Optimalisasi Daya Reaktif Untuk Memperbaiki Tegangan Pada Sistem Tenaga Listrik Dengan Menggunakan Program PSSE Versi 31.0.0 (Aplikasi PT PLN (Persero) UPB Sumbagut)

OPTIMALISASI DAYA REAKTIF UNTUK MEMPERBAIKI

TEGANGAN PADA SISTEM TENAGA LISTRIK DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM PSSE VERSI 31.0.0

(Aplikasi PT PLN (Persero) UPB Sumbagut)

OLEH :

BAKTI MULYOSO

060422013

Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh

Gelar Sarjana Teknik

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

OPTIMALISASI DAYA REAKTIF UNTUK MEMPERBAIKI

TEGANGAN PADA SISTEM TENAGA LISTRIK DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM PSSE VERSI 31.0.0

(Aplikasi PT PLN (Persero) UPB Sumbagut)

OLEH :

BAKTI MULYOSO

060422013

Tugas akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2 0 1 0

Sidang pada tanggal 23 bulan Oktober tahun 2010 di depan penguji :

1. Ir. Zulkarnaen Pane : Ketua Penguji :____________

2. Prof. Dr. Ir. Usman Baafai : Anggota Penguji :____________

3. Ir. A. Rachman Hasibuan : Anggota Penguji :____________

Disetujui Oleh : Pembimbing Tugas Akhir

NIP. 19461208 197603 1 002 Ir. Syarifuddin Siregar

Diketahui Oleh : Pelaksana Harian

Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,

OPTIMALISASI DAYA REAKTIF UNTUK MEMPERBAIKI

TEGANGAN PADA SISTEM TENAGA LISTRIK DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM PSSE VERSI 31.0.0

(Aplikasi PT PLN (Persero) UPB Sumbagut)

OLEH :

Bakti Mulyoso

060422013

Tugas akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2 0 1 0

Sidang pada tanggal 23 bulan Oktober tahun 2010 di depan penguji :

1. Ir. Zulkarnaen Pane : Ketua Penguji

2. Prof. Dr. Ir. Usman Baafai : Anggota Penguji

3. Ir. A. Rachman Hasibuan : Anggota Penguji

Diketahui Oleh : Pelaksana Harian

Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,

NIP. 19461022 197302 1 001 Prof. Dr. Ir. Usman Baafai

Disetujui Oleh : Pembimbing Tugas Akhir

ABSTRAK

Pada sistem kelistrikan yang besar, regulasi tegangan menjadi masalah yang sangat penting, karena menyangkut masalah keandalan operasi sistem tenaga listrik. Perubahan struktur jaringan maupun pusat-pusat pembangkit mutlak diperhatikan, karena bila terjadi perubahan struktur dalam sistem, akan diikuti oleh perubahan aliran daya maupun profil tegangan. Semakin besar beban induktif dalam sistem dan semakin panjang saluran transmisi 150 kV yang digunakan, semakin besar pula daya reaktif yang diserap dan menyebabkan penurunan tegangan. Apabila penurunan tegangan yang terjadi melebihi batas toleransi yang diijinkan, maka secara teknis akan mengakibatkan terganggunya kinerja peralatan listrik konsumen seperti berbagai jenis lampu, alat-alat pemanas dan motor-motor listrik. Berdasarkan hubungan tegangan dan daya reaktif tersebut, maka tegangan dapat diperbaiki dengan mengatur aliran daya reaktif.

PSS/E (Power System Simulation Engineering), merupakan software yang dapat menampilkan secara graphical interface dengan jumlah bus (rel) tidak terbatas. Salah satu kegunaan PSS/E adalah untuk studi aliran daya.

KATA PENGANTAR

Puji dan Syukur kepada Allah SWT, karena atas rahmat dan karunia-Nya

sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan Judul :

”OPTIMALISASI DAYA REAKTIF UNTUK MEMPERBAIKI

TEGANGAN PADA SISTEM TENAGA LISTRIK DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM PSSE VERSI 31.0.0”

(Aplikasi PT PLN (Persero) UPB Sumbagut)

Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi di

Program Pendidikan Sarjan Ekstensi Universitas Sumatera Utara, guna memperoleh

gelar sarjana Teknik Elektro.

Penulis menyadari dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini banyak

kendala-kendala yang dihadapi, namun atas saran, bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak

akhirnya Tugas Akhir ini dapat diselesaikan. Karena itu penulis tidak lupa

mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai, selaku Pelaksana Harian Ketua Departemen

Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

2. Bapak Ir. Syarifuddin Siregar selaku dosen pembimbing dalam penyusunan Tugas

Akhir ini.

3. Bapak Ir. Eddy Warman, selaku Dosen Wali Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. Heru Cahyadi, selaku Manager PT PLN (Persero) P3B Sumatera UPB

Sumbagut.

5. Teman-teman seperjuangan di jurusan Teknik Elektro Program Pendidikan Sarjana

Ekstensi ’06.

6. Pihak-pihak lainya yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu

penulis baik langsung maupun tidak langsung.

Penulis juga mengucapkan terima kasih dan penghormatan yang

setinggi-tingginya kepada keluarga besar Ayahanda SK Noer Rahman dan keluarga besar

Ayahanda H. Juli Nuryadi yang dengan cinta, kasih sayang, dorongan, pengertian ,

kesabaran serta pengorbanan yang tidak akan pernah dapat terbalaskan. Tidak lupa juga

terima kasih penulis buat istri tercinta Titin Destiarini dan Nalini Raissa Bakti atas

Semoga Allah SWT. memberikan kekuatan lahir dan batin serta membalas

kebaikan kita semua, Amin.

Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna baik secara

teknik maupun bahasa. Dalam hal ini penulis menerima setiap saran dan kritik yang

membangun demi kesempurnaan mutu Tugas Akhir ini. Besar harapan saya tugas akhir

ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca dan almamater.

Medan, Agustus 2010

DAFTAR ISI

HALAMAN

KATA PENGANTAR i

DAFTAR ISI iii

DAFTAR GAMBAR vi

DAFTAR TABEL vii

DAFTAR LAMPIRAN viii

BAB 1 PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Perumusan Masalah 1

1.3 Batasan Masalah 2

1.4 Tujuan Penulisan 2

1.5 Metodologi Penulisan 3

1.6 Sistematika Penulisan 3

BAB 2 DASAR TEORI 5

2.1 Umum 5

2.2 Aliran Daya 5

2.3 Metode Aliran Daya 12

2.4 Faktor Daya 18

2.5 Kapasitor Shunt 20

2.6 Bagaimana Kapasitor Memperbaiki Faktor Daya 22

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN DENGAN MENGGUNAKAN

PROGRAM POWER SYSTEM SIMULATION ENGINEERING

(PSS/E) VERSI 31.0.0 26

3.1 Umum 26

3.2 Prosedur dan Cara Menggunakan PSSE 31.0.0 26

3.3 Menjalankan Program PSSE 28

3.4 Data Aliran Daya 30

3.3.1 Pembangkit 30

3.3.2 Rel Daya 32

3.3.3 Transmisi 33

3.3.4 Transformator 34

3.3.5 Beban 35

3.3.6 Peralatan Kompensasi 35

BAB 4 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 36

4.1 Kondisi di Luar Waktu Beban Puncak (LWBP) 36

4.2 Kondisi di Luar Waktu Beban Puncak (LWBP) dengan pemasangan

Kapasitor Bank 25 MVAR di Gardu Induk Banda Aceh 37

4.3 Kondisi di Luar Waktu Beban Puncak (LWBP) dengan pemasangan

Kapasitor Bank masing-masing 25 MVAR di Gardu Induk Banda Aceh

dan Gardu Induk Lhokseumawe 38

4.4 Kondisi Waktu Beban Puncak (WBP) 40

4.5 Kondisi Waktu Beban Puncak (WBP) dengan Pemasangan Kapasitor 25

4.6 Kondisi Waktu Beban Puncak (WBP) dengan Pemasangan Kapasitor

Kapasitor Bank masing-masing 25 MVAR di Gardu Induk Lhokseumawe

dan Gardu Induk Banda Aceh 43

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 45

5.1 Kesimpulan 45

5.2 Saran 46

DAFTAR PUSTAKA 47

DAFTAR GAMBAR

HALAMAN

Gambar 2.1 Diagram satu garis sistem tenaga listrik 5

Gambar 2.2 Diagram satu garissistem 2 rel 7

Gambar 2.3 Diagram impedansi sistem 2 rel 7

Gambar 2.4 Rel daya dengan transmisi model π untuk sistem 2 rel 8

Gambar 2.5 Aliran arus pada rangkaian ekivalen 8

Gambar 2.6.a Sistem n-rel 10

Gambar 2.6.b Model transmisi π untuk sistem n-rel 10

Gambar 2.7 Ilustrasi metode Newton-Raphson 14

Gambar 2.8 Vektor Diagram Segitiga Daya 19

Gambar 2.9 Tegangan Sebelum dan Sesudah Pemasangan Kapasitor Paralel20

Gambar 2.10 Perbandingan Besar Daya Semu Sebelum dan Sesudah Pemasangan

Kapasitor Paralel 21

Gambar 2.11 Perbaikan Faktor Daya dengan Kapasitor 22

Gambar 2.12 Keadaan Tanpa dan Sesudah Pemasangan Kapasitor 23

Gambar 2.13 Perbaikan Faktor Daya dengan Kapaitor Paralel 24

Gambar 3.1 Diagram alir studi aliran daya menggunakan PSSE 27

Gambar 3.2 Membuka PSSE dengan menu Start Program 28

Gambar 3.3 Membuat File Kasus Baru 29

Gambar 3.4 Worksheet kosong untuk kasus baru 29

DAFTAR TABEL

HALAMAN

Tabel 2.1 Klasifikasi rel pada sistem tenaga 6

Tabel 3.1 Data Pembangkit Sistem Sumatera Utara- Nangroe Aceh Darussalam

31

Tabel 4.1 Tegangan 150 kV pada Kondisi di Luar Waktu Beban Puncak(LWBP)

37

Tabel 4.2 Tegangan 150 KV pada kondisi di Luar Waktu Beban Puncak (LWBP)

dengan pemasangan Kapasitor Bank 25 MVAR di Gardu Induk Banda

Aceh

38

Tabel 4.3 Tegangan 150 KV pada kondisi di Luar Waktu Beban Puncak (LWBP)

dengan pemasangan Kapasitor Bank 25 MVAR di Gardu Induk Banda

Aceh dan Gardu Induk Lhokseumawe

39

Tabel 4.4 Penurunan Tegangan 150 KV pada Kondisi Waktu Beban Puncak

(WBP)

41

Tabel 4.5 Penurunan Tegangan 150 kV dengan Pemasangan Kapasitor Bank 25

MVAR di Gardu Induk Banda Aceh

42

Tabel 4.6 Penurunan Tegangan dengan Pemasangan Kapasitor Bank 25 MVAR

di Gardu Induk Lhokseumawe dan Gardu Induk Banda Aceh

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Diagram satu garis Sistem Sumut-Aceh Lampiran 2 Data Pembangkit Sistem Sumbagut-NAD

Lampiran 3 Data Rel Sistem Sumbagud-NAD

Lampiran 4 Data penghantar Sistem Sumbagut-NAD

Lampiran 5 Impedansi Transformator Pembangkit Sistem Sumbagut-NAD

Lampiran 6 Data Beban Sistem Sumbagut-NAD

Lampiran 7 Hasil Studi Aliran Daya Sistem Sumatera Utara-NAD diLuar

Waktu Beban Puncak (LWBP)

Lampiran 8 Hasil Studi Aliran Daya Sistem Sumbagut-NAD diLuar Waktu Beban

Puncak (LWBP) dengan pemasangan Kapasitor Bank 25 MVAR di

Gardu Induk Banda Aceh

Lampiran 9 Hasil Studi Aliran Daya Sistem Sumbagut-NAD diLuar Waktu Beban

Puncak (LWBP) dengan pemasangan Kapasitor Bank masing-masing 25

MVAR di Gardu Induk Banda Aceh dan Lhokseumawe

Lampiran 10 Hasil Studi Aliran Daya Sistem Sumatera Utara-Nangroe Aceh

Darussalam Pada Waktu Beban Puncak (WBP)

Lampiran 11 Hasil Studi Aliran Daya Kondisi Waktu Beban Puncak (WBP) dengan

Pemasangan Kapasitor Bank 25 MVAR di Gardu Induk Banda Aceh

Lampiran 12 Hasil Studi Aliran Daya Kondisi Waktu Beban Puncak (WBP) dengan

Pemasangan Kapasitor Bank 25 MVAR di Gardu Induk Lhokseumawe

ABSTRAK

Pada sistem kelistrikan yang besar, regulasi tegangan menjadi masalah yang sangat penting, karena menyangkut masalah keandalan operasi sistem tenaga listrik. Perubahan struktur jaringan maupun pusat-pusat pembangkit mutlak diperhatikan, karena bila terjadi perubahan struktur dalam sistem, akan diikuti oleh perubahan aliran daya maupun profil tegangan. Semakin besar beban induktif dalam sistem dan semakin panjang saluran transmisi 150 kV yang digunakan, semakin besar pula daya reaktif yang diserap dan menyebabkan penurunan tegangan. Apabila penurunan tegangan yang terjadi melebihi batas toleransi yang diijinkan, maka secara teknis akan mengakibatkan terganggunya kinerja peralatan listrik konsumen seperti berbagai jenis lampu, alat-alat pemanas dan motor-motor listrik. Berdasarkan hubungan tegangan dan daya reaktif tersebut, maka tegangan dapat diperbaiki dengan mengatur aliran daya reaktif.

PSS/E (Power System Simulation Engineering), merupakan software yang dapat menampilkan secara graphical interface dengan jumlah bus (rel) tidak terbatas. Salah satu kegunaan PSS/E adalah untuk studi aliran daya.

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Salah satu indikator mutu tenaga listrik adalah tegangan pada sistem. Di dalam

sistem tenaga listrik, tegangan erat kaitannya dengan beban sistem yang

bermacam-macam jenisnya, oleh karena itu kebutuhan daya reaktif (yang erat kaitannya dengan

tegangan sistem) akan berubah-ubah sebagaimana perubahan beban. Pengendalian

tegangan dalam sistem harus efektif dengan menggunakan seluruh peralatan yang

tersebar di seluruh jaringan karena sifat daya reaktif yang bersifat lokal dan tidak dapat

dialirkan pada saluran transmisi yang panjang.

Salah satu peralatan yang dapat digunakan untuk pengaturan tegangan adalah

kompensator. Kapasitor adalah kompensator yang bersifat kapasitif yang menghasilkan

daya reaktif dan dapat menaikkan tegangan sistem.

Kendala tegangan rendah di Sub Sistem Nangroe Aceh Darussalam, akibat

keterbatasan pasokan daya reaktif disebabkan karena lokasi beban yang jauh pusat

pembangkit. Komposisi pembangkit yang tidak seimbang antara Sub Sistem Sumatera

Utara dan Sub Sistem Nangroe Aceh Darussalam menyebabkan transfer daya di

jaringan 150 kV dari Sumut ke Aceh relatif tinggi, sehingga jatuh tegangan di sistem

150 kV Nangroe Aceh Darussalam relativ besar. Hal ini mengakibatkan tegangan

transformator daya 150 kV di beberapa gardu induk cenderung rendah.

1.2 Perumusan Masalah

Terdapat kendala tegangan rendah pada Wilayah Nangroe Aceh Darussalam

kualitas pelayanan dan meningkatnya losses transmisi pada sistem Sumatera Utara-Nangroe Aceh Darussalam.

Dari permasalahan tersebut diatas diperlukan kajian dan analisa tentang aliran

pada Sistem Sumatera-Nangroe Aceh Darussalam dan optimalisasi daya reaktif pada

sistem tenaga listrik 150 kV untuk memperbaiki tegangan dan menurunkan losses

transmisi.

1.3 Batasan Masalah

Untuk mendapatkan hasil pembahasan yang maksimal, maka penulis perlu

membatasi masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah dalam Tugas Akhir ini

adalah :

1. Studi aliran daya pada sistem pembangkitan Sumatera Bagian Utara dengan

menggunakan metode Newton Rapsón dengan bantuan software PSS/E (Power System Simulation Enggineering) versi 31.0.0.

2. Pengaturan OLTC (on load tap changer) transformator daya pada gardu induk tidak digunakan.

3. Hanya menggunakan kapasitor shunt untuk mengurangi losses total pada sistem

tenaga listrik 150 kV.

4. Menggunakan data kompensasi (kapasitor) yang terpasang di GI Banda Aceh

dan GI Lhokseumawe, masing-masing sebesar 25 Mvar.

5. Dalam penulisan ini tidak membahas program perangkat lunak (program Power

System Simulation Enginering Versi 31.0.0).

1.4 Tujuan Penulisan

1. Mengetahui aliran-aliran daya baik daya nyata maupun daya reaktif yang

mengalir dalam setiap saluran pada sistem Interkoneksi Sumatera Utara-Nangroe

Aceh Darussalam.

2. Mengetahui tegangan rel sebelum dan sesudah pemasangan kapasitor bank pada

Interkoneksi Sumatera Utara - Nangroe Aceh Darussalam.

3. Mengetahui losses sistem Interkoneksi Sumatera Utara-NagroeAceh

Darussalam.

1.5 Metodologi Penulisan

Adapun metodologi yang digunakan adalah :

1. Menggunakan Program (software) PSS/E Versi 31.0.0.

2. Data : data-data yang diambil adalah parameter-parameter yang dibutuhkan

untuk menggunakan program PSSE. Data-data yang dibutuhkan adalah

parameter-parameter pada peralatan tenaga listrik seperti : generator,

transfomator, transmisi, bus, dan sebagainya. Data-data ini diambil di PT. PLN

(Persero) P3B Sumatera Unit Pengatur Beban Sumbagut.

3. Studi literatur : mengambil bahan dari buku-buku referensi, jurnal, panduan

PSSE Versi 31.0.0, dan sebagainya.

4. Studi bimbingan : diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang

telah ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Elektro USU mengenai

masalah-masalah yang timbul selama penulisan Tugas Akhir berlangsung.

1.6 Sistematika Penulisan

Penulisan tugas akhir ini disusun secara sistematis sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Bagian ini berisi mengenai :

I.2 Perumusan masalah

I.3 Batasan masalah

I.4 Tujuan penulisan

I.5 Metodologi penulisan

I.6 Sistematika penulisan

BAB II DASAR TEORI

Bagian ini berisi tentang dasar teori yaitu : aliran daya, metode aliran daya,

faktor daya, kapasitor shunt, dan hubungan kapasitor dengan daya reaktif.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN DENGAN MENGGUNAKAN

PROGRAM POWER SYSTEM SIMULATION ENGINEERING

(PSS/E) VERSI 31.0.0

Bagian ini berisi tentang metode dan prosedur menggunakan PSS/E dalam

bentuk flowchart, data yang digunakan yaitu : konfigurasi sistem, nilai

impedansi yang tergantung pada tipe dan panjang saluran transmisi, jumlah

bus (rel), impedansi transformator, generator, dan daya reaktif .

BAB IV HASIL STUDI ALIRAN DAYA SISTEM SUMBAGUT-NAD

Bagian ini berisi tentang hasil studi menggunakan program PSSE (output

PSSE) pada sistem Interkoneksi Sumatera Utara-Nangroe Aceh Darussalam

pada saat kasus-1 : sistem dalam kondisi di luar waktu beban puncak

(LWBP) , kasus-2 : kondisi di luar waktu beban puncak (LWBP) dengan

pemasangan kapasitor bank 25 MVAR di Gardu Induk Banda Aceh, kasus-3

: kondisi di luar waktu beban puncak (WBP) dengan pemasangan kapasitor

bank masing-masing 25 MVAR di Gardu Induk Banda Aceh dan Gardu

Induk Lhokseumawe, kasus-4 : sistem dalam kondisi waktu beban puncak

(WBP), kasus-5 : kondisi waktu beban puncak (WBP) dengan pemasangan

kapasitor bank 25 MVAR di Gardu Induk Banda Aceh, dan kasus-6 : kondisi

waktu beban puncak (WBP) dengan pemasangan kapasitor bank

masing-masing 25 MVAR di Gardu Induk Lhokseumawe dan Gardu Induk Banda

Aceh.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bagian ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil analisa yang telah

BAB 2

DASAR TEORI

2.1 Umum (1,2,3,4)

Suatu sistem tenaga listrik (Electric Power System) terdiri dari tiga komponen utama, yaitu : sistem pembangkitan tenaga listrik, sistem transmisi tenaga listrik, dan

sistem distribusi tenaga listrik .

Komponen dasar yang membentuk suatu sistem tenaga listrik adalah generator,

transformator, saluran transmisi dan beban. Untuk keperluan analisis sistem tenaga,

diperlukan suatu diagram yang dapat mewakili setiap komponen sistem tenaga listrik

tersebut. Diagram yang sering digunakan adalah diagram satu garis dan diagram

impedansi atau diagram reaktansi. Gambar 2.1 merupakan diagram satu garis sistem

tenaga listrik yang sederhana.

G

Pembangkit Transformator

Step-up

Transformator

Step-down

Penghantar Sistem

Distribusi

Gambar 2.1 Diagram Satu Garis Sistem Tenaga Listrik

2.2 Aliran Daya (1,2,3,4)

Aliran Daya merupakan salah satu analisa sistem tenaga listrik pada keadaan

steady state. Besaran yang dihasilkan dari perhitungan studi aliran daya adalah daya nyata (real power), daya reaktif (reactive power), besaran (magnitude), dan sudut beban (phase angle) tegangan pada setiap rel.

Jenis rel pada sistem tenaga, yaitu :

1. Rel Beban

dan reaktif yang dicatu ke dalam sistem tenaga adalah mempunyai nilai positif,

sementara daya aktif dan reaktif yang di konsumsi bernilai negatif. Besaran yang dapat

dihitung pada rel ini adalah V dan δ (sudut beban).

2. Rel Generator

Rel Generator dapat disebut dengan voltage controlled bus karena tegangan pada rel ini dibuat selalu konstan atau rel dimana terdapat generator. Pembangkitan daya aktif

dapat dikendalikan dengan mengatur penggerak mula (prime mover) dan nilai tegangan dikendalikan dengan mengatur eksitasi generator. Sehingga rel ini sering juga disebut

dengan PV rel. Besaran yang dapat dihitung dari rel ini adalah Q dan δ (sudut beban).

3. Slack Bus

Slack Bus sering juga disebut dengan swing bus atau rel berayun. Adapun besaran yang

diketahui dari rel ini adalah tegangan (V) dan sudut beban (δ). Suatu sistem tenaga

biasanya didesign memiliki rel ini yang dijadikan sebagai referensi yaitu besaran δ = 00.

Besaran yang dapat dihitung dari rel ini adalah daya aktif dan reaktif.

Secara singkat klasifikasi rel pada sistem tenaga terdapat pada Tabel 2.1 yaitu

besaran yang dapat diketahui dan tidak diketahui pada rel tersebut.

Tabel 2.1 Klasifikasi Rel Pada Sistem Tenaga

Jenis rel Besaran yang diketahui

Besaran yang tidak diketahui Rel beban (atau rel PQ) P, Q V , δ

Rel generator atau rel dikontrol tegangan (atau rel PV)

P, V Q, δ

Rel pedoman atau rel slack atau rel swing

2.2.1 Persamaan Aliran Daya (1)

Persamaan aliran daya secara sederhana, untuk sistem yang memiliki 2 rel. Pada

setiap rel memiliki sebuah generator dan beban, walaupun pada kenyatannya tidak

semua rel memiliki generator. Penghantar menghubungkan antara rel 1 dengan rel 2.

Pada setiap rel memiliki 6 besaran elektris yang terdiri dari : PD, PG, QD, QG, V, dan δ.

G1

Rel 1

1 1∠δ

V

Beban 1

1 1

1 G G

G P jQ

S = +

1 1

1 D D

D P jQ

S = +

Rel 2

2 2∠δ

V

Beban 2

2 2

2 G G

G P jQ

S = +

2 2

2 D D

D P jQ

S = +

G2

Penghantar

Gambar 2.2 Diagram Satu Garis sistem 2 rel

Pada Gambar 2.2 dapat dihasilkan persamaan aliran daya dengan menggunakan

diagram impedansi. Pada Gambar 2.3 merupakan diagram impedansi dimana generator

sinkron direpresentasikan sebagai sumber yang memiliki reaktansi dan transmisi model

π (phi). Beban diasumsikan memiliki impedansi konstan dan daya konstan pada diagram

impedansi. G1 G2 B e b a 1 B e b a 2 1 ˆ E 1 G jX 1 ˆ G I 1 ˆ D I 1 ˆ I S Z p y jB   

2 yp

jB    2 S

R jX_S

2 ˆ E 2 G jX 2 ˆ G I 2 ˆ D I 2 ˆ I 1 ˆ

V Vˆ2

n n

Gambar 2.3 Diagram impedansi sistem 2 rel

(

1 1

) (

1 1

)

1 1

1 SG SD PG PD j QG QD

S = − = − + − (2.1)

(

2 2

) (

2 2

)

2 2

2 SG SD PG PD j QG QD

S = − = − + − (2.2)

Pada Gambar 2.4 merupakan penyederhanaan dari Gambar 2.3 menjadi daya rel

(rel daya) untuk masing-masing rel.

ˆ

Gambar 2.4 rel daya dengan transmisi model π untuk sistem 2 rel

Besarnya arus yang diinjeksikan pada rel 1 dan rel 2 adalah :

1 1 1 ˆ ˆ

ˆ

D

G I

I

I = − (2.3)

2 2

2 ˆ ˆ

ˆ

D

G I

I

I = − (2.4)

Semua besaran adalah diasumsikan dalam sistem per-unit, sehingga :

(

)

1

* 1 1 1 1 1 * 1 1

1 VˆIˆ P jQ P jQ Vˆ Iˆ

S = = + ⇒ − = (2.5)

(

)

2

* 2 2 2 2 2 * 2 2

2 VˆIˆ P jQ P jQ Vˆ Iˆ

S = = + ⇒ − = (2.6)

1

ˆ

I S

S

Z y = 1

p y 2 ˆ I 1 ˆ V 2 ˆ V p y S jX S R " ˆ 1 I ' ˆ 1 I " ˆ 2 I ' ˆ 2 I Rel Daya Rel Daya

Gambar 2.5 Aliran arus pada rangkaian ekivalen

1 1 1 ˆ ˆ

ˆ _{I I}

I = ′+ ′′

(

)

S

p V V y

y V

Iˆ₁ = ˆ₁ + ˆ₁ − ˆ₂

(

)

1

(

)

2

1 ˆ ˆ

ˆ _{y y V y V}

I = _p + _S + − _S (2.7)

2 12 1 11

1 ˆ ˆ

ˆ _{Y V Y V}

I = + (2.8)

Dimana :

Y11 adalah jumlah admitansi terhubung pada rel 1 = yP +yS (2.9)

Y12 adalah admitansi negatif antara rel 1 dengan rel 2 = −yS (2.10)

Untuk aliran arus pada rel 2 adalah :

2 2 2 ˆ ˆ

ˆ _{I I}

I = ′ + ′′

(

)

S

p V V y

y V

Iˆ₂ = ˆ₂ + ˆ₂ − ˆ₁

(

)

1

(

)

2

2 ˆ ˆ

ˆ _{y V y y V}

I = − _S + _p + _S (2.11)

2 22 1 21

1 ˆ ˆ

ˆ _{Y V Y V}

I = + (2.12)

Dimana :

Y22 adalah jumlah admitansi terhubung pada rel 2 = yP +yS (2.13)

Y21 adalah admitansi negatif antara rel 2 dengan rel 1 = −yS =Y₁₂ (2.14)

Dari Persamaan (2.8) dan (2.12) dapat dihasilkan Persamaan dalam bentuk matrik,

yaitu :             =       2 1 22 21 12 11 2 1 ˆ ˆ V V Y Y Y Y I I (2.15)

Notasi matrik dari Persamaan (2.15) adalah ::

bus bus

bus Y V

Persamaan (2.5) hingga (2.16) yang diberikan untuk sistem 2 rel dapat dijadikan

sebagai dasar untuk penyelesaian Persamaan aliran daya sistem n-rel.

Gambar 2.6.a menunjukan sistem dengan jumlah n-rel dimana rel 1 terhubung

dengan rel lainya. Gambar 2.6.b menunjukan model transmisi untuk sistem n-rel.

Rel 1

1

ˆ

I

Rel 2

Rel 3

Rel n

Gambar 2.6.a sistem n-rel

Rel 1

1

ˆ

I

Rel 2

12

p

y yp21

12

s

y atau ys21

Rel 3

13

p

y yp31

13

s

y _atau ys31

Rel n

1

pn

y

n p

y1

n s

y1 atauysn1

V1 V2

V3

V4

Gambar 2.6.b model transmisi π untuk sistem n-rel

Persamaan yang dihasilkan dari Gambar 2.6.b adalah :

(

) (

S

)

S

(

n

)

S n

n P P

P V y V y V V y V V y V V y

y V

Iˆ₁ = ˆ_{1 12}+ ˆ_{1 13}+...+ ˆ_{1 1} + ˆ₁− ˆ_{2 12}+ ˆ₁− ˆ_{3 13}+...+ ˆ₁− ˆ ₁

(

yP yP yPn yS yS ySn

)

Vn yS V yS V ySnVn

Iˆ₁= ₁₂+ ₁₃+...+ ₁ + ₁₂+ ₁₃+...+ ₁ ˆ − ₁₂ˆ₂− ₁₃ˆ₃+...− ₁ ˆ (2.17)

n nV

Y V

Y V Y V Y

Iˆ₁ = ₁₁ˆ₁+ ₁₂ˆ₂ + ₁₃ˆ₃ +...+ ₁ ˆ (2.18)

Dimana :

n S S

S n P P

P y y y y y

y

= jumlah semua admitansi yang dihubungkan dengan rel 1

n S n S

S Y y Y y

y

Y₁₂ =− ₁₂; ₁₃ =− ₁₃; ₁ =− ₁ (2.20)

Persamaan (2.21) dapat disubtitusikan ke Persamaan (2.5) menjadi Persamaan

(2.22), yaitu :

∑

= = n j j ijV Y I 1 1 ˆ ˆ _(2.21)

∑

= = = − n j j jV Y V I V jQ P 1 1 * 1 1 * 1 1

1 ˆ ˆ ˆ (2.22)

∑

= = − n j j ij i i

i jQ V Y V

P

1

* _ˆ

ˆ _{i=1,2,...,n (2.23)}

Persamaan (2.23) merupakan representasi persamaan aliran daya yang nonlinear. Untuk sistem n-rel, seperti Persamaan (2.15) dapat dihasilkan Persamaan (2.24), yaitu :

                          =               n nn n n n n n V V V Y Y Y Y Y Y Y Y Y I I I ˆ : ˆ ˆ ... : ... : : ... ... ˆ : ˆ ˆ 2 1 2 1 2 22 21 1 12 11 2 1 (2.24)

Notasi matrik dari Persamaan (2.24) adalah :

bus bus

bus Y V

I = (2.25)

Dimana : =             = nn n n n n bus Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y ... : ... : : ... ... 2 1 2 22 21 1 12 11

2.3 Metode Aliran Daya (2,3)

Pada sistem multi-rel, penyelesaian aliran daya dengan metode Persamaan aliran

daya. Metode yang digunakan pada umumnya dalam penyelesaian aliran daya, yaitu

metode : Newton-Raphson, Gauss-Seidel, dan Fast Decoupled. Tetapi metode yang dibahas pada Tugas Akhir ini adalah metode Newton-Raphson.

2.3.1 Metode Newton-Raphson

Dalam metode Newton-Raphson secara luas digunakan untuk permasalahan

Persamaan non-linear. Penyelesaian Persamaan ini menggunakan permasalahan yang

linear dengan solusi pendekatan. Metode ini dapat diaplikasikan untuk satu Persamaan

atau beberapa Persamaan dengan beberapa variabel yang tidak diketahui.

Untuk Persamaan non-linear yang diasumsikan memiliki sebuah variabel seperti

Persamaan (2.27).

) (x f

y= (2.27)

Persamaan (2.27) dapat diselesaikan dengan membuat Persamaan menjadi

Persamaan (2.28).

0 ) (x =

f (2.28)

Menggunakan deret taylor Persamaan (2.28) dapat dijabarkan menjadi

Persamaan (2.29).

( )

( )(

)

( )(

)

...

! 2 1 !

1 1 )

( ₂0 ₀ 2

2

0 0

0 + − + − +

= x x

dx x df x

x dx

x df x

f x f

( )(

)

0

! 1

0

0 − =

+ n

n n

x x dx

x df

n (2.29)

Turunan pertama dari Persamaan (2.29) diabaikan, pendekatan linear

menghasilkan Persamaan (2.30)

( )

( )(

)

0

)

( 0 ₀

0 + − =

= x x

dx x df x f x

Dari :

( )

( )

x dx

df x f x x 0 0 0

1= − (2.31)

Bagaimana pun, untuk mengatasi kesalahan notasi, maka Persamaan (2.31)

dapat diulang seperti Persamaan (2.32).

( )

( )

x dx df x f x x ) 0 ( ) 0 ( ) 0 ( ) 1

( = − _(2.32)

Dimana : x(0) = Pendekatan perkiraan

X(1) = pendekatan pertama

Oleh karena itu, rumus dapat dikembangkan sampai iterasi terakhir (k+1),

menjadi Persamaan (2.33).

( )

( )

x dx df x f x x _k k k k ) ( ) ( ) ( ) 1 ( + = − (2.33)

( )

( )

( ) ) ( ) ( ) 1 ( ' k k k k x f x f x

x + = − (2.34)

Jadi,

( )

( )

( ) ) ( ' k k x f x f x=−

∆ (2.35)

) ( ) 1 (k _xk

x

x= −

∆ +

(2.36)

Metode Newton-Raphson secara grafik dapat dilihat pada Gambar 2.8 ilustrasi

Gambar 2.7 Ilustrasi metode Newton-Raphson

Pada Gambar 2.7 dapat dilihat kurva garis melengkung diasumsikan grafik

Persamaan y=F(x). Nilai x₀ pada garis x merupakan nilai perkiraan awal kemudian

dilakukan dengan nilai perkiraan kedua hingga perkiraan ketiga.

2.3.2 Metode Newton-Raphson dengan koordinat polar

Besaran-besaran listrik yang digunakan untuk koordinat polar, pada umumnya

seperti Persamaan (2.37)

i i

i V

V = ∠δ ; V_j =V_j ∠δ_j ; dan Y_ij = Y_ij∠θ_ij (2.37)

Persamaan arus (2.21) pada Persamaan sebelumnya dapat diubah kedalam

Persamaan polar (2.38).

∑

=

= n

j j ij

i Y V

I 1

j ij n

j

j ij

i Y V

I =

∑

∠θ +δ

=1

(2.38)

Persamaan (2.38) dapat disubtitusikan kedalam Persamaan daya (2.22) pada

Persamaan sebelumnya menjadi Persamaan (2.39).

i i i

i jQ V I

P − = *

i i

i V

j ij n j j ij i i i

i jQ V Y V

P − = ∠−δ

∑

∠θ +δ

=1 j i ij n j j ij i i

i jQ V Y V

P − =

∑

∠θ −δ +δ

=1 (2.39) Dimana : ( )

(

)

(

)

j i ij j i ij j j Cos

e θij−δi+δj ≅ θ −δ +δ + θ −δ +δ

sin (2.40)

Persamaan (2.39) dan (2.40) dapat diketahui Persamaan daya aktif (2.41) dan

Persamaan daya reaktif (2.42).

(

( ) ( )

)

1 ) ( ) ( ) (

cos _{ij i}k _jk

n j k j ij k i k

i V Y V

P =

∑

θ −δ +δ

= (2.41)

(

( ) ( )

)

1 ) ( ) ( ) (

sin _{ij i}k _jk

n j k j ij k i k

i V Y V

Q =−

∑

θ −δ +δ

=

(2.42)

Persamaan (2.41) dan (2.42) merupakan langkah awal perhitungan aliran daya

menggunakan metode Newton-Raphson. Penyelesaian aliran daya menggunakan proses iterasi (k+1). Untuk iterasi pertama (1) nilai k = 0, merupakan nilai perkiraan awal

(initial estimate) yang ditetapkan sebelum dimulai perhitungan aliran daya.

Hasil perhitungan aliran daya menggunakan Persamaan (2.41) dan (2.42) dengan

nilai Pi(k) dan

) (k i

Q . Hasil nilai ini digunakan untuk menghitung nilai ∆Pi(k) dan

) (k i

Q

∆ .

Menghitung nilai ∆P_i(k) dan ∆Q_i(k) menggunakan Persamaan (2.43) dan (2.44).

( ) ( )k

calc i spec i k

i p P

P = _, − _,

∆ (2.43)

( ) ( )k

calc i spec i k

i Q Q

Q = , − ,

∆ (2.44)

Hasil perhitungan (k)

i

P

∆ dan (k)

i

Q

∆ digunakan untuk matrik Jacobian pada

                    ∆ ∆ ∆ ∆                             ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ =                     ∆ ∆ ∆ ∆ ) ( ) ( ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) ( ) ( 2 ) ( ) ( 2 2 ) ( 2 ) ( 2 2 ) ( 2 ) ( 2 ) ( ) ( 2 ) ( ) ( 2 2 ) ( 2 ) ( 2 2 ) ( 2 ) ( ) ( 2 ) ( ) ( 2 : : ... ... : : : : : : ... ... ... ... : : : : : : ... ... : : k n k n k k n k n k n n k n k n n k k n k k n k n k n n k n k n n k k n k k k n k k n k V V V Q V Q Q Q V Q V Q Q Q V P V P P P V P V P P P Q Q P P δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ (2.45)

Persamaan (2.45) dapat dilihat bahwa perubahan daya berhubungan dengan

perubahan besar tegangan dan sudut phasa.

Secara umum Persamaan (2.45) dapat disederhanakan menjadi Persamaan

(2.46).       ∆ ∆       =       ∆ ∆ ) ( ) ( 4 3 2 1 ) ( ) ( k k k k V J J J J Q P δ (2.46)

Besaran elemen matriks Jacobian Persamaan (2.46) adalah :

• J1

(

)

∑

≠ + − = ∂ ∂ i j k j k i ij ij k j k i k i i Y V V

P ( ) _{( ) ( ) ( ) ( )}

sinθ δ δ

δ (2.47)

(

( ) ( )

)

) ( ) ( ) (

sin _{ij i}k _jk

ij k j k i k j i Y V V

P _{θ δ δ}

δ =− − +

∂ ∂

i

j ≠ (2.48)

• J2

(

( ) ( )

)

) ( ) ( ) ( cos cos

2 _{ij i}k _jk

i j ij k j ii ii k i k i i Y V Y V V P δ δ θ θ + − + = ∂ ∂

∑

≠ (2.49)

(

( ) ( )

)

) ( ) (

cos _{ij i}k _jk

ij k i k

j

i _{V Y}

V

P _{θ δ δ}

+ − =

∂ ∂

j ≠i (2.50)

• J3

(

)

∑

≠ + − = ∂ ∂ i j k j k i ij ij k j k i k i i Y V V

Q ( ) _{( ) ( ) ( ) ( )}

cosθ δ δ

(

( ) ( )

)

) ( ) ( ) (

cos _{ij i}k _jk

ij k j k i k j i Y V V Q δ δ θ δ =− − + ∂ ∂ i

j ≠ (2.52)

• J4

(

)

∑

≠ + − − − = ∂ ∂ i j k j k i ij ij k j ii ii k i k i i Y V Y V V

Q ( ) _{( ) ( ) ( ) ( )}

sin sin

2 θ θ δ δ (2.53)

(

( ) ( )

)

) ( )

(

sin _{ij i}k _jk

ij k i k

j

i _{V Y}

V Q δ δ θ − + − = ∂ ∂

j ≠i (2.54)

Setelah nilai matrik Jacobian dimasukan kedalam Persamaan (2.46) maka nilai

) (k i

δ

∆ dan (k)

i

V

∆ dapat dicari dengan menginverskan matrik Jacobian seperti

Persamaan (2.55).       ∆ ∆       =       ∆ ∆ − ) ( ) ( 1 4 3 2 1 ) ( ) ( k k k k Q P J J J J V δ (2.55)

Setelah nilai (k)

i

δ

∆ dan (k)

i

V

∆ diketahui nilainya maka nilai ∆ (k+1)

i

δ dan

) 1 ( +

∆ k i

V dapat dicari dengan menggunakan nilai ∆δ_i(k) dan (k)

i

V

∆ ke dalam Persamaan

(2.56) dan (2.57).

( ) ( ) ( )k

i k i k

i δ δ

δ +1 = +∆

(2.56)

( ) ( ) ( )k

i k

i k

i V V

V +1 = +∆ (2.57)

Nilai δ_i(k+1) dan (k+1)

i

V hasil perhitungan dari Persamaan (2.56) dan (2.57)

merupakan perhitungan pada iterasi pertama. Nilai ini digunakan kembali untuk

perhitungan iterasi ke-2 dengan cara memasukan nilai ini ke dalam Persamaan (2.41)

Perhitungan aliran daya pada iterasi ke-2 mempunyai nilai k = 1. Iterasi

perhitungan aliran daya dapat dilakukan sampai iterasi ke-n. Perhitungan selesai apabila

nilai (k)

i

P

∆ dan (k)

i

Q

∆ mencapai nilai 2,5.10-4.

Perhitungan aliran daya menggunakan metode Newton-Raphson

1. Membentuk matrik admitansi Yrel sistem

2. Menentukan nilai awal V(0), δ(0), Pspec, Qspec

3. Menghitung daya aktif dan daya reaktif berdasarkan Persamaan (2.41) dan

(2.42)

4. Menghitung nilai ∆Pi(k) dan

) (k i

Q

∆ beradasarkan Persamaan (2.43) dan (2.44)

5. Membuat matrik Jacobian berdasarkan Persamaan (2.46) sampai Persamaan

(2.54)

6. Menghitung nilai δ(k+1) _dan (k+1)

V berdasarkan Persamaan (2.56) dan (2.57)

7. Hasil nilai δ(k+1) dan V(k+1) dimasukan kedalam Persamaan (2.41) dan (2.42)

untuk mencari nilai ∆P dan ∆Q. Perhitungan akan konvergensi jika nilai ∆P

dan ∆Q≤ 10-4.

8. Jika sudah konvergensi maka perhitungan selesai, jika belum konvergensi maka

perhitungan dilanjutkan untuk iterasi berikutnya.

2.4 Faktor Daya (5,6)

Dalam rangkaian listrik, biasanya terdapat tiga macam beban listrik yaitu beban

resistif, beban induktif, dan beban kapasitif. Beban resistif adalah beban yang hanya

terdiri dari tahanan ohm dan daya yang dikonsumsinya hanya daya aktif saja. Beban

induktif mempunyai ciri–ciri bahwasanya disamping mengkonsumsi daya aktif, juga

tersebut, jadi jumlah vektor dari daya reaktif (Q) dan daya aktif (P) biasa disebut daya buta (S).

2 2

Q P

S= + ……….………..………...……… (2.58)

φ

Daya aktif (P) _{Daya reaktif (Q)}

Daya semu (S)

Gambar 2.8 Vektor Diagram Segitiga Daya

Dari gambar diatas didapat rumus untuk segi tiga daya :

P = V.I Cos φ (Watt) ; Q = V.I Sin φ ( Var) ; S = V.I (VA)

Perbandingan antara daya aktif dan daya semu disebut faktor daya.

semu daya

aktif daya daya

faktor =

S P

Cosϕ = ………..……… (2.59)

Nilai faktor daya (Cos φ) yang besar, membawa pengaruh baik pada jaringan

primer maupun sekunder. Makin besar daya reaktif suatu beban, maka makin kecil pula

faktor dayanya.

Faktor daya (Cos φ) yang terbelakang terjadi pada kondisi dimana arus terbelakang terhadap tegangan dan keadaan ini dijumpai pada jaringan yang banyak

terdapat beban induktif. Sebaliknya faktor daya yang terdahulu terjadi pada kondisi

[image:32.595.250.372.180.251.2]

2.5 Kapasitor Shunt (5,6)

Kapasitor ini terhubung paralel pada jaringan maupun langsung pada beban,

dengan tujuan untuk perbaikan faktor daya, sebagai pengatur tegangan maupun untuk

mengurangi kerugian daya dan tegangan pada jaringan (Deshpande, 1990).

Dengan anggapan tegangan sisi beban dipertahankan konstan, maka dari gambar

dibawah ini terlihat bahwa dengan menggunakan kapasitor shunt, maka arus reaktif

yang mengalir pada saluranakan berkurang. Hal ini menyebabkan berkurangnya

penurunan tegangan pada saluran, sehingga diperlukan tegangan sumber yang tidak

berbeda jauh dengan tegangan terima. Berkurangnya arus reaktif yang mengalir pada

saluran akan memberikan penurunan rugi-rugi daya dan rugi-rugi energi.

Pada Gambar 2.9. VR menunjukan tegangan pada sisi terima dan VS adalah

tegangan pada sisi pengirim. Dengan penambahan kapasitor shunt, kita juga dapat

[image:33.595.230.389.471.595.2]

meningkatkan kapasitas penyaluran daya kepada konsumen, seperti yang terlihat pada

Gambar 2.9 (b).

VS

I1.XS VR1

I1.R I1

θ1

I2.R

I2.XS VS

I1 I2

θ2

IC

VR2 (a)

(b)

Gambar 2.9 Tegangan Sebelum dan Sesudah Pemasangan Kapasitor Paralel

VR1 = VS – (IR.R+jIL.XS) ... (2.60)

VR2 = VS – (IR.R+jIL.XS – jIC.XS) ... (2.61)

∆VR = VR2 - VRI

= VS – (IR.R+jIL.XS – jIC.XS) – [ VS – (IR.R+jIL.XS – jIC.XS) ]

Keterangan :

IR = Komponen real arus (Ampere).

IL = Komponen reaktif arus lagging terhadap tegangan (Ampere). IC = Komponen reaktif arus leading terhadap tegangan (Ampere). R = Resistansi saluran (Ohm).

XS = Reaktansi jaring (Ohm).

Ketika memasang kapasitor paralel, terjadi injeksi arus IC pada sistem sehingga

faktor daya meningkat dan IL berkurang. Hal itu mengakibatkan jatuhnya tegangan

berkurang IL x XS sehingga tegangan VR meningkat. Dari Persamaan (2.62), dijelaskan

bahwa tegangan kirim yang sama diperoleh tegangan terima yang lebih besar ketika

sistem ditambahkan kapasitor paralel. Hal itu terjadi ketika faktor daya bus diperbaiki

dengan menambah kapasitor paralel, tegangan terima bus juga meningkat. Untuk

memperoleh hasil yang optimal, kekurangan daya reaktif yang dibutuhkan oleh beban

sedapat mungkin dipenuhi oleh kapasitor paralel yang dipasang.

Φ2

Φ1

MVarC

MVar MVA1

MVA2

MW

[image:34.595.232.390.424.540.2]

MVar – MVarC

Gambar 2.10 Perbandingan Besar Daya Semu Sebelum dan Sesudah Pemasangan Kapasitor Paralel.

MVA1 = MW – jMVar ... (2.63)

MVA2 = MW – jMVar - jMVarc ... (2.64)

∆MVA = MVA2 – MVA1

Keterangan :

MVA = Daya semu (Watt). MW = Daya aktif (Watt). MVar = Daya reaktif (Watt).

MVarc = Ijeksi daya reaktif dari kapasitor (Watt).

2.6 Bagaimana Kapasitor Memperbaiki Faktor Daya (5,6)

Sebagaiman diketahui membangkitkan daya reaktif pada pusat pembangkit

tenaga dan menyalurkannya kepusat beban yang jaraknya jauh, sangatlah tidak

ekonomis. Hal ini dapat diatasi dengan meletakan kapasitor pada pusat beban. Gambar

berikut menunjukkan cara perbaikan faktor daya untuk sistem tersebut.

Seperti ditunjukan pada gambar, kapasitor menarik daya reaktif leading dan

mensuplay daya reaktif lagging.

P P

Q1

Qc

Q2 = Q1 - Qc

Sumber

Beban

Q1

Q2

QC

S

1

S₂

P

φ1

φ2

b a

Gambar 2.11 Perbaikan faktor daya dengan kapasitor

Anggap bahwa beban di suplay dengan daya nyata (P), daya reaktif (Q1), dan

daya semu (S1) pada faktor daya lagging sebesar :

1 S

P Cosϕ =

(

)

1

2 2 1 2 1

Q P

P Cos

+ =

ϕ ………..………...……… (2.66)

Bila kapasitor shunt sebesar Qc kVA dihubung ke beban, faktor daya akan diperbaiki

[image:35.595.131.479.357.491.2]

2 2

S P Cosϕ =

(

)

1

2 2 2 2 2

Q P

P Cos

+ =

ϕ ………..………....……… (2.67)

(

)

[

]

1

2 2 2 1 2

Q Q P

P Cos

− + =

ϕ ………...……..………… (2.68)

Dari Gambar 2.11 dapat dilihat bahwa dengan daya reaktif sebesar Qc maka

daya semu dan daya reaktif berkurang masing–masing dari S1 (kVA) ke S2 (kVA) dan

dari Q1 (kVAR) ke Q2 (kVAR). Dengan berkurangnya arus reaktif maka akan

mengurangi arus total, dan akhirnya mengurangi rugi–rugi daya.

Untuk menanggulangi masalah–masalah yang ditimbulkan beban induktif

tersebut maka pada rangkaian listrik dengan beban induktif dipasang kapasitor daya

paralel. Berikut ini ilustrasi bagaimana kapasitor membantu generator memberikan daya

reaktif yang akan disuplay pada beban induktif.

2.7 Hubungan Kapasitor Dengan Daya Reaktif (6)

Daya aktif

Daya reaktif

Generator _induktifBeban

Keadaan tanpa kapasitor

Daya aktif

Generator Beban

induktif

C Daya aktif

Keadaan dengan kapasitor

Gambar 2.12 Keadaan Tanpa dan Sesudah Pemasangan Kapasitor

Sebelum pemasangan kapasitor :

( ) I

(

pertiga fasa

)

V

P_R = 3 _{R L−L R} cosΘ_R …...…....…… (2.69)

( ) I

(

pertiga fasa

)

V

[image:36.595.238.384.452.615.2]

Setelah pemasangan kapasitor paralel sudut faktor daya pada jepitan beban

berubah menjadi Θ΄R, Gambar 2.13.

PR = VR (L – N) IR cos ΘR

C A B E Q R = V

R (L – N)

I

R sin

Θ R IR QC D

VR (L – N)

IR ΘR Θ'R

Gambar 2.13 Perbaikan Faktor Daya Dengan Kapasitor Paralel

Dari Gambar 2.13. dapat dituliskan : CA = PR tan ΘR per fasa CD = PR tan Θ΄R per fasa

AD = QC = PR (tan ΘR - tan Θ΄R ) per fasa Bila IC arus pada kapasitor statis :

(L N)

R

C wC V

I = ₋ ..………...…….………...… (2.71) Jadi daya reaktif kapasitor adalah :

( ) 2 N L R C N L R

C V I wC V

Q = ₋ = ₋ .…..…………...… (2.72)

Dan besar kapasitor per fasa :

( )

(

)

( )

2 1

1 tan tan

N L R R R fasa R V w P C − Θ − Θ

= ..……...………...… (2.73)

Untuk tiga fasa maka daya reaktif total dari kapasitor :

( )

2 3 fasa 3QC wC VR L L

Q = = ₋ ………..…..…...… (2.74)

atau besar kapasitor per fasa :

( ) 2 3 L L R fasa V w Q C −

[image:37.595.207.408.143.262.2]

Dari gambar terlihat akibat dari pemasangan kapasitor, beban induktif yang

tenaga listrik disuplay oleh generator. Sebelum kapasitor terpasang daya aktif dan daya

reaktif sepenuhnya disuplay dari generator, akibatnya daya semu (kapasitas) dari

generator menjadi besar. Setelah kapasitor terpasang, seluruh atau sebagian besar dari

daya reaktif yang diperlukan beban induktif disuplai oleh generator, dengan demikian

tugas generator yang kini mensuplai daya aktif saja menjadi ringan, dengan demikian

BAB 3

METODOLOGI PENELITIAN DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM

POWER SYSTEM SIMULATION ENGINEERING (PSS/E) VERSI 31.0.0

3.1 Umum

PSSE (Power System Simulation Engineering) merupakan suatu program yang menampilkan secara GUI (Graphical User Interface) tentang analisa sistem tenaga listrik. Tujuan program PSSE dibuat adalah untuk mempermudah perhitungan dan

analisa sistem tenaga pada sistem yang besar, dengan jumlah bus tidak terbatas.

Sistem Sumatera Bagian Utara adalah sistem interkoneksi 150 kV dalam kendali

operasi Unit Pengatur Beban Sumatera Bagian Utara sebagai operator sistem di bawah

PLN Penyaluran dan Pusat Pengatur Beban Sumatera, meliputi 5 Sektor Pembangkitan

PLN Pembangkitan Sumatera Bagian Utara (Belawan, Medan, Pandan, Lueng Bata, dan

Labuhan Angin), serta 3 Unit Pelayanan Transmisi PLN Penyaluran dan Pusat Pengatur

Beban Sumatera (Medan, Pematang Siantar dan Banda Aceh) yang melayani distribusi

PLN Wilayah Sumatera Utara dan Wilayah Nanggroe Aceh Darussalam.

Sistem Sumbagut juga terinterkoneksi dengan sistem tenaga listrik lain, yaitu

Sistem 275 kV PT Inalum, terhubung melalui IBT 2×40 MVA GI Kuala Tanjung, yang

beroperasi merealisasikan transfer export-import energi antara PLN-Inalum dengan skema net-zero balance (energy-swap).

3.2 Prosedur dan Cara Menggunakan PSSE

Tentukan Rel Berayun

Selesai Ya

Tidak Mulai

Buat Diagram Satu Garis

Ya Masukan Data : Rel, Pembangkit,

Transmisi, Transformator

Run Program :

Load flow solutions,solution method,solution options,

VAR limits, solve

Output Load Flow

Pemasangan Kapasitor

Tidak

Gambar 3.1. Diagram alir studi aliran daya menggunakan PSSE

Proses metode aliran daya adalah sebagai berikut :

1. Membuat diagram satu garis sistem Sumatera Utara-Nangroe Aceh Darussalam.

2. Memasukkan data-data yang diperlukan : generator, transformator, transmisi,

dan rel daya Sistem Sumatera Bagian Utara-Nangroe Aceh Darussalam.

3. Menentukan swing generator.

4. Menjalankan program PSS/E dengan memilih icon Power Flow-Solutions-Solve

pada toolbar.

5. Keluaran hasil studi aliran daya dapat diketahui setelah program dapat

dijalankan. Untuk melihat hasil keluaran aliran daya dengan memilih icon Power Flow-Reports yang terdapat pada toolbar.

6. Setelah didapat hasil studi aliran daya, dapat dilihat tegangan rendah pada tiap

[image:40.595.211.400.78.382.2]

3.3 Menjalankan program PSSE

Program PSSE dapat dijalankan setelah diinstall kedalam komputer. Untuk dapat menjalankan program perangkat lunak PSS/E pada PC diperlukan program dan

dongle emulator yang sudah diinstal. Setelah program dan dongle emulator di install

maka akan tampak tampilan seperti Gambar 3.2. yang merupakan tampilan pertama

[image:41.595.155.471.250.432.2]

PSSE

Gambar 3.2 : Membuka PSS/E dengan Menu Start-Program

3.3.1. Membuat kasus baru

Untuk membuat studi kasus baru dapat dilakukankan dengan menggunakan

menu File-New dan terdapat pilihan untuk membuat network case, diagram atau

kedua nya seperti Gambar 3.3. Di dalam PSSE terdapat 2 (dua) buah side yaitu network

case untuk input data dan digram untuk diagram satu garis sistem. Dengan mengklik

icon berupa gambar kertas putih seperti Gambar 3.4. Kemudian klik Ok, yang

selanjutnya menanyakan MVA base yang dipakai dalam perhitungan (default=100

[image:42.595.170.456.88.316.2] [image:42.595.170.457.315.496.2]

Gambar 3.3 : Membuat file kasus baru

Gambar 3.4 : Worksheet kosong untuk kasus baru

3.3.2 Membuat Diagram Satu Garis

Pada Gambar 3.4 terdapat ruang untuk menggambar diagram satu garis dengan

[image:43.595.164.463.84.268.2]

Gambar 3.5 Diagram satu garis dalam PSSE

Diagram satu garis sistem pembangkitan Sumatera Bagian Utara-Nangroe Aceh

Darussalam yang lengkap dapat dilihat pada Lampiran 1.

3.4 Data Aliran Daya

Data diambil di PT. PLN (Persero) Pembangkit Sumatera Utara dan PT. PLN

(Persero) P3B Sumatera Unit Pengaturan Beban Sumbagut. Data dimasukan setelah

diagram satu garis sistem Sumatera Bagian Utara direpresentasikan ke dalam program

PSSE. Data yang dibutuhkan adalah data untuk generator, rel daya, penghantar,

transformator dan beban sistem Sumbagut.

3.4.1 Pembangkit

Data yang dibutuhkan adalah Nomor Gardu Induk , Nama Gardu Induk, Nomor

Unit Pembangkit, Daya Maximum-Pmax (MW), Daya Minimum-Pmin (MW), Daya

Reaktif Maximum-Qmax (MVAr), Daya Reaktif Minimum-Qmin (MVAr), MVA

pembangkit dan impedansi generator dalam base MVA pembangkit.

Untuk data pembangkit Sistem Sumatera Utara-Nangroe Aceh Darussalam dapat dilihat

[image:44.595.153.474.113.501.2]

Tabel 3.1. Data Pembangkit Sistem Sumatera Utara-Nangroe Aceh Darussalam

NO. PEMBANGKIT UNIT Tahun Operasi Daya Terpasang Mbase

(MW) (MVA)

I Sektor Pembangkitan Belawan

1 PLTU BELAWAN U.1 1984 65 81

U.2 1984 65 81

U.3 1989 65 81

U.4 1989 65 81

2 PLTGU BELAWAN GT11 1993 117.5 150

GT12 1988 128.8 163

ST10 1995 149 186

GT21 1995 130 186

GT22 1994 130 186

ST20 1994 162.5 203

PLTG Lot 3 TTF 2010 105 140

3 PLTD SEWA AKE BL 1 2008 40 120.0

BL 2 2008 40 120.0

II Sektor Pembangkitan Medan

4 PLTG PAYA PASIR 1 1976 14.5 18

2 1976 14.5 18

3 1978 20.1 18

4 1978 20.1 50

5 1983 21.4 27

6/TM 2500 2008 24.6 25

7/TM 2500 2008 34 50

5 PLTD SEWA ARTI DUTA 1 2008 18 37

6 PLTG GLUGUR 1 1975 19.9 16

2 1967 12.9 16

TM 2.1 2008 18.1 25

7 PLTD TITI KUNING 1 1976 4.1 5

2 1976 4.1 5

3 1976 4.1 5

4 1976 4.1 5

5 1976 4.1 5

6 1976 4.1 5

III Sektor Pembangkitan Pandan

8 PLTMH Batang Gadis 1 5

-9 PLTA SIPAN 1 2004 33 20

2 2003 17 39.0

10 PLTA RENUN 1 2006 41 48

2 2005 41 48

IV Sektor Pembangkitan Labuhan Angin

11 PLTU LABUHAN ANGIN 1 2009 115 186.3

2 2009 115 186.3

V Sektor Pembangkitan Lueng Bata

12 PLTD COT TRUENG 1 1978 4.7 6

2 1978 4.7 6

13 PLTD PULO PISANG 1987 5 10

14 PLTD SEWA LEUNG BATA 2002 23.5 15

PLTD LEUNG BATA 1977 60.7 17

VI IPP

15 PLTP SIBAYAK P1 2008 5.6 8

P2 2008 5.6 8

Data pembangkit existing di Sistem Sumatera Bagian Utara-Nangroe Aceh Darussalam

secara lengkap dapat dilihat pada Lampiran 2. Secara lengkap untuk pengisian generator

menggunakan PSSE adalah :

I Bus Number N

ID Machine Number 1

PG MW Output 0

QG MVAR Output 0

QT Upper MVAR Reactive Limit 9999

QB Lower MVAR Reactive Limit -9999

VS Scheduled Voltage (pu) 1

IREG Regulated Bus 0

MBASE Machine MVA base SBASE

ZR,ZX Machine Impedance (p.u. on MBASE) 0,1

RT,XT Transformer Impedance (p.u. on MBASE) 0,0

GTAP Transformer Tap Ratio (pu) 1

STAT Machine Status 1

PT Maximum MW 9999

PB Minimum MW -9999

Oi Owner Number O1=Machine Owner

O2, O3, O4 are zero

Fi Ownership Fraction 1

3.4.2 Rel Daya

Data rel daya merepresentasi data gardu induk (GI). Informasi yang dibutuhkan

adalah Nomor Gardu Induk, Nama Gardu Induk, Tegangan nominal Gardu Induk,

Kode Gardu Induk (1= GI beban, 2= GI Pembangkit, 3=GI Slack bus, 4=GI yang tidak

operasi). Disamping data lainnya berupa area operasi, zone, kepemilikan dan lain-lain.

Secara lengkap untuk pengisian rel daya menggunakan PSSE adalah :

I Bus Number 1

Name Bus Name ‘ ‘

BASKV Base kV 0

IDE Bus Type Code 1

Type 1 = PQ Bus (Load), Type 2 = PV Bus (Generator)

Type 3 = System Swing Bus, Type 4 = Isolated

GL Shunt MW 0

BL Shunt MVAR 0

Area Control Area Number 1

Zone Zone Number 1

VM Voltage Magnitude (pu) 1

VA Voltage Angle 0

OWNER Owner Number 1

Untuk data rel daya Sistem Sumatera Utara-Nangroe Aceh Darussalam dapat dilihat

pada data dibawah ini:

1. Untuk Data Rel Gardu Induk (150 KV) :

GIS Listrik - GSLIK GI Kuala Tanjung - KTJNG GI Sipan - SPAN1 GI Belawan PLTGU - BLWCC GI P.Siantar - PSTAR GI Pangkalan Brandan - PBDAN GI Belawan PLTU - BLWTU GI Gunung Para - GPARA GI Langsa - LNGSA GI Paya Pasir - PPASR GI Berastagi - BTAGI GI Idie - GIDIE

GI Sei Rotan - SROTN GI Sidikalang - SDKLG GI Lhokseumawe - LSMWE GI KIM - GIKIM GI Renun - RENUN GI Tualang Cut - TLCUT GI Mabar - MABAR GI Tele - GTELE GI Bireun - BIRUN GI Paya Geli - PGELI GI Porsea - PORSA GI Tamora - TMORA

GI Binjai - BNJAI GI Tarutung - TRTUG GI Medan Denai - MDNAI GI Labuhan - LBHAN GI Kisaran - KSRAN GI Sigli - SIGLI GI Lamhotma - LHTMA GI Rantau Prapat - RTPAT GI Banda Aceh - BACEH GI Titi Kuning - TTKNG GI AekKanopan - AKNPN GI Kuala Tanjung A - KTJNG A GI Namorambe - NRMBE GI Padang Sidempuan - PSDEM GI Sibolga - SBOGA U GI Glugur - GLUGR GI Gunung Tua - GNTUA GI Kota Pinang - KTPNG GI Tebing Tinggi - TBING GI Sibolga - SBOGA

GI Perbaungan - PBUNG GI Sipan - SPAN2

2. Data Rel Pembangkit:

PLTU Belawan U.1 - U1 11.5 KV PLTA Sipansihaporas - SPANA1 11.5 KV

PLTU Belawan U.2 - U2 11.5 KV PLTA Lau Renun - RENUN1 11.5 KV

PLTU Belawan U.3 - U3 11.5 KV PLTA Lau Renun - RENUN2 11.5 KV

PLTU Belawan U.4 - U4 11.5 KV PLTU Labuhan Angin 1 - SBOGA U1 11 KV

PLTGU Belawan GT 1.1 - GT11 11.5 KV PLTU Labuhan Angin 2 - SBOGA U2 11 KV

PLTGU Belawan GT 1.2 - GT12 11.5 KV PLTMH Aek Raisan I - RAISN 0.4 KV

PLTGU Belawan ST 1.0 - ST10 11.5 KV PLTMH Batang Gadis - BTGDS 0.4 KV

PLTGU Belawan GT 2.1 - GT21 11.5 KV PLTMH Aek Sibundong - AEK SBDNG0.4 KV

PLTGU Belawan GT 2.2 - GT22 11.5 KV PLTMH Boho - BOHO 0.4 KV

PLTGU Belawan ST 2.0 - ST20 11.5 KV PLTMH Kombih - KOMBIH 0.4 KV

PLTD Ake Belawan - PLTGAKE 11.5 KV PLTD Sewa Leung Bata - SEWA LBAT6 KV

PLTG Glugur GGL.1 - AEG 11.5 KV PLTD Leung Bata - DLBATA 6 KV

PLTG Glugur GGL.2 - JBE 11.5 KV PLTD P.Pisang - PISANG 11 KV

PLTG Glugur GGL.3 - GGL3 11.5 KV PLTD Ctrueng - C.TROENG 11 KV

PLTG Paya Pasir GPP.1 - WCH1 11.5 KV PLTA Tangga A1 - TNGGA A1 11 KV

PLTG Paya Pasir GPP.2 - WCH2 11.5 KV PLTA Tangga A2 - TNGGA A2 11 KV

PLTG Paya Pasir GPP.3 - WCH3 11.5 KV PLTA Tangga A3 - TNGGA A3 11 KV

PLTG Paya Pasir GPP.4 - ALS4 11.5 KV PLTA Tangga A4 - TNGGA A4 11 KV

PLTG Paya Pasir GPP.5 - ALS5 11.5 KV PLTA Sigura-Gura A1 - SGURA A1 11 KV

PLTD Paya Pasir 6 - PPSR 6 11 KV PLTA Sigura-Gura A2 - SGURA A2 11 KV

PLTG Paya Pasir 7 - PPSR 7 11 KV PLTA Sigura-Gura A3 - SGURA A3 11 KV

PLTD Titi Kuning - TTKNG 20 11.5 KV PLTA Sigura-Gura A4 - SGURA A4 11 KV

PLTA Sipansihaporas - SPANA2 11.5 KV PLTG TTF - TTF 11.5 KV

NAMA REL PEMBANGKIT NAMA REL PEMBANGKIT

Data rel di Sistem Sumatera Bagian Utara-Nangroe Aceh Darussalam secara lengkap

dapat dilihat pada Lampiran 3.

3.4.3 Transmisi

Data yang dibutuhkan adalah impedansi transmisi (R,X,Y) baik dalam per unit

(pu) maupun dalam besaran phisik (Ohm), nomor sirkit penghantar, batas kemampuan

pembebanan saluran (MVA), panjang dan kepemilikan transmisi. Secara lengkap untuk

pengisian transmisi menggunakan PSSE adalah :

I ”From” Bus Number N

J ”To” Bus Number N

CKT Circuit ID 1

R Resistance (pu) 0

X Reactance (pu) 0

B Charging (pu) 0

RATEA Ratings (MVA) 0

RATEB Ratings (MVA) 0

RATEC Ratings (MVA) 0

GI,BI Line Shunt Admittance at Bus I (pu) 0

GJ,BJ Line Shunt Admittance at Bus J (pu) 0

ST Status 1

LEN Line Length 0

Oi Owner Number O1=Branch Owner

O2, O3,O4 are Zero

Data transmisi di Sistem Sumatera Bagian Utara-Nangroe Aceh Darussalam secara

lengkap dapat dilihat pada Lampiran 4.

3.4.4 Transformator

Pada program PSS/E (Power System Simulation Engiineering) terdapat 2 jenis

data transformator yang dapat disimulasikan pada PSS/E yaitu transformator 2 belitan

dan transformator 3 belitan. Data yang dibutuhkan antara lain Nomor Gardu Induk yang

diatur, metode pengaturan (tegangan, daya aktif atau daya reaktif), jumlah tap, Kode I/O

belitan (rasio belitan pu atau tegangan belitan kV), Kode Impedans I/O ( Zpu dalam

base sistem, Zpu dalam base belitan atau dalam rugi-rugi (watt) dan Z; biasanya input

berupa Zpu dalam base sistem atau base belitan), Kode I/O Admitans (Ypu base sistem

atau Rugi-rugi tanpa beban (Watt) dan arus medan dalam pu), Kapasitas trafo (MVA),

dan kode hubungan belitan (1 = Ytanah-Ytanah, 2 = Ytanah-delta, 3=delta-Ytanah, 4=

Y-delta atau delta-Y, 5 = Ytanah-delta dan 6 = delta-Ytanah). Untuk kode hubungan

belitan dalam transformator ini penting saat menghitung arus hubung singkat tidak

seimbang).

Secara lengkap untuk pengisian transformator menggunakan PSSE adalah :

I ”From” Bus Name N

J ”To” Bus Number N

K ”To” Bus Name N

CKT Circuit ID 1

CW Winding Data I/O 1

CZ Winding Impedance 1

CM Magnetizing Admittance 1

MAG1,MAG2 Magnetizing Conductance and Susceptance 1

NMETR Code 0

NAME Transformator Name ” ”

STAT Transformator Status 1

Oi Owner Number O1=Transformator Owner

O2, O3,O4 are Zero

Fi Ownership Fraction 1

Data impedansi transformator pembangkit di Sistem Sumatera Bagian Utara-Nangroe

3.4.5 Beban

Data yang dibutuhkan adalah Nomor Gardu Induk, beban Daya Aktif-P (MW),

beban Daya Reaktif-Q (MVAR). Secara lengkap untuk pengisian beban menggunakan

PSSE adalah :

I Bus Number N

ID Load ID ‘1 ‘

Status Load Status 1

Area Area Number Bus Area

Zone Zone Number Bus Zone

PL Constant MVA Load (MW) 0

QL Constant MVA Load (MVAR) 0

IP Constant I Load (MW) 0

IQ Constant I Load (MVAR) 0

YP Constan