tegangan berdasarkan urutan waktu digunakan untuk menentukan stabilitas tegangan dengan menggunakan eksponen Lyapunov maksimum. Pada gangguan jenis tiga fasa, tegangan mulai stabil pada 2,15 detik setelah gangguan. Pada gangguan satu fasa ke tanah, dua fasa ke tanah, dan antarfasa tegangan mulai stabil pada 1,65 detik setelah gangguan. Ketika terjadi gangguan putus saluran tegangan mulai stabil pada 2,15detik setelah gangguan, sedangkan saat lepas beban, tegangan mulai stabil pada 2,45 detik setelah gangguan. Dari hasil-hasil penelitian, eksponen Lyapunov maksimum dapat digunakan memperkirakan stabilitas tegangan secara dinamis.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Tanjungkarang pada tanggal 29 Desember
1990 sebagai anak kedua dari Bapak Drs. Markus Suyatno dan
Ibu Magdalena Srinurhayati. Pendidikan awal yang pernah
penulis tempuh adalah pendidikan Taman Kanak-kanak di TK
Xaverius Pringsewu dan diselesaikan pada tahun 1997. Kemudian, penulis
melanjutkan ke Sekolah Dasar (SD) Fransiskus Pringsewu dan selasai tahun 2003.
Lalu pendidikan Sekolah Lanjutan Tingkat Pertama (SLTP) Xaverius Pringsewu
diselesaikan tahun 2006. Kemudian Sekolah Menengah Atas di SMAN 2 Bandar
Lampung.
Pada tahun 2009, penulis diterima sebagai mahasiswa di Jurusan Teknik Elektro
Universitas Lampung pada tahun 2009 melalui Seleksi Nasional Masuk Perguruan
Tinggi Negeri. Ketika menjadi mahasiswa penulis melaksanakan kerja praktik di
PT Indonesia Power Unit Bisnis Pembangkitan (UBP) Suralaya pada tahun 2012.
Penulis juga pernah menjabat sebagai asisten Laboratorium Sistem Tenaga Listrik
Carilah mimpimu,
kemudian kejarlah
.
Jika Anda tidak bergerak untuk mulai membangun mimpi anda,
seseorang justru akan memperkerjakan anda
untuk membantu membangun mimpi mereka. -Tony Gaskins
Lambang sebuah kecerdasan bukanlah pengetahuannya,
tetapi imajinasinya. – Albert Einstain
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas segala limpahan berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan dan menyusun laporan Tugas Akhir yang berjudul “Perkiraan Stabilitas Tegangan Secara Dinamis dengan Eksponen Lyapunov Maksimum. Laporan ini disusun sebagai syarat melesaikan studi S1 di Teknik Elektro Universitas Lampung.
Dalam penyusunan skripsi ini penulis mendapat banyak bantuan, baik ilmu, materi, bimbingan, dan saran dari berbagai pihak. Oleh sebab itu, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada:
1. Orangtuaku Bapak Yatno dan Ibu Nur serta saudara-saudaraku Nuri, Ardi, dan Merri atas segala kasih sayang, doa dan dukungan yang selalu diberikan sepanjang waktu.
2. Bapak Prof. Dr. Suharno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Lampung.
3. Bapak Agus Trisanto, S.T.,M.T.,Ph.D selaku ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung.
5. Bapak Osea Zebua, S.T., M.T. selaku pembimbing utama yang telah memberikan banyak ilmu, bimbingan, saran, dan nasihat selama penyelesaian Tugas Akhir ini.
6. Bapak Ir. Noer Soedjarwanto, M.T. selaku pembimbing pendamping yang telah memberikan banyak ilmu, bimbingan, saran, dan nasihat selama penyelesaian Tugas Akhir ini.
7. Bapak Ir. Abdul Haris, M.T. selaku penguji Tugas Akhir atas saran dan nasihatnya.
8. Bapak Muhamad Komarudin, S.T., M.T. selaku pembimbing akademik atas nasihatnya selama penulis menjadi mahasiswa.
9. Bapak dan Ibu Dosen atas segala ilmu, bimbingan, dan nasihatnya selama penulis melaksanakan kuliah di Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung. 10. Anak-anak Kemiling Inside Uwak Ari, Albet, Ateng atas bantuan yang tidak
seberapa, tetapi ada dampaknya.
11. Teman-teman Laboratorium:Alif, Nurhadi, Luqvi, dan Jumanto (udah lulus), serta Mbul, Binsar, dan Rani (belum lulus) yang saling mendukung.
12. Teman-teman Teknik Elektro Universitas Lampung khususnya angkatan 2009.
13. Mbak Ning dan staf Teknik Elektro Universitas Lampung yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan studi ini.
wawasan ilmu pengetahuan dan teknologi bersama. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis dan bagi kita semua.
Bandar Lampung, 25 Oktober 2014
DAFTAR ISI
2.2. Stabilitas Tegangan pada Sistem Tenaga Listrik ... 8
2.3. Solusi Aliran Daya ... 11
2.4. Penyebab Ketidakstabilan Tegangan di Sistem Tenaga Listrik .. 14
2.5. Eksponen Lyapunov... 15
2.6. Eksponen Lyapunov untuk Data Urutan Waktu ... 18
III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ... 20
3.2. Alat dan Bahan ... 20
3.3. Tahapan Penelitian ... 20
3.4. Diagram Alir Simulasi Pengukuran Tengangan Dinamis ... 27
IV. HASIL DAN PEMBAHAN
4.1. Sistem Tenaga Listrik Lampung ... 29 4.2. Simulasi Jaringan dalam Keadan Normal ... 36 4.3. Simulasi Jaringan dalam Keadaan Gangguan ... 37 4.4. Simulasi Stabilitas Tegangan dengan Eksponensial Lyapunov
Maksimum ... 44 4.5. Pengaruh Durasi Gangguan dan Penghilang Gangguan Terhadap
Stabilitas Tegangan Dinamis dengan Eksponen Lyapunov
Maksimum ... 57 4.6. Pengaruh Panjang Sampel Data pada Stabilitas Tegangan
Dinamis dengan Eksponensial Lyapunov Maksimum ... 63
V. SIMPULAN DAN SARAN
5.1. Simpulan ... 66 5.2. Saran ... 67
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
3.1. Jenis Bus di Sistem Tenaga Listrik Lampung pada Simulasi ... 22
4.1. Pemodelan Nama dan Jenis Bus Jaringan Transmisi Lampung ... 31
4.2. Jenis dan Panjang Saluran Transmisi Lampung ... 32
4.3. Pemodelan Saluran Transmisi Lampung 150 kV ... 34
4.4. Beban di Gardu Induk ... 35
4.5. Pemodelan Mesin Generator ... 36
4.6. Pemodelan Eksitasi Mesin Generator ... 36
I. PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Energi listrik merupakan salah satu bentuk energi yang sangat penting
untuk menunjang kehidupan manusia sekarang ini. Di era globalisasi sekarang ini
tingkat pertumbuhan industri dan pertumbuhan perumahan sangat pesat.
Peningkatan tersebut menyebabkan permintaan akan energi listrik semakin
meningkat. Hal ini karena energi listrik merupakan sumber energi utama yang
digunakan dalam proses produksi di dunia industri dan menunjang kemajuan taraf
hidup manusia.
Besarnya permintaan energi listrik mengakibatkan perlunya
membangun pusat – pusat pembangkitan energi listrik dengan kapasitas besar dan
jumlah yang cukup banyak. Jika pembangunan pusat pembangkit listrik tidak
dapat mengimbangi pertumbuhan beban, maka kontinuitas penyaluran energi
listrik ke konsumen dapat terganggu. Selain itu, akan menyebabkan stabilitas
sistem tenaga menjadi tidak seimbang.
Kestabilan sistem tenaga listrik meliputi stabilitas tegangan, stabilitas
frekuensi, dan stabilitas sudut rotor generator. Pada penelitian ini kestabilan yang
2
tercipta jika tegangan pada setiap bus berada dalam batas-batas yang diizinkan.
Pada operasi sistem tenaga stabilitas tegangan adalah hal yang utama dalam
keandalan operasi sistem karena ketidakstabilan tegangan dapat menyebabkan
jatuhnya tegangan sehingga berakibat pemadaman total (black out). Peristiwa
lepas beban, putus saluran, gangguan satu fasa ke tanah, dua fasa ke tanah, tiga
fasa, dan antarfasa dapat mengakibankan stabilitas tegangan terganggu. Selain itu,
dampak ketidakstabilan tegangan juga dapat membuat kerusakan pada peralatan–
peralatan penyaluran energi listrik dan peralatan-peralatan rumah tangga. Oleh
sebab itu, penting untuk mengetahui kestabilan tegangan pada sistem tenaga listrik
sehingga keandalan sistem dapat terjaga.
Sistem tenaga listrik di Lampung merupakan sistem yang terdiri dari 9
unit pembangkitan tenaga dan beberapa unit pusat penyaluran beban atau gardu
induk. Kasus utama yang terjadi di Provinsi Lampung adalah jumlah permintaan
beban yang tidak mampu diimbangi oleh ketersedia kapasitas pembangkit. Hal ini
tentu akan membuat sistem rentan terhadap ketidakstabilan tegangan sehingga
akan mungkin terjadi pemadaman. Kasus seperti putus saluran pernah terjadi
sehingga tegangan mengalami ketidakstabilan dan mengakibatkan pemadaman di
beberapa wilayah. Selain itu, peristiwa ganguan satu fasa ke tanah, dua fasa ke
tanah, tiga fasa, antarfasa, dan lepas beban dapat menggangu stabilitas tegangan di
sistem tenaga listrik wilayah Lampung. Dengan demikian, maka studi stabilitas
3
1.2.Tujuan Penelitian
Penelitian yang dilakukan oleh penulis ini memiliki tujuan, antara
lain:
1. Mengetahui pengaruh gangguan-gangguan, seperti gangguan satu fasa ke
tanah, dua fasa ke tanah, tiga fasa, antarfasa, putus saluran, dan pelepasan
beban terhadap stabilitas tegangan.
2. Melakukan perkiraan prediksi stabilitas tegangan dinamis dengan
menggunakan eksponen Lyapunov maksimum.
1.3.Rumusan Masalah
Sistem tenaga listrik Wilayah Lampung merupakan sistem yang terdiri
dari 1 bus referensi, 8 pusat pembangkitan dan 15 pusat beban. Permintaan energi
listrik di Provinsi Lampung lebih tinggi daripada jumlah ketersedian kapasitas
daya terbangkitkan. Oleh sebab itu, sistem tenaga listrik Lampung rentan terhadap
pemadaman dan ketidakstabilan tegangan.
Fenomena gangguan yang terjadi di sistem tenaga listrik, antara lain
gangguan satu fasa ke tanah, dua fasa ke tanah, tiga fasa, antarfasa, putus saluran,
dan lepas beban dapat menyebabkan ketidakstabilan tegangan. Ketidakstabilan
tegangan ini sangat dihindari dalam operasi sistem tenaga karena dapat merugikan
pihak konsumen dan PLN sebagai penyedia jasa kelistrikan. Kerusakan tersebut
dapat menyebabkan kerusakan peralatan listrik, seperti televisi, komputer, motor
4
tegangan dapat menimbulkan jatuh tegangan yang dapat berakibat pemadaman
total.
Prediksi stabilitas tegangan perlu untuk dilakukan untuk mengetahui
perilaku dinamis tegangan terhadap peristiwa gangguan yang terjadi di sistem.
Eksponen Lyapunov maksimum adalah metode yang digunakan untuk mengetahui
stabilitas tegangan di sistem tenaga listrik Wilayah Lampung. Tegangan akan
stabil bila nilai eksponen Lyapunov maksimum lebih kecil dari nol (λ<0).
1.4.Batasan Masalah
Studi tentang stabilitas tegangan pada sistem tenaga listrik.di
Lampung ini memiliki batasan permasalahan, antara lain:
1. Dalam penelitian, komponen simetris digunakan untuk merepresentasikan
gangguan tidak seimbang.
2. Hanya satu buah gangguan yang digunakan dalam melakukan satu kali
skenario simulasi.
3. Simulasi dilakukan dalam kondisi beban tetap, yaitu beban maksimum.
1.5.Manfaat Penelitian
Penelitian tentang stabilitas tegangan pada sistem tenaga listrik di
5
1. Mengetahui keandalan sistem tenaga listrik wilayah Lampung dalam
menjaga stabilitas tegangan terhadap pengaruh gangguan – gangguan yang
terjadi, seperti gangguan satu fasa ke tanah, dua fasa ke tanah, tiga fasa,
antarfasa, putus saluran, dan lepas beban.
2. Mengetahui jenis gangguan yang menyebabkan ketidakstabilan tegangan
paling buruk sehingga dapat merencanakan sistem tenaga yang tahan
terhadap gangguan tersebut.
1.6.Hipotesis
Eksponen Lyapunov maksimum dapat digunakan untuk menentukan
konvergensi atau divergensi antara dua buah lintasan vektor dalam sebuah bidang
atau menyatakan stabilitas perubahan dinamis dari suatu sistem terhadap waktu.
Oleh karena itu, eksponen Lyapunov maksimum juga dapat digunakan untuk
menentukan stabilitas tegangan sistem tenaga listrik dalam skala waktu. Pada
penelitian ini eksponen Lyapunov maksimum digunakan untuk menentukan
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1.Stabilitas Sistem Tenaga
Permasalahan utama yang terjadi di sistem tenaga adalah operasi
sinkron antara tegangan, frekuensi, dan sudut fasa. Operasi ini akan menyatakan
keserempakan kerja mesin – mesin sinkron di jaringan dalam rentang waktu
tertentu. Dalam jaringan tenaga listrik sistem interkoneksi merupakan hal yang
umum dijumpai karena pemanfaatan interkoneksi di jaringan akan meningkatkan
keandalan dan dapat memperbesar suplai daya yang dihasilkan. Namun,
permasalahan yang mungkin muncul pada sistem interkoneksi adalah
ketidaksamaan tegangan, frekuensi, dan sudut fasa, sehingga sistem tenaga listrik
tidak dapat berjalan serempak atau mengalami ketidakstabilan.
Kestabilan sistem merupakan bagian yang perlu untuk dijaga dalam
operasi sistem tenaga. Stabilitas sistem tenaga didefinikan sebagai kemampuan
sistem tenaga yang memungkinkan sistem tersebut untuk tetap berada pada
kondisi dalam batas operasi yang diinginkan pada keadaan normal atau abnormal
di sistem tenaga.
Sistem tenaga merupakan sistem yang sangat kompleks dan terdiri
7
masing terhadap perubahan kondisi. Oleh karena itu, perlu pengklasifikasian
kestabilan sistem tenaga berdasarkan faktor kontribusi yang menyebabkan
ketidakstabilan. Klasifikasi tersebut diperlihatkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Klasifikasi Stabilitas Sistem Tenaga[1]
Tujuan dari studi kestabilan pada sistem tenaga adalah untuk
menentukan rotor mesin yang terganggu dapat kembali kekeadaan normal dengan
kecepatan konstan. Kondisi ini berarti kecepatan rotor harus menyimpang dari
kecepatan sinkron, paling tidak untuk beberapa waktu. Penyimbangan kecepatan
rotor yang terlalu lama juga dapat membuat mesin menjadi rusak. Dalam studi
stabilitas dibuat asumsi, yaitu :[2]
Stabilitas Sistem Tenaga
Stabilitas Sudut Rotor
Stabilitas
Frekuensi Tegangan Stabilitas
8
1. Dalam analisis stabilitas sistem tenaga, hanya diperhitungkan arus dan
tegangan frekuensi serempak. Oleh karena, itu semua komponen harmonis
akan diabaikan.
2. Komponen simetris digunakan untuk representasi gangguan tidak
seimbang.
3. Tegangan yang dibangkitkan dianggap tidak dipengaruhi oleh perubahan
kecepatan mesin.
2.2. Stabilitas Tegangan Pada Sistem Tenaga Listrik
Salah satu faktor pada kestabilan sistem tenaga adalah stabilitas
tegangan. Stabilitas tegangan ialah kemampuan sistem tenaga untuk menjaga nilai
tegangan pada batas operasi yang ditentukan di semua bus pada sistem tenaga,
saat sistem berada pada kondisi normal dan tidak normal akibat terjadi gangguan.
Sistem mengalami kondisi tidak stabil ketika terjadi gangguan, perubahan beban,
dan perubahan kondisi pada sistem
Berdasarkan Gambar 2.1 stabilitas tegangan terbagi menjadi dua, yaitu
stabilitas tegangan akibat gangguan yang kecil dan akibat gangguan yang luas.
Stabilitas tegangan akibat gangguan kecil ini terjadi akibat gangguan yang kecil
atau bersifat lokal, seperti perubahan kenaikan beban di sistem. Sedangakan,
stabilitas akibat gangguan besar adalah kemampuan sistem untuk
mempertahankan tegangan pada batas operasi yang ditentukan akibat terjadi
gangguan yang besifat luas, seperti kesalahan sistem, pelepasan generator, atau
9
kembali kestabilannya. Berdasarkan waktu kestabilan tegangan sistem akan
kembali dalam waktu cepat atau lama tergantung dari jenis gangguannya.
Klasifikasi stabilitas tegangan berdasarkan periode kestabilan dapat dibagi
menjadi tiga macam, yaitu stabilitas tegangan jangka pendek, jangka menengah,
dan jangka panjang. Rentang waktu stabilitas tegangan jangka pendek adalah 0
sampai 10 detik, jangka menengah adalah antara 10 detik sampai 10 menit,
sedangkan jangka panjang lebih dari 10 menit.[1]
Kriteria yang menyatakan sistem tenaga memiliki kestabilan tegangan
adalah pada kondisi operasi tertentu dalam sistem, tegangan di bus tertentu akan
mengalami kenaikan tegangan ketika disuntikan daya reaktif pada bus yang sama.
Sedangkan, tegangan sistem tidak stabil jika paling tidak salah satu bus di sistem
tenaga mengalami penurunan tegangan saat disuntukkan daya reaktif pada bus
yang sama. Dengan demikian, maka sistem tenaga listrik memiliki hubungan
yang sebanding antara daya reaktif (Q) dengan tegangan (V) bus saat sistem
memiliki kestabilan tegangan.
Gambar 2.2 menggambarkan sistem tenaga yang sederhana yang
terdiri dari dua terminal (bus). Sistem tersebut terdiri dari tegangan sumber (Es),
impedansi (ZLN), dan impedansi beban (ZLD). Ini merepresentasikan sistem radial
di sistem tenaga yang menyalurkan daya dari pembangkit ke sisi beban melalui
10
Gambar 2.2. Representasi Sistem Tenaga Listrik Radial[1]
Arus (I) yang mengalir dalam sistem dirumuskan dengan persamaan
= ... (2.1)
Dengan menyatakan bahwa
= ∠ dan = ∠∅
Maka magnitude arus dinyatakan dengan
= ( ∅) ( ∅) ... (2.2)
atau
= √ ... (2.3)
Dimana
= 1 + + 2 cos( − ∅)
11
=
= √ ... (2.4)
Daya yang disuplai ke beban adalah
= cos ∅
= cos ∅ ... (2.5)
2.3.Solusi Aliran Daya [3]
Sistem tenaga listrik pada umumnya terdiri dari banyak bus. Untuk
menyelesaikan aliran daya di sistem tenaga listrik salah satunya menggunakan
metode Newton Rhapson. Pada metode ini sistem dibagi sehingga memiliki tiga
kelompok bus, yaitu bus generator, referensi, dan beban.
Perhitungan dengan metode Newton Rhapson merupakan cara yang
relevan untuk penghitungan aliran daya pada sistem yang terdiri dari banyak bus
karena memiliki kecepatan dalam mengkalkulasi. Perhitungan persamaan ini
menggunakan matriks admitansi bus yang dirumuskan sebagai
= ∑ ... (2.6)
Arus yang mengalir pada sistem berbentuk bilangan kompleks sehingga
persamaan di atas dapat dinyatakan dalam bentuk polar, yaitu
= ∑ ∠ + ... (2.7)
12
+ = ∗ ... (2.8)
Dengan melakukan substitusi persamaan (2.7) ke persamaan (2.8) didapatkan
+ = | |∠ − ∑ ∠ + ... (2.9)
Pemisahan antara nilai riil dan imajiner dilakukan sehingga hasilnya
= ∑ | | cos − + ... (2.10)
= − ∑ | | sin − + ... (2.11)
Dengan menggunakan metode iterasi dan menyelesaikan dengan matriks, maka
kedua persamaan di atas dapat ditulis
⎣
Pada persamaan tersebut bus pertama dianggap sebagai bus referensi.
Penggunaan matriks Jacobian dapat digunakan untuk merepresentasikan
persamaan (2.12) sehingga dihasilkan
∆ ( )
∆ ( ) = ∆
( )
∆| |( ) ... (2.13)
Elemen matriks Jacobian dapat dicari dengan
13
spesifikasi dan perhitungan memiliki selisih yang sangat kecil.
∆ ( ) = , − , ( )
14
2.4. Penyebab Ketidakstabilan Tegangan di Sistem Tenaga Listrik
Sistem tenaga merupakan sistem yang dinamis, dimana selalu terjadi
perubahan di dalam sistem tersebut dalam selang waktu tertentu. Peristiwa
gangguan – gangguan, seperti gangguan satu fasa ke tanah, dua fasa ke tanah, tiga
fasa, antar fasa, pelepasan beban, dan putus saluran dapat mempengaruhi
kestabilan sistem. Kondisi ini dapat menimbulkan osilasi pada sistem sehingga
mempengaruhi kestabilan tegangan sistem.
Dalam studi kestabilan tegangan, akibat terjadinya gangguan
kemampuan sistem untuk kembali stabil terbagi dua, yaitu stabilitas jangka
pendek dan stabilitas jangka panjang. Stabilitas jangka pendek biasanya terjadi
akibat adanya tanggapan cepat pengendali tegangan seperti Automatic Voltage
Regulator (AVR) atau Flexible AC Transmission Sistem (FACTS). Sedangkan,
stabilitas waktu panjang melibatkan peralatan yang memiliki tanggapan lambat
terhadap perubahan sistem, seperti On-load Tap Charger (OLTP) atau Delayed
Corrective Control Action.
Komponen dan kendali sistem tenaga tenaga memperangaruhi
kestabilan tegangan berdasarkan lamanya waktu memperoleh kesabilan kembali
15
Stabilitas Tegangan Stabilitas Tegangan Waktu Pendek Waktu Panjang
Gambar 2.3. Komponen Sistem Kendali yang Mempengaruhi
Stabilitas Tegangan[4]
2.5.Eksponensial Lyapunov
Suatu peristiwa yang terjadi dalam sebuah sistem akan membuat
sistem tersebut mengalami perubahan kondisi. Pada studi kestabilan sistem,
perubahan kondisi ini dapat mengakibatkan sistem mengalami ketidakstabilan
ataupun sistem mempertahankan kestabilan. Sistem kendali dalam suatu peralatan
bertujuan untuk mempertahankan kestabilan sistem di saat terjadi perubahan
kondisi. Hal ini sangat penting karena sistem kendali yang tidak stabil dapat
16
Stabilitas sistem dapat diamati dengan menggunakan suatu teori yang
diperkenalkan oleh Alexandr Mikhailovich Lyapunov. Alexandr Mikhailovich
Lyapunov mengembangkan sebuah teori yang disebut dengan teori eksponensial
Lyapunov. Eksponen Lyapunov dapat diartikan sebagai perbedaan konvergensi
atau divergensi eksponen antara dua buah lintasan vektor di sebuah bidang.
Eksonen Lyapunov berfungsi untuk menentukan ketergantungan
sebuah sistem terhadap kondisi awalnya. Selain itu, dapat pula untuk
memperlihatkan perilaku dinamis sebuah sistem. Oleh sebab itu, maka
eksponensial Lyapunov dapat digunakan untuk menentukan kestabilan suatu
sistem.
Dalam studi kestabilan dengan eksponensial Lyapunov terdapat dua
buah lintasan di sebuah bidang. Kedua lintasan itu digambarkan dengan
persamaan x(t) = ft(x
0) dan x(t)+δx(t)=ft(x0+δx0). Sensitivitas terhadap keadaan
awal antara kedua lintasan tersebut memenuhi persamaan
‖ ( )‖ ≈ ‖ ‖ ... (2.24)
dimana λ merupakan jarak anatarlintasan dalam sistem atau dikenal dengan
Eksponensial Lyapunov.[5]
Persamaan 2.24 di atas dapat ditulis menjadi
≅ ln‖ ( )‖‖ ( )‖ ... (2.25)
dimana
17
t = waktu uji
δx(t) = perubahan jarak dalam waktu t
δx(0) = jarak awal
Pengamatan kestabilan dengan eksponensial lyapunov menghasilkan
gambaran apakah sistem stabil , keadaan tetap, atau tidak stabil.
Gambar 2.4.Grafik Kestabilan Lyapunov (a) Stabil (b) Keadaan Tetap dan (c) Tidak Stabil
Stabil adalah sistem yang menuju titik keseimbangan (λ<0). Sedangkan, keadaan
tetap adalah sistem yang stabil netral, yaitu sistem yang konservatif atau tidak
mengalami perubahan (λ=0). Tidak stabil menurut eksponensial Lyapunov terjadi
saat λ>0, yaitu ketika salah satu lintasan mendekati titik kestabilan dan lintasan
yang lainnya menjauhi titik kestabilan atau kedua lintasan sama – sama menjauhi
18
2.6. Eksponen Lyapunov untuk Data Urutan Waktu[6] [7]
Perubahan stabilitas sistem dapat dianalisis dengan menggunakan
eksponensial Lyapunov maksimum. Pada sistem dinamis yang selalu berubah –
ubah dari waktu ke waktu digunakan metode eksponen Lyapunov untuk data
Eksponen Lyapunov urutan waktu digunakan untuk analisis stabilitas
tegangan dengan membandingkan antara tegangan pada waktu ke t terhadap
tegangan sebelumnya. Hal ini sesuai fungsi eksponen Lyapunov untuk
menentukan ketergantungan sistem terhadap kondisi awal. Dalam sistem tenaga
listrik stabilitas tegangan dianalisis pada konteks perbandingan tegangan setelah
gangguan dalam waktu tertentu terhadap tegangan sebelum ganguan.
Setelah terjadi gangguan akan menyebabkan tegangan pada sistem
tenaga listrik mengalami ketidakstabilan. Suatu sistem yang memiliki stabilitas
19
demikian, maka eksponen Lyapunov urutan waktu dapat digunakan untuk
III. METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan dari bulan Februari s.d. September 2014 dan
bertempat di Laboratorium Sistem Tenaga Listrik Universitas Lampung.
Sedangakan, pengambilan data direncanakan akan dilakukan di PT PLN (Persero).
3.2.Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan untuk membantu pengerjaan tugas
akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Satu buah Laptop/PC
2. Software Matlab
3. Data dari PT PLN (Persero)
3.3.Tahapan Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan, yaitu sebagai
21
3.3.1.Mengidentifikasi Masalah
Di tahap ini penulis mengidentifikasi permasalahan yang terdapat
di sistem tenaga listrik. Dalam tugas akhir ini penulis mengangkat
permasalahan tentang stabilitas tegangan di sistem tenaga listrik wilayah
Lampung.
3.3.2.Studi Literatur
Ini merupakan tahapan dimana penulis mengumpulkan dan
mempelajari tentang stabilitas sistem tenaga listrik dan eksponen Lyapunov
maksimum. Selanjutnya literatur – literatur tersebut digunakan untuk dasar
dalam mengerjakan tugas akhir ini.
3.3.3.Pengumpulan Data
Langkah selanjutnya yang dilakukan penulis adalah mengumpulkan
data – data yang diperlukan dalam penulisan tugas akhir ini. Data – data yang
dikumpulkan berasal dari PT PLN (Persero). Data yang dikumpulkan tersebut
adalah:
1. Data Jaringan Listrik Wilayah Lampung
2. Data Spesifikasi Generator
3. Data Beban
3.3.4.Simulasi Pengukuran Tegangan Dinamis di Sistem Tenaga Listrik
Lampung
Penelitian tahap berikutnya berlanjut ke proses simulasi. Data –
22
tegangan dengan menggunakan program Matlab. Langkah – langkah
perhitungan:
1. Melakukan pemodelan Sistem Tenaga Listrik (STL) Lampung dan
memasukkan data.
Dalam melakukan simulasi ini dilakukan pemodelan jaringan,
beban, dan generator di STL Lampung. Jaringan tenaga listrik
dimodelkan dalam jenis bus, penomoran bus, resistansi saluran,
impedansi saluran, dan suseptansi. Beban dimodelkan dalam pengukuran
daya maksimum yang dalam satu hari. Sedangkan, generator dimodelkan
dalam kapasitas generator, resistansi generator, dan kondisi eksitasi
generator.
Sistem tenaga listrik Lampung terdiri dari 24 bus dengan
rincian 9 buah bus generator dan 15 bus beban. Salah satu bus generator
dijadikan bus referensi. Tabel 3.1 merupakan rincian dari bus di sistem
tenaga listrik Lampung untuk penelitian ini.
Tabel 3.1. Jenis Bus di Sistem Tenaga Listrik Lampung pada Simulasi
No Nama Bus Jenis Bus
1 GI New Tarahan Bus Generator
2 GI Sebalang Bus Generator
3 GI Tarahan Bus Generator
4 GI Teluk Betung Bus Generator
5 GI Tegineneng Bus Generator
23
Pada sistem dalam simulasi digunakan 3 jenis bus, yaitu bus
referensi, bus generator, dan bus beban. Gardu Induk (GI) New Tarahan,
GI Tarahan, Teluk Betung, Tegineneng, Sebalang, Ulubelu, Besai, dan
Batutegi sebagai bus generator. Sedangkan, yang lainnya sebagai bus
beban. Sistem tenaga listrik Wilyah Lampung menggunakan
interkoneksi dengan Sumatera Selatan dan terhubung pada GI Bukit
Asam. GI ini menyuplai daya ke Lampung sehingga diikutsertakan
dalam penelitian. Daya yang dikirim dari GI Bukit Asam dianggap tetap
dan dijadikan sebagai bus referensi.
2. Melakukan simulasi pengukuran tegangan dinamis.
Pada tahapan ini tegangan dinamis STL Lampung diukur
pada selama 5 detik dengan memberikan gangguan pada sistem.
Gangguan yang diberikan, yaitu gangguan tiga fasa, satu fasa ke tanah,
dua fasa ke tanah, antarfasa, putus saluran, dan lepas beban. Dalam
24
gangguan sehingga akan didapatkan enam hasil pengukuran tegangan
dinamis selama 5 detik.
3. Melakukan perhitungan stabilitas tegangan dinamis dengan eksponen
Lyapunov maksimum
Untuk dapat mengetahui stabilitas tegangan di STL Lampung
digunakan suatu metode yang bernama Eksponensial Lyapunov
Maksimum untuk data urutan waktu. Data urutan waktu ini digunakan
karena tegangan pada STL Lampung adalah tegangan yang selalu
berubah terhadap waktu. Stabilitas tegangan akan tercipta apabila nilai
dari eksponen Lyapunov maksimum kurang dari nol (λ < 0).
3.3.5.Stabilitas Tegangan dengan Eksponen Lyapunov Maksimum
Data pengukuran tegangan dinamis dari hasil simulasi yang
didapatkan digunakan sebagai acuan untuk melakukan analisis stabilitas
tegangan. Pada simulasi ini stabilitas tegangan diamati dengan menggunakan
eksponen Lyapunov maksimum.
Data tegangan berdasarkan urutan waktu yang diperoleh dari
perhitungan simulasi aliran daya akan diuji stabilitas tegangannya dengan
menggunakan eksponensial Lyapunov maksimum. Data perubahan tegangan
yang digunakan dibagi ke dalam beberapa kelas. Setiap kelas memiliki
jumlah sampel data yang sama. Waktu pengujian yang digunakan adalah
lima menit.
Selanjutnya dihitung lambda dari persamaan eksponensial
Lyapunov untuk data urutan waktu. Di persamaan tersebut digunakan jumlah
25
tegangan pada kelas ke n+1 terhadap kelas ke n akan dicari logaritma
naturalnya. Dengan demikian, maka didapat nilai eksponensial Lyapunovnya.
Stabilitas tegangan di sistem tenaga listrik Wilayah Lampung dianalisis
dengan hasil eksponensial Lyapunov maksimum, dimana stabilitas tegangan
tecipta saat λ < 0.
Persamaan yang digunakan dalam analisis stabilitas tegangan
dengan eksponensial Lyapunov maksimum adalah sebagai berikut:
( ∆ ) = ∆ ∑ ln| ( )∆ ( )∆|
| ( )∆ ∆| ………….. (3.1)
Langkah – langkah dalam merumuskan stabilitas tegangan dengan
Eksponensial Lyapunov adalah sebagai berikut:
1. Menentukan panjang data sampel tegangan dan selisih waktu.
Dalam tahapan ini ditentukan panjang data sampel tegangan. Selanjutnya
data sampel tegangan saat waktu ke t = 1 dibandingkan waktu ke t = 0 dan
dihitung dengan persamaan Eksponensial Lyapunov di atas.
26
4. Mendefinikan pembilang dan penyebut jika hasilnya bernilai nol:
Jika pembilang sama dengan nol dan penyebut sama dengan nol,
maka pembilang pengganti sama dengan 0,00001 dan penyebut
pengganti sama dengan 0,00001
Jika pembilang sama dengan nol dan penyebut lebih besar dari nol,
maka pembilang pengganti sama dengan 0,00001
Jika pembilang lebih besar dari nol dan penyebut sama dengan nol,
maka penyebut pengganti sama dengan 0,00001
5. Menghitung nilai lambda sesuai dengan persamaan
( ∆ ) = ∆ ∑ ln| ( )∆ ( )∆|
| ( )∆ ∆|
3.3.6.Analisa
Langkah berikut adalah tahapan terakhir dalam tugas akhir ini.
Dari hasil simulasi akan didapatkan hasil monitoring stabilitas tegangan di
sistem tenaga Lampung. Setelah didapatkan hasil eksponen Lyapunov
maksumum (λ), maka stabilitas tegangan pada sistem tenaga listrik Lampung
dapat diamati. Nilai eksponen Lyapunov maksimum yang kurang dari nol
27
3.4.Diagram Alir Simulasi Pengukuran Tegangan Dinamis
Berikut merupakan diagram alir dari simulasi pengukuran tegangan
dinamis sistem tenaga Wilayah Lampung:
28
3.5.Diagram Alir Program Stabilitas Tegangan
Berikut merupakan diagram alir program tentang stabilitas tegangan di
sistem tenaga Wilayah Lampung dengan eksponensial Lyapunov maksimum:
V. SIMPULAN DAN SARAN
5.1. SIMPULAN
Setelah dilakukan penelitian tentang “Perkiraan Stabilitas Tegangan
Secara Dinamis pada Sistem Tenaga Listrik Lampung dengan Eksponen
Lyapunov Maksimum” dapat ditarik kesimpulan, antara lain:
1. Eksponen Lyapunov maksimum dari data urutan waktu dapat digunakan
untuk menentukan stabilitas tegangan pada sistem tenaga listrik.
2. Ketidakstabilan tegangan terbesar terjadi saat gangguan tiga fasa karena
hasil eksponen dari simulasi stabilitas tegangan dengan eksponen
Lyapunov maksimum memiliki nilai terbesar (λ = 4,0323) tepatnya saat
simulasi stabilitas tegangan memasuki waktu ke 0,2 detik.
3. Simulasi gangguan lepas beban di Bus Baturaja memiliki waktu
pemulihan stabilitas tegangan terlama, yaitu 2,4 detik setelah
menghilangkan efek gangguan.
4. Panjang sampel data tegangan mempengaruhi efektifitas eksponen
Lyapunov maksimum untuk menentukan stabilitas tegangan. Dimana
jumlah sampel data tegangan yang besar lebih efektif untuk menentukan
67
mewakili ayunan gelombang tegangan. Namun, jumlah sampel data yang
besar membuat pengamatan stabilitas tegangan lebih lama.
5. Stabilitas tegangan di Bus Baturaja saat terjadi gangguan lepas beban baru
tercipta ketika memasuki waktu simulasi ke 3,4 detik saat panjang sampel
data tegangan adalah 40. Sedangkan, saat panjang sampel data 20
stabilitas tegangan tercipta saat 2,6 detik dan dengan panjang sampel data
10 stabilitas tegangan mulai terjadi saat 2,0 detik.
6. Eksponen Lyapunov maksimum efektif untuk memperkirakan stabilitas
tegangan jangka pendek dengan mengamati perubahan tegangan sebelum
dan sesudah terjadi gangguan.
7. Eksponen Lyapunov maksimum efektif untuk menentukan stabilitas
tegangan berdasarkan perubahan dinamis tegangan, tetapi tidak efektif
untuk menentukan batas operasi tegangan yang diperbolehkan.
5.2. Saran
Setelah dilakukan penelitian tentang perkiraan stabilitas tegangan
dengan eksponensial Lyapunov maksimum maksimum didapatkan saran sebagai
berikut:
1. Untuk memperoleh hasil perkiraan stabilitas tegangan dengan eksponen
Lyapunov maksimum yang lebih baik diperlukan data pengukuran
68
2. Untuk penelitian selanjutnya, aplikasi dari eksponen Lyapunov maksimum
dapat diaplikasikan ke dalam peralatan listrik untuk memperkirakan
DAFTAR PUSTAKA
[1] Kundur, Prabha. 1994. Power System Stability and Control. New York :
McGrow-Hill.
[2] Grainger John J dan William D. Stevenson. 1994. Power System Analysis.
Singapore : McGrow-Hill.
[3] Saadat, Hadi. 1999. Power System Analysis. Singapore : McGrow-Hill.
[4] Cardet, Cristine E. Doig. Master Analysis on Voltage Stability Indice.
Aanchen : Institute for Automation of Complex Power Systems.
[5] Crivatonovic, Predrag, Roberto Artuso, Ronnie Mainieri, Gregor Tanner, and
Gabor Vattay. 2014. Chaos: Classical and Quantum. chaosbook.org.
(15 Agustus 2014).
[6] Dasgupta, Sambarta, Magesh Paramasivam, Umesh Vaidya, and Ajjarapu
Vekataramana. 2012. “PMU – Base Model – Free Approach for Short
Term Voltage Stability Monitoring. IEEE Transactions on Power and
[7] Wolf, Alan, Jack B. Swift, Harry L. Swinney, and John A. Vastano. 1985.
“Determining Lyapunov Exponents From a Time Series”. Elsevier
Science. Volume 16(D). pp. 285-317.
[8] PT PLN (Persero). 1985. SPLN No.1 Tahun 1985 tentang Regulasi Tegangan.