STUDI ANALISIS KESTABILAN TRANSIEN DENGAN METODE TIME DOMAIN SIMULATION PADA SISTEM KELISTRIKAN KALIMANTAN 275 KV HALAMAN JUDUL TUGAS AKHIR TE

(1)

HALAMAN JUDUL

TUGAS AKHIR – TE 141599

Elza Dwi Rachmayanti NRP 07111645000062

Dosen Pembimbing

Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T.

Prof. Dr. Ir. Imam Robandi, M.T.

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Elektro

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2018

STUDI ANALISIS KESTABILAN TRANSIEN DENGAN METODE

TIME DOMAIN SIMULATION PADA SISTEM KELISTRIKAN

KALIMANTAN 275 KV

(2)

(3)

HALAMAN JUDUL

FINAL PROJECT – TE 141599

Elza Dwi Rachmayanti NRP 07111645000062

Advisor

Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T.

Prof. Dr. Ir. Imam Robandi, M.T.

ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTEMENT Faculty of Electrical Technology

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2018

STUDIES ANALYSIS TRANSIENT STABILITY WITH TIME

DOMAIN SIMULATION METHODE ON KALIMANTAN

ELECTRICAL SYSTEM 275 KV

(4)

(5)

PER

(6)

NYATAA

---Halaman ini sengaja dikosongkan---

(7)

HALAMAN PENGESAHAN

(8)

(9)

STUDI ANALISIS KESTABILAN TRANSIEN DENGAN METODE TIME DOMAIN SIMULATION PADA SISTEM

KELISTRIKAN KALIMANTAN 275 KV Nama : Elza Dwi Rachmayanti

Pembimbing : Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T.

Prof. Dr. Ir. Imam Robandi, M.T.

ABSTRAK

Indonesia adalah negara yang masih membutuhkan banyak energi di masa depan. Pulau Kalimantan adalah salah satu pulau yang memiliki wilayah terbesar di Indonesia. Pulau ini memiliki peran penting dalam perekonomian Indonesia, salah satunya menyangkut kebutuhan energi listrik. Meningkatnya era globalisasi saat ini, menjadikan energi listrik merupakan kebutuhan utama dalam kehidupan sehari-hari. Untuk memenuhi permintaan beban yang meningkat di pulau Kalimantan membangun sistem saluran transmisi 275kV yang saling terhubung.

Pembangunan saluran transmisi adalah pengembangan saluran transmisi 150kV. Pengembangan, membuat sistem akan ditinjau untuk bekerja dengan aman dan andal. Dalam tugas akhir ini sistem akan dievaluasi dari stabilitas transien menggunakan metode simulasi domain waktu (TDS). Kasus-kasus yang diberikan untuk studi analisis stabilitas transien adalah gangguan generator dan interupsi tiga fasa short circuit.

Dari hasil simulasi yang didapat, untuk kasus gangguan generator dan hubung singkat pada saluran sirkit ganda tidak menyebabkan sistem untuk keluar dari sinkronisasi, karena ketika generator mati atau korsleting, catu daya hilang antara 5-7 % Kekuatan yang hilang dapat dipenuhi oleh sistem interkoneksi. Hasil dari stabilitas transien dalam hal respon sudut rotor, respon frekuensi, dan respon tegangan diperoleh hasil yang diharapkan yang dapat kembali ke keadaan stabil.

Kata Kunci : Kestabilan transien, time domain simulation, generator outage, short circuit.

(10)

(11)

STUDIES ANALYSIS TRANSIENT STABILITY TIME DOMAIN SIMULATION METHODE ON

KALIMANTAN ELECTRICAL SYSTEM 275 KV

Name : Elza Dwi Rachmayanti

Advisor : Dr. Ir. Margo Pujiantara, M.T.

Prof. Dr. Ir. Imam Robandi, M.T.

ABSTRACT

Indonesia is a country that still needs a lot of energy in the future.

The island of Kalimantan is one of the islands that has the largest area in Indonesia. The island has an important role in the Indonesian economy, one of which concerns the need for electrical energy.

Increasing the current era of globalization, making electrical energy is a primary requirement in everyday life. To meet the increasing burden demand on the island of Kalimantan built an interconnected 275kV transmission line system. The construction of the transmission line is the development of a 150kV transmission line. The development, making the system will be reviewed in order to work safely and reliably. In this final project the system will be evaluated from transient stability using time domain simulation method (TDS). Cases given for the study of transient stability analysis are generator outage and short-circuit 3 phase interruptions. From the simulation results obtained, for the case of a generator outage and short circuit on a double circuit channel does not cause the system to exit from synchronization, because when the generator is off or short circuit, the power supply is lost between 5-7%.

The lost power can be fulfilled by the interconnection system. The result of transient stability in terms of rotor angle response, frequency response, and voltage response obtained the expected results that can return to a stable state.

Keywords : Transient stability, time domain simulation, generator outage, short circuit.

(12)

(13)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang selalu memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Shalawat serta salam semoga selalu dilimpahkan kepada Rasulullah Muhammad SAW, keluarga, sahabat, dan umat muslim yang senantiasa meneladani beliau.

Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan guna menyelesaikan pendidikan Strata-1 pada Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dengan judul:

STUDI ANALISIS KESTABILAN TRANSIEN DENGAN METODE TIME DOMAIN SIMULATION PADA SISTEM

KELISTRIKAN KALIMANTAN 275 KV

Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak berjasa terutama dalam penyusunan tugas akhir ini, antara lain :

1. Segenap keluarga tercinta, Ibu Nurohmah dan Bapak Pujiyanto Santoso selaku orang tua penulis yang selalu memberikan dukungan, semangat serta doa yang tiada henti untuk keberhasilan penulis.

2. Dr. Ir Margo Pujiantara, M.T dan Prof. Dr. Ir Imam Robandi, M.T selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan saran serta bimbingan dalam penyusunan tugas akhir ini.

3. Seluruh rekan-rekan TST LJ 2016, keluarga besar LJ Teknik Elektro 2016, para dosen serta karyawan atas bantuan, dukungan, kebersamaan dan kerjasamanya selama ini.

Besar harapan penulis agar tugas akhir ini dapat bermanfaat untuk banyak pihak. Oleh sebab itu, penulis mengharapkan kritik, saran serta koreksi yang membangun dari pembaca untuk perbaikan di masa mendatang.

Surabaya, Juli 2018

Penulis

(14)

(15)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL... i

HALAMAN JUDUL... iii

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v

HALAMAN PENGESAHAN ... vii

ABSTRAK ... ix

ABSTRACT ... xi

KATA PENGANTAR ... xiii

DAFTAR ISI ... xv

DAFTAR GAMBAR ... xix

DAFTAR TABEL ... xxi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Permasalahan ... 3

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Tujuan ... 4

1.5 Metodologi Penelitian ... 4

1.6 Sistematika Laporan ... 4

1.7 Relevansi ... 6

BAB II TEORI DASAR ... 7

2.1 Definisi Kestabilan Sistem ... 7

2.2 Kestabilan Sistem Tenaga Listrik ... 7

2.2.1 Kestabilan Sudut Rotor ... 8

2.2.2 Kestabilan Tegangan ... 9

2.2.3 Kestabilan Frekuensi ... 10

2.3 Kestabilan Transien ... 10

2.4 Dinamika Rotor dan Persamaan Ayunan ... 12

2.5 Hal yang Mempengaruhi Kestabilan ... 15

2.5.1 Short circuit ... 15

2.5.2 Generator outage ... 16

2.6 Metode Mempertahankan Kestabilan Sistem dari Gangguan ... 16

2.7 Standar yang berkaitan dengan Kestabilan Transien ... 17

2.7.1 Standar UnderVoltage ... 17

2.7.2 Standar Frekuensi ... 18

2.7.3 Standar Voltage Sagging ... 18

(16)

BAB III DATA DAN METODOLOGI ... 21

3.1 Sistem Kelistrikan Kalimantan 275kV tahun 2022, 2024 dan 2026 ... 21

3.2 Data Saluran Backbone Sistem Interkoneksi Kalimantan Jalur Selatan ... 22

3.3 Kapasitas Pembangkit Kalimantan tahun 2022, 2024 dan 2026 . 22 3.4 Data Beban Kalimantan tahun 2022, 2024 dan 2026 ... 26

3.5 Metodologi Simulasi ... 26

BAB IV HASIL SIMULASI DAN ANALISIS ... 29

4.1 Pemodelan Sistem Kelitrikan Kalimantan ... 29

4.2 Studi Kasus Kestabilan Transien ... 29

4.3 Hasil Simulasi Kestabilan Transien ... 31

4.3.1 Simulasi Kestabilan Transien Generator Outage ... 31

4.3.1.1 Kasus 1 Generator Outage pada Generator Kaltim Peaker 2 tahun 2022 (t=2 s) ... 31

4.3.1.2 Kasus 2 Generator Outage pada Generator Kalsel FTP 1 & 2 tahun 2022 (t=2 s) ... 33

4.3.1.3 Kasus 3 Generator Outage pada Generator Kalsel FTP 1 tahun 2024 (t=2 s) ... 36

4.3.1.4 Kasus 4 Generator Outage pada Generator Kalbar 1-1 & 1-2 Tahun 2024 (t=2 s) ... 38

4.3.1.5 Kasus 5 Generator Outage pada Generator Kalbar 2-1 tahun 2026 (t=2 s) ... 41

4.3.1.6 Kasus 6 Generator Outage pada Generator Kaltim 4-1 & 4-2 tahun 2026 (t=2 s) ... 43

4.3.2 Simulasi Kestabilan Transien Short circuit ... 46

4.3.2.1 Kasus 1 Gangguan Short Circuit pada Saluran Backbone Balikpapan-Samarinda 275 kV tahun 2022 (t=2s) ... 46

4.3.2.2 Kasus 2 Gangguan Short Circuit pada Bus Ketapang 275 kV tahun 2022 (t=2 s) ... 49

4.3.2.3 Kasus 3 Gangguan Short Circuit pada Saluran Backbone Bontang-Tanjung Redep 275 kV tahun 2024 (t=2 s) ... 51

4.3.2.4 Kasus 4 Gangguan Short Circuit pada Bus Bontang 275 kV tahun 2024 (t=2) ... 54

(17)

4.3.2.5 Kasus 5 Gangguan Short Circuit pada Saluran Backbone Sei Raya-Ketapang 275 kV tahun 2026

(t=2 s) ... 56

4.3.2.6 Kasus 6 Gangguan Short Circuit pada Bus Banjarmasin 275 kV Tahun 2026 (t=2 s) ... 58

4.3.2.7 Kasus 7 Gangguan Short Circuit pada Saluran Asam-Mantuil 150 kV tahun 2026 (t=2 s) ... 60

BAB V ... 65

5.1 Kesimpulan ... 65

5.2 Saran ... 66

DAFTAR PUSTAKA ... 67

LAMPIRAN A ... 69

(18)

(19)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Classification of Power System Stability[3] ... 8

Gambar 2.2 Kurva Karakteristik Respon Generator Terhadap Gangguan ... 11

Gambar 2.3 Representasi Rotor Generator dengan Arah Rotasi dari Torsi Mekanik dan Torsi Elektrik ... 13

Gambar 3.1 Single line diagram backbone ... 21

Gambar 3.2 Flowchart metodologi ... 27

Gambar 4.1 Respon Sudut Rotor ... 31

Gambar 4.2 Respon Tegangan pada Bus backbone ... 32

Gambar 4.3 Respon Frekuensi pada Bus backbone ... 33

Gambar 4.5 Respon Tegangan pada Bus backbone ... 35

Gambar 4.6 Respon Frekuensi pada Bus backbone ... 35

Gambar 4.23 Respon Tegangan dari Bus backbone ... 50

Gambar 4.24 Respon frekuensi pada Bus backbone ... 51

(20)

Gambar 4.39 Respon Frekuensi pada Bus backbone ... 62

(21)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Standar tegangan menurut PLN ... 17

Tabel 2.2 Standar Frekuensi ... 18

Tabel 2.3 Standar Voltage Sag berdasarkan SEMI F47 ... 19

Tabel 3.1 Data Saluran sistem interkoneksi backbone Kalimantan 275kV ... 22

Tabel 3.2 Data Pembangkitan Kelistrikan Kalimantan ... 23

Tabel 4.1 Studi Kasus Generator outage ... 29

Tabel 4.2 Studi Kasus Short circuit ... 30

(22)

(23)

BAB I PENDAHULUAN PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan energi listrik meningkat setiap tahunnya. Saat ini, pasokan tenaga listrik selalu memiliki peran yang signifikan dalam masyarakat. Kebanyakan masyarakat di negara berkembang seperti Indonesia tinggal di daerah pedesaan yang sering terisolasi dan terpencar penduduknya. Pasokan listrik di Indonesia saat ini masih belum merata, maka untuk meningkatkan elektrifitasnya, pemerintah berusaha semaksimal mungkin memenuhi kebutuhan beban di seluruh daerah Indonesia. Peningkatan elektrifikasi dapat berupa kegiatan seperti perencanaan, memfasilitasi penyebaran infrasrutktur dan pengembangan program baru yang berkaitan dengan kebutuhan energi listrik.

Perkembangan suatu sistem kelistrikan tidak lepas dari permasalahan dan fenomena yang terjadi dalam suatu sistem yang interkoneksi . Permasalahan dan fenomena tersebut dapat menyebabkan kegagalan suatu sistem jika tidak diatasi dengan cepat. Untuk itu, dalam suatu sistem kelistrikan sangat penting adanya analisa aliran daya.

Aliran daya digunakan untuk menentukan secara mendasar parameter pada sistem agar dapat di analisa lebih lanjut mengenai permasalahan yang ada. Dalam sistem kelistrikan dengan jaringan yang besar sangat banyak permasalahan yang akan terjadi ketika sistem tersebut dimodelkan ulang seperti, penambahan kapasitas tegangan dan menjadikan sistem interkoneksi. Perubahan suatu sistem kelistrikan tersebut tidak lepas dari masalah kestabilan sistem. Kestabilan tersebut sangat penting perannya dalam sistem kelistrikan untuk mendukung sistem kelistrikan tersebut berjalan dengan aman dan handal.

Kestabilan adalah kemampuan sistem dalam keadaan seimbang dan dapat mempertahankan kondisi seimbang setelah terjadinya gangguan pada sistem. Kestabilan dapat diklasifikasikan menjadi 3 yaitu, ketabilan sudut rotor, kestabilan tegangan dan kestabilan frekuensi. Ketiga kestabilan tersebut dapat terganggu oleh beberapa faktor seperti, penambahan kapasitas maupun penambahan beban secara mendadak, pelepasan generator atau terjadi gangguan sikuit pendek dalam saluran sistem. Faktor-faktor tersebut merupakan fenomena dari kestabilan transien.

(24)

Kestabilan transien merupakan suatu kemampuan pada sistem kelistrikan dalam kondisi normal dan dapat kembali pada keadaan normal dengan waktu singkat setelah terjadi gangguan besar. Gangguan besar tersebut berupa generator outage dan short circuit. Kedua gangguan tersebut dapat menimbulkan sistem padam total apabila tidak segera diatasi dengan cepat. Untuk itu, dalam suatu pemodelan sistem kelistrikan dengan jaringan yang besar sangat diperlukan analisa kestabilan transien.

Pemodelan dan analisa suatu sistem kelistrikan dengan jaringan besar dan interkoneksi menggunakan software dengan metode Simulasi Domain Waktu (Time Domain Simulation, TDS) yang digunakan untuk menganalisa studi kestabilan transien. TDS dibagi menjadi dua yaitu, akar kuadrat rata-rata (Roots Mean Square, RMS) dan transien elektromaknetik (Electromagnetic Transient, EMT). RMS atau dengan kata lain stability analysis function digunakan untuk menganalisa stabilitas transien pada suatu sistem. Untuk model metode EMT digunakan untuk menganalisa stabilitas tansien jangka menengah dan jangka panjang dibawah kondisi seimbang dan tidak seimbang. Kedua metode tersebut tergabung menjadi satu dengan tujuan untuk menganalisa kestabilan transien dalam suatu sistem dengan jangka waktu yang menengah maupun panjang.

Dalam tugas akhir ini, menganalisa pemodelan suatu sistem kelistrikan dan kestabilan pada sistem kelistrikan Pulau Kalimantan.

Pemodelan dan analisa ini dilakukan dikarenakan ada penambahan kapasitas tegangan yang digunakan sebagai backbone yang terinterkoneksi setiap provinsi di Kalimantan. Pembangunan tersebut bertujuan sebagai kehandalan sistem kelistrikan, dengan salah satu alasan yaitu dapat memenuhi kebutuhan listrik yang berada di area kekurangan pasokan listrik. Tahun 2023 area Kalimantan Barat tidak dapat memenuhi kebutuhan listrik di area sendiri dan tahun 2026 area Kalimantan Selatan-Tengah juga tidak mampu memenuhi kebutuhan area sendiri, sehingga diperlukan sistem interkoneksi dikarenakan pada area Kalimantan Timur-Utara memiliki pembangkitan yang berlebih yang dapat disalurkan untuk area lainnya. Saat ini, pada Pulau Kalimantan berdiri saluran transmisi dengan level tegangan 150 kV.

Area pada Kalimantan terbagi menjadi tiga antara lain, area Kalimantan Barat, area Kalimantan Selatan-Tengan dan area Kalimantan Timur- Utara. Penambahan kapasitas tegangan tersebut yaitu dengan pembangunan saluran transmisi yang bertegangan 275 kV sebagai

(25)

backbone terinterkoneksi. Backbone tersebut menghubungkan setiap provinsi seperti, Kalimantan Barat (Sei Raya, Ketapang), Kalimantan Tengah (Sampit, Palangkaraya), Kalimantan Selatan (Banjarmasin), Kalimantan Timur (Balikpapan, Samarinda, Bontang), dan Kalimantan Utara (Tanjung Redep).

Pembangunan saluran transmisi ber-level tegangan 275 kV dengan sistem yang terinterkoneksi, maka sistem akan mengalami perubahan aliran daya dan kestabilan. Untuk itu perlu dilakukan studi analisa aliran daya dan kestabilan sistem. Tugas akhir ini lebih mengacu pada hasil simulasi kestabilan transien yang dihasilkan oleh sistem sebelum, saat dan setelah mengalami gangguan. Kasus yang diambil untuk melakukan studi analisa kestabilan transien yaitu berupa generator outage dan gangguan short circuit. Studi ini dilakukan dengan tujuan agar dapat mengetahui kinerja sistem yang mampu mempertahankan kondisi stabil setelah terjadi gangguan.

Oleh karena itu, dengan adanya pembangunan sistem kelistrikan dibutuhkan peninjauan ulang sistem untuk menentukan kestabilan. Hasil yang di dapatkan pada simulasi di peroleh sistem dapat kembali stabil setelah mengalami gangguan transien. Sistem hanya kehilangan daya sebesar 5-7%. Sehingga dari hasil analisa tersebut diperoleh performa sistem kelistrikan Kalimantan dengan kestabilan yang handal. Analisa ini berbasis RUPTL pengembangan tahun 2017-2026.

1.2 Permasalahan

Permasalahan yang akan dibahas dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Merancang sistem kelistrikan Kalimantan backbone 275kV berbasis RUPTL tahun 2017-2026.

2. Meninjau ulang sistem dari aliran daya hingga kestabilan transien berdasarkan study case terkait.

3. Menetukan apakah sistem stabil atau tidak.

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah yang dibahas dalam tugas akhir ini antara lain : 1. Sistem Kelistrikan Kalimantan dengan backbone 275 kV

berdasarkan RUPTL 2017-2026.

2. Menggunakan software DIgSILENT dengan metode time domain simulation.

3. Gangguan yang diberikan generator outage dan short circuit.

(26)

4. Mengetahui hasil respon sudut rotor, respon tegangan dan respon frekuensi.

1.4 Tujuan

Tujuan dari analisis Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Memperoleh performa dari rancangan sistem kelistrikan

Kalimantan.

2. Mengetahui hasil kestabilan pada sistem kelistrikan Kalimantan yang interkoneksi dengan adanya permasalahan terkait.

1.5 Metodologi Penelitian

Metodologi yang digunakan pada penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

1. Pengumpulan Data

Data yang diperlukan dalam tugas akhir ini adalah rancangan single line diagram serta data-data sistem kelistrikan Kalimantan berdasarkan RUPTL 2017-2026.

2. Pemodelan Sistem

Dalam tahap ini dilakukan pemodelan sistem serta pengolahan data dengan menggunakan DIgSILENT. Pemodelan ini dilakukan untuk mengetahui aliran daya serta kestabilan transien.

3. Simulasi dan analisis kestabilan transien

Pada tahap ini akan melakukan simulasi ketabilan transien dengan masalah yang terkait seperti, generator outage dan short circuit dengan ditinjau dari kestabilan sudut rotor, kestabilan tegangan, dan kestabilan frekuensi.

4. Studi Kasus

Studi kasus dilakukan untuk mengetahui aliran beban dan performa kestabilan dengan adanya permasalahan kestabilan.

5. Penarikan Kesimpulan

Memberikan kesimpulan mengenai performa dari sistem kelistrikan Kalimantan dan pengoperasian, serta kestabilan sistem akibat diberikan gangguan transien.

1.6 Sistematika Laporan

Pembahasan tugas akhir ini dibagi menjadi lima bab dengan sistematika sebagai berikut:

(27)

Bab I Pendahuluan

Pada bab pendahuluan, menjelaskan mengenai latar belakang pemilihan topik dan juga perumusan masalah. Bab ini juga membahas mengenai tujuan penelitian, metodologi, sistematika laporan, dan relevansi dari penelitian yang dilakukan.

Bab II Dasar Teori Stabilitas, Kestabilan Transien serta metode yang digunakan

Penjelasan mengenai dasar stabilitas. Pokok bahasan pada bab ini diantaranya, yaitu stabilitas, kestabilan suatu sistem serta jenis-jenisnya, kestabilan transien serta gangguan yang menyebabkan hal tersebut. Pada bab ini juga dibahas mengenai dasar metode yang digunakan untuk simulasi dan study case kestabilan transien beserta standarnya.

Bab III Data dan Metodologi

Pembahasan yang dilakukan pada bab ini, mengenai sistem kelistrikan terinterkoneksi, spesifikasi data saluran, data beban serta pembangkitan pada sistem Kalimantan 275 kV dan juga pembahasan metodologi serta simulasi menggunakan software DIgSILENT.

Bab IV Simulasi dan Analisa

Pada bab ini membahas mengenai simulasi dan analisa kestabilan transien. Simulasi sistem menggunakan DIgSILENT. Setelah simulasi akan dilakukan analisa hasil data dari kestabilan transien dengan case meliputi generator outage dan short circuit. Dari case tersebut akan dilihat respon tegangan, respon frekuensi dan respon sudut rotor pada saat mengalami gangguan dan setelah gangguan.

Bab V Penutup

Pada bagian bab penutup, dibahas mengenai kesimpulan dan saran dari hasil pengujian.

(28)

1.7 Relevansi

Berdasarkan hasil yang didapatkan dari studi analisis pada tugas akhir ini, penulis berharap dapat memberikan manfaat sebagai berikut.

1. Dapat dijadikan acuan untuk rancangan pembangunan sistem kelistrikan Kalimantan dengan kapasitas 275 kV agar sistem bekerja dengan baik dan stabil.

2. Dapat digunakan sebagai referensi pada penelitian selanjutnya dengan masalah yang terkait.

(29)

2BAB II TEORI DASAR

2.1 Definisi Kestabilan Sistem

Definisi dari kestabilan suatu sistem yaitu kemampuan dari suatu sistem tenaga dimana terdapat dua atau lebih mesin sinkron di dalamnya, untuk mempertahankan kondisi normal setelah mengalami gangguan. Kestabilan sendiri merupakan suatu fenomena yang ada pada sistem tenaga yang berkaitan dengan sinkronisasi sistem.

Ketidaksinkronan suatu sistem terdapat pada ketidaksetimbangan suatu pembangkitan, antara daya input mekanis yang ada pada prime mover dengan daya output elektris pada beban. Kedua daya tersebut harus dalam kondisi seimbang.[1]

Dalam kondisi stabil, semua generaror berputar pada kecepatan sinkron. Apabila sistem terjadi gangguan, maka sistem akan keluar dari sinkronisasi. Artinya adanya perbedaan antara daya input mekanis dengan daya output elektris pada generator. Perbedaan tersebut dapat mengakibatkan percepatan maupun perlambatan pada putaran rotor generator. Kondisi yang seperti ini harus cepat dihilangkan agar sistem tidak keluar dari sinkronisasinya yang mengakibatkan hal fatal seperti blackout. Untuk itu sangatlah penting menganalisa kestabilan suatu sistem, hal ini untuk menghindari adanya kerugian waktu maupun finansial.

2.2 Kestabilan Sistem Tenaga Listrik

Kestabilan sistem tenaga dapat di definisikan sebagai kemampuan daya listrik sistem dengan kondisi awal yang diberikan untuk dapat memepertahankan dalam keadaan operasi seimbang setelah terjadi gangguan fisik, dengan variabel sistem dibatasi sehingga seluruh sistem tetap utuh.

Berdasarkan paper IEEE yang berjudul definition and classification of power system stability, kestabilan sistem listrik dibagi menjadi 3 kategori yakni, kestabilan sudut rotor, kestabilan tegangan dan kestabilan frekuensi. Berikut ini merupakan gambaran pengklasifikasian kestabilan sistem tenaga yang ditunjukkan gambar 2.1.

(30)

Gambar 2.1 Classification of Power System Stability[3]

2.2.1 Kestabilan Sudut Rotor

Stabilitas sudut rotor mengacu pada kemampuan mesin sinkron dari sistem tenaga yang saling berhubungan untuk tetap sinkron setelah mengalami gangguan. Itu tergantung pada kemampuan untuk mempertahankan keseimbangan antara torsi elektris dan torsi mekanik pada masing-masing mesin sinkron. Ketidakstabilan yang terjadi dapat berupa peningkatan ayunan sudut dari beberapa generator. Stabilitas sudut rotor dibagi dalam dua sub kategori sebagai berikut:

a. Gangguan kecil pada kestabilan sudut rotor

Gangguan kecil pada sudut rotor yakni berkaitan dengan kemampuan sistem daya untuk mempertahankan keadaan sinkron dibawah gangguan kecil. Gangguan timbul dapat dikarenakan dua hal yakni peningkatan

Power System Stability

Voltage Satbility Frequency

Stability Rotor Angle

Stability

Long Term Transient

Stability Small

Disturbance Angle Stability

Short Term Short Term

Small- Disturbance Voltage Stability Large-

Disturbance Voltage Stability

Long Term Short

Term

(31)

sudut rotor pada mode non isolasi Karena kurangnya torsi sinkronisasi dan kurangnya torsi redaman sehingga menyebabkan osilasi sudut rotor meningkat.

b. Gangguan besar pada kestabilan sudut rotor

Gangguan besar atau dapat disebut dengan gangguan transient.

Kemampuan sistem untuk mempertahankan dalam keadaan normal beroperasi akibat gangguan parah. Gangguan ini dapat berupa hubung singkat pada saluran atau lepasnya generator pada saat beroperasi.

Kestabilan transien ini berdasarkan tingkat keparahan gangguan tersebut. Ketidakstabilan biasanya membuat sistem menghasilakn sudut rotor baru akibat kurangnya torsi sinkronisasi. Respon sistem yang dihasilkan oleh sudut rotor dipengaruhi oleh hubungan sudut daya.

2.2.2 Kestabilan Tegangan

Suatu kemampuan sistem tenaga listrik dapat kembali dalam keadaan operasi normal setelah terjadinya suatu gangguan.

Ketidakstabilan dapat menyebabkan penurunan maupun peningkatan tegangan pada beberapa bus.

Beberapa faktor yang mengakibatkan ketidakstabilan sistem seperti kehilangan beban pada area tertentu atau lepasnya saluran transmisi. Faktor utama yang mengakibatkan ketidakstabilan yaitu suplai daya reaktif yang meningkat diluar dari kapasitas sumber yang tersedia. Kestabilan tegangan dapat dikategorikan dalam gangguan besar dan gangguan kecil sebagai berikut ini.

a. Gangguan besar kestabilan tegangan

Kestabilan tegangan akibat gangguan besar mengacu pada suatu kemampuan sistem untuk mempertahankan tegangan dalam kondisi normal (stabil) dengan mengikuti gangguan tersebut, seperti lepasnya generator atau kontingensi saluran. Kemampuan untuk kembali dalam keadaan normal ditentukan oleh karakteristik sistem dan beban.

Penentuan kestabilan tegangan gnagguan besar ini membutuhkan pemeriksaan respon non-linear selam aperiode waktu cukup dan interaksi peralatan seperti motor listrik, underload trafo tap changer dan pembatas arus medan generator.

b. Gangguan kecil kestabilan tegangan

Stabilitas tegangan gangguan kecil mengacu pada kemampuan sistem untuk mempertahankan tegangan dalam kondisi stabil setelah terjadi gangguan kecil seperti perubahan pada beban.

(32)

2.2.3 Kestabilan Frekuensi

Kestabilan frekuensi mengacu pada kemampuan sistem daya untuk mempertahankan nilai frekuensinya setelah terjadi gangguan yang parah yang menyababkan ketidakseimbangan yang signifikan antara generator dan beban. umunya masalah kestabilan berkaitan dengan, lemahnya koordiansi dari peralatan kontrol atau kurangnya cadangan daya pembangkitan. Kestabilan frekuensi memiliki kategpri gangguan yakni gangguan jangka pendek dan jangka panjang. Gangguan jangka pendek dapat berupa pemadaman beberapa detik pada suatu area yang underfrequency load shedding, seperti menurunnya frekuensi dengan cepat. Ketidakstabilan yang disebabkan oleh kontrol overspeed turbin, kontrol boiler dapat dikatakan fenomena jangka panjang karena gangguan mulai dari puluhan detik hingga beberapa menit.

2.3 Kestabilan Transien

Definisi dari kestabilan transien adalah kemampuan suatu sistem tenaga untuk mempertahankan pada keadaan normal setelah mengalami gangguan besar yang bersifat mendadak.

Kestabilan tarnsien merupakan fungsi dari kondisi operasi dan gangguan. Dalam keadaan gangguan besar seperti pelepasan beban besar atau pembangkitan secara tiba-tiba, kehilangan sebagian saluran transmisi. Hal tersebut akan membuat sistem merasakan kejutan dari gangguan tersebut. Untuk itu kestabilan transien pada sistem harus memiliki cara untuk mempertahankan adanya kejutan akibat gangguan besar.[1]

Studi kestabilan transien ini bertujuan untuk menentukan respon dari suatu sistem tersebut, apakah dapat bisa mempertahankan dalam keadaan normal kembali setelah mengalami gangguan. Gangguan besar tersebut seperti, hilangnya pembangkitan, lepasnya beban besar secara tiba-tiba, starting motor, maupun lepasnya saluran transmisi baik lingkup kecil mapun sebagian.

Masalah kestabilan transien menyangkut gangguan besar yang tidak lagi memungkinkan proses kelinieran, sehingga persamaan tidak linier differensial dan aljabar harus diselesaikan dengan metoda langsung atau dengan prosedur iterasi. Perkiraan yang biasa digunakan untuk transfer daya diberikan oleh:

(33)

𝑃 = 𝑉

_𝑡

𝑉

_∞

𝑥 𝑠𝑖𝑛𝛿

Dimana,

P = daya (watt)

Vt = tegangan terminal mesin (volt) V∞ = tegangan infinite bus

ᵟ

= sudut rotor (derajat)

Gambar 2.2 Kurva Karakteristik Respon Generator Terhadap Gangguan

Beradasarkan gambar 2.2 diatas, respon generator terhadap adanya gangguan dapat diilustrasikan sebagai berikut, generator bekera pada kondisi normal sebelum mengalami gangguan (titik 1), kemudian terjadi gangguan yang mengakibatkan turunnya daya pada generator, sehingga mengakibatkan percepatan putaran generator dan menimbulkan besarnya sudur rotor semakin besar (titik 2). Pada saat gangguan tersebut hilang, maka daya yang dihasilkan generator akan semakin besar, sesuai dengan sudut rotor (P- del) (titik 3). Dalam keadaan ini maka output generator akan menghasilkan daya lebih besar dibandingkan dengan daya mekanisnya, sehingga mengakibatkan perlambatan pada putaran generator. Bila terdapat torsi lawan yang cukup untuk mengimbangi

(34)

putaran dari generator tersebut maka generator akan kembali stabil setelah ayunan pertama dan kembali ke titik kerjanya dalam waktu kurun 0.5 detik, tetapi jika tidak maka putaran rotro generator akan melambat dan menyebabkan generator kehilangan daya dan menjadi tidak stabil.

2.4 Dinamika Rotor dan Persamaan Ayunan[2][1][4]

Pada dasarnya persamaan dari pengaturan gerakan satu mesin rotor merupakan prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa torsi percepatan (accelerating torque) merupaka hasil perkalian dari percepatan sudut dan momen kelembaman (inertia) rotor. Pada sistem meter-kilogram-second (MKS) persamaannya dapat dituliskan sebagai :

J^𝑑²^𝜃^𝑚

𝑑𝑡² = 𝑇𝑎 = 𝑇𝑚- 𝑇𝑒 (2.1) Dimana:

J Momen inersia total dari massa rotor dalam kg-𝑚²

𝜃_𝑚 Pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu sumbu yang diam dalam radian mekanis (rad)

𝑇_𝑒 Momen putar elektris atau elektromagnetik, (N-m) 𝑇𝑎 Momen putar kecepatan percepatan bersih (net), (N-m)

𝑡 Waktu dalam detik (s)

𝑇_𝑚 Momen putar mekanis atau poros penggerak yang diberikan oleh prime mover dikurangi dengan momen putar perlambatan (retarding) yang disebabkan oleh rugi-rugi perputaran (N-m)

Dari persamaan (2.1) diatas jika torsi mekanis 𝑇𝑚 dianggap positif pada generator sinkron, maka mempunyai kecenderungan untuk mempercepat rotor dalam arah putaran 𝜃_𝑚 yang positif. Jika 𝑇_𝑚 bernilai negatif, maka hal tersebut menandakan bahwa 𝑇_𝑚 memiliki kecenderungan untuk memperlambat rotor dalam arah putaran 𝜃𝑚 yang positif. Jika 𝑇_𝑚 sama dengan 𝑇_𝑒 dan 𝑇_𝑎 sama dengan nol untuk generator yang bekerja dalam keadaan tetap (steady state), tidak ada percepatan atau perlambatan terhadap massa rotor. Massa yang berputar meliputi rotor dari generator dan prime mover berada dalam keadaan sinkron dalam sistem daya tersebut.

(35)

Gambar 2.3 Representasi Rotor Generator dengan Arah Rotasi dari Torsi Mekanik dan Torsi Elektrik

Karena 𝜃_𝑚 diukur dengan sumbu referensi stasioner pada stator, yang merupakan ukuran mutlak dari sudut rotor, maka untuk mengukur posisi sudut rotor terhadap sumbu referensi yang berputar pada kecepatan sinkron, yang dapat didefinisikan sebagai berikut :

𝜃𝑚 = 𝜔𝑠𝑚𝑡 + 𝛿𝑚 (2.2)

Dimana, 𝜃𝑚 adalah pergeseran sudut rotor dalam satuan radian terhadap sumbu yang berputar dengan kecepatan sinkron. 𝜔_𝑠𝑚 merupakan kecepatan sinkron mesin dalam radian/detik. Dan 𝛿𝑚 adalah sudut pergeseran rotor dalam mechanical radian.

Penurunan persamaan (2.2) diatas dapat didefinisakan sebagai :

𝑑𝜃_𝑚

𝑑𝑡 = 𝜔𝑠𝑚 + ^𝑑𝛿^𝑚

𝑑𝑡 (2.3)

𝑑²𝜃_𝑚 𝑑𝑡² = ^𝑑

2𝛿_𝑚

𝑑𝑡² (2.4)

Persamaan (2.3) menunjukkan bahwa kecepatan sudut rotor ^𝑑𝜃^𝑚

𝑑𝑡

adalah konstan dan kecepatan sinkron hanya saat ^𝑑𝛿^𝑚

𝑑𝑡 adalah nol.

Persamaan (2.4) merepresentasikan percepatan rotor diukur pada

(36)

mechanical radian per detik kuadrat. Dengan mensubtitusikan persamaan (2.4) pada (2.1), maka didapatkan :

J^𝑑

2𝛿_𝑚

𝑑𝑡² = 𝑇𝑎 = 𝑇𝑚- 𝑇𝑒 N-m (2.5) Untuk mempermudah persamaan kecepatan sudut rotor didefinisiakan sebagi berikut:

𝜔𝑚 = ^𝑑𝜃^𝑚

𝑑𝑡 (2.6)

Menurut prinsip dasar dinamika rotor yang menyatakan bahwa daya (P) adalah perkalian antara torsi dengan kecepatan sudut, maka jika persamaan (2.5) dikalikan dengan 𝜔_𝑚 akan didapatkan persamaan sebagai berikut :

J𝜔_𝑚^𝑑²^𝛿^𝑚

𝑑𝑡² = 𝑃_𝑎 = 𝑃_𝑚- 𝑃_𝑒W (2.7) Dimana,

𝑃_𝑚 : Daya mekanis 𝑃_𝑒 : Daya elektrik

𝑃𝑎 :Daya percepatan yang menyumbang ketidakseimbangan diantara keduanya

Koefisien J𝜔𝑚 adalah momentum sudut rotor pada kecepatan sinkron 𝜔_𝑠𝑚 dan dinotasikan dengan M (konstanta inersia mesin).

Satuan M adalah joule-seconds per mechanical radian, sehingga persamaan juga dapat dituliskan dalam bentuk sebagai beikut:

M^𝑑²^𝛿^𝑚

𝑑𝑡² = 𝑃𝑎 = 𝑃𝑚– 𝑃𝑒 W (2.8) Dalam data mesin untuk studi stabilitas transien terdapat suatu konstanta yang sering dijumpai yaitu inersia mesin (H) yang didefinisikan dengan,

H = ^𝑃^{𝑘𝑖𝑛𝑒𝑡𝑖𝑠} (𝑀𝑒𝑔𝑎𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒) 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑘𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑠𝑖𝑛𝑘𝑟𝑜𝑛

𝑟𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑚𝑒𝑠𝑖𝑛 ( 𝑀𝑉𝐴) (2.9)

(37)

H =

1 2 𝐽𝜔_𝑠𝑚² 𝑆_{𝑚𝑎𝑐ℎ} = =

1 2 𝑀𝜔_𝑠𝑚

𝑆_{𝑚𝑎𝑐ℎ} MJ/MVA (2.10) Dimana 𝑆𝑚𝑎𝑐ℎ adalah rating 3 fase dari mesin dalam MVA.

Dengan menyelesaikan persamaan untuk mendapatkan nilai M pada persamaan (2.10), didapatkan :

M = ^{2 𝐻}

𝜔_𝑠𝑚𝑆𝑚𝑎𝑐ℎ MJ/mech rad (2.11) Dengan mensubstitusikan M di persamaan (2.8), didapatkan :

2 𝐻 𝜔_𝑠𝑚

𝑑²𝛿_𝑚 𝑑𝑡² = ^𝑃^𝑎

𝑆_{𝑚𝑎𝑐ℎ} = ^𝑃^𝑚^{− 𝑃}^𝑒

𝑆_{𝑚𝑎𝑐ℎ} (2.12) 𝛿𝑚memiliki satuan mechanical radian pada persamaan (2.12), dimana 𝜔_𝑠𝑚 memiliki satuan mechanical radians per second. Oleh sebab itu persamaan dapat ditulis sebagai :

2 𝐻 𝜔_𝑠

𝑑²𝛿

𝑑𝑡² = 𝑃𝑎 = 𝑃𝑚− 𝑃𝑒 per unit (2.13) Dengan 𝜔𝑠 = 2𝜋f, maka persamaan (2.13) menjadi,

𝐻 𝜋f

𝑑²𝛿

𝑑𝑡² = 𝑃_𝑎 = 𝑃_𝑚− 𝑃_𝑒 (2.14) Saat 𝛿 dalam electrical radians,

𝐻 180f

𝑑²𝛿

𝑑𝑡² = 𝑃𝑎 = 𝑃𝑚− 𝑃𝑒 (2.15) Persamaan (2.15) menjelaskan swing equation mesin berupa persamaan dasar yang mengatur dinamika rotasi dari mesin sinkron pada studi stabilitas.

2.5 Hal yang Mempengaruhi Kestabilan 2.5.1 Short circuit

(38)

Gangguan hubung singkat (short circuit) sering terjadi dalam sistem tenaga listrik. Penyebab dari gangguan ini antara lain disebabkan oleh sambaran petir, kegagalan isolasi, gangguan binatang ataupun pohon. Saat terjadi hubung singkat, arus yang mengalir ke titik gangguan akan semakin besar, akibatnya terjadi penurunan secara signifikan tegangan disekitar gangguan. Semakin besar gangguan hubung singkatnya maka semakin besar arus yang mengalir pada titik gangguan, sehingga tegangan akan semakin kecil. Apabila terjadi secara terus menerus akan mengakibatkan kerusakan peralatan pada sistem karena arus yang terlalu besar.

2.5.2 Generator outage

Gangguan generator outage atau generator lepas jarang terjadi pada sistem tenaga listrik, dikarenakan penyebab utama bukan dari pembangkitan itu sendiri tapi dari segi mekanis lainnya. Penyebab utama dari gangguan ini yaitu salah satunya adanya pembebanan yang berlebih maupun pelepasan beban secara tiba-tiba. Kedua hal tersebut membuat putaran dari rotor generator akan mengakami percepatan atau perlambatan secara mendadak. Apabila hal ini terjadi secara terus menerus dalam kurum waktu yang lama, maka generator dapat kehilangan sinkronisasi dan mengakibat keluar dari sistem. Keluarnya salah satu pembangkitan pada suatu sistem interkoneksi akan mengakibatkan respon dari sistem akan mengalami perubahan, sehingga akan menurunnya kehandalan dalam sistem tersebut dan merusak peralatan lainnya.

2.6 Metode Mempertahankan Kestabilan Sistem dari Gangguan[1]

1. Menaikkan Konstanta Inersia Generator

Menaikkan konstanta inertia dalam waktu tertentu akan mengurangi penambahan perubahan sudut δ. Semakin besar konstanta inersia mesin, maka akan semakin stabil suatu sistem. Namun hal itu membuat ukuran- ukuran mesin akan semakin besar, yang artinya memerlukan biaya yang besar sehingga tidak ekonomis dalam prakteknya.

2. Menaikkan Tegangan Generator

Pada saat sebelum mengalami gangguan generator mensuplai daya tertentu dengan besar sudut δ0, dengan menaikkan nilai tegangan pada generator, maka akan memperbesar daya yang disalurkan genarator, sehingga memperkecil sudut δ⁰. Semakin kecilnya sudut δ⁰, jika terjadi

(39)

gangguan, generator dapat berayun lebih lama sebelum sudut kritis kestabilan tercapai. Dengan menaikkan nilai tegangan tersebut, maka perlu memperhitungkan isolasi untuk generator, yang artinya penambahan biaya untuk instalasi generator tersebut, sehingga cara ini relatif kurang ekonomis dalam prakteknya.

3. Menggunakan Peralatan Pemutus Rangkaian Yang Cepat (High Speed Recloser)

Semakin cepat gangguan pada sistem diredam, maka kestabilan sistem tersebut semakin baik. Sesuai kriteria sama luas, sistem hanya akan stabil jika luasan daerah peredaman lebih besar atau sama dengan luas daerah percepatan, dan yang menentukan besarnya masing-masing luasan ini adalah waktu pemutusan saluran yang mengalami gangguan.

Semakin cepat waktu pemutusan, maka luasan daerah percepatan akan semakin kecil, sehingga syarat suatu sistem untuk tetap stabil setelah mengalami gangguan terpenuhi.

4. Menurunkan Reaktansi Seri Saluran

Menurunkan reaktansi seri saluran, dapat memperbesar daya yang disalurkan oleh generator, sehingga dapat meningkatkan stabilitas transien sistem.

2.7 Standar yang berkaitan dengan Kestabilan Transien 2.7.1 Standar UnderVoltage

Standar yang digunakan untuk undervoltage mengacu pada standar PLN, hal ini dikarenakan sistem yang dianalisa adalah kelistrikan Kalimantan mengacu pada standar tersebut. Undervoltage sendiri merupakan penurunan tegangan hingga 90 persen dengan durasi lebih lama dari satu menit. Penurunan tegangan ini diakibatkan beberapa hal yaitu adanya gangguan pada sistem atau pembebanan yang berlebihan.

Berikut standar yang digunakan untuk tugas akhir ini pada kondisi normal.

Tabel 2.1 Standar tegangan menurut PLN Tegangan (kV) Overvoltage Undervoltage

500 +5% -5%

150 +5% -10%

70 +5% -10%

20 +5% -10%

(40)

2.7.2 Standar Frekuensi

IEEE C37.106-2003 (Revision of ANSI/IEEE C37.106-1987), merupakan standar yang digunakan untuk operasi abnormal pada pembangkit. Penggerak utama generator seringkali lebih rentan terhadap operasi frekuensi off. Standar ini digunakan untuk sistem yang berfrekuensi 60 Hz, untuk itu perlu koversi standar frekuensi menjadi 50 Hz. Berikut ini ditunjukkan pada gambar 2.2 operasi abnormal untuk steam turbin, dimana daerah batas untuk operasi kontinyu dari turbin uap antara 59.5 Hz dan 60.5 Hz. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa daerah operasi untuk steam turbin hanya diperbolehkan dengan frekuensi 49.5 Hz hingga 10 detik. Daerah terlarang pada gambar yakni daerah yang diarsir, dimana pada daerah tersebut nilai frekuensi yang terlarang dengan batas waktu tertentu.

Tabel 2.2 Standar Frekuensi

Underfrequency limit Overfrequency limit Minimum time

50 – 49.583 Hz . 50 – 50.417 Hz . N/A (continuous operating range) 49.5 – 48.75 Hz . 50.5 – 51.25 Hz . 3 minutes . 48.667 – 48.25 Hz . 51.333 – 51.417 Hz . 30 seconds .

48.167 – 47.833 Hz . 7.5 seconds .

47.75 – 47.417 Hz . 45 cycles .

47.333 – 47.083 Hz . 7.2 cycles .

Less than 47 Hz . Greater than 51.417 Hz Instantaneous trip .

2.7.3 Standar Voltage Sagging[5]

Gangguan kestabilan transien mengakibatkan beberapa faktor sistem mengalami perubahan, salah satunya adalah kedip tegangan atau dikenal sebagai voltage sagging. Kedip tegangan sendiri dapat di definisikan sebagai penurunan tegangan efektif terhadap harga nominalnya selama interval waktu. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi kedip tegangan seperti motor starting, pembebanan sistem yang berlebih atau adanya gangguan pada sistem. Untuk itu

(41)

diberikan standar untuk kedip tegangan yang diizinkan, yaitu dalam tugas akhir ini menggunakan standar SEMI F47 sebagai acuan.

Tabel 2.3 Standar Voltage Sag berdasarkan SEMI F47

VOLTAGE SAG DURATION VOLTAGE SAG

Second (s) Milliseconds (ms)

Cycles at 60

hz Cycles at 50 hz

Percent (%) of Equipment Nominal Voltage

<0.05 s <50 <3 <2.5 Not specified 0.05 to 0.2 s 50 to 200 3 to 12 2.5 to 10 50%

0.2 to 0.5 s 200 to 500 12 to 30 10 to 25 70%

0.5 to 1.0 s 500 to 1000 30 to 60 25 to 50 80%

>1.0 s >1000 >60 >50 Not specified

(42)

(43)

3 BAB III

DATA DAN METODOLOGI

Pada bab ini akan dibahas mengenai sistem dan data. Data yang dimaksut meliputi data saluran seperti jarak serta impedansi, data pembangkitan yang dioperasikan dan data beban tiap per dua tahun dari tahun 2022 hingga 2026, hal ini berdasarkan RUPTL tahun 2017-2026.

Pembangkit yang digunakan untuk level tegangan 275kV akan mulai dioperasikan pada tahun 2022, sehingga melakukan simulasi dan study case dimulai pada tahun 2022. Metodologi digunakan untuk mempermudah simulasi serta menganalisa data yang telah diperoleh, serta mempermudah memahami Tugas Akhir ini.

3.1 Sistem Kelistrikan Kalimantan 275kV tahun 2022, 2024 dan 2026

Sistem kelistrikan Kalimantan merupakan sistem yang terinterkoneksi. Pada Tugas Akhir ini akan dibahas sistem interkoneksi Kalimantan dengan Jalur Selatan, meliputi Kalimantan Barat, Kalimantan Selatan-Tengah dan Kalimantan Timur-Utara berlevel tegangan 275kV. Gambaran single line diagram backbone dari sistem ini ditunjukkan pada gambar 3.1. Untuk gambaran single line diagram pada masing-masing area terlampir (lampiran A).

Sei Raya 275 kV Banjarmasin 275 kV

Kalimantan Barat 150 kV

Ketapang 275 kV Sampit 275 kV Palangkaraya 275 kV

Kalimantan Timur - Utara 150 kV

Balikpapan 275 kV Samarinda 275 kV Bontang 275 kV Tanjung Redep 275 kV

Kalimantan Selatan - Tengah 150 kV

Gambar 3.1 Single line diagram backbone

(44)

3.2 Data Saluran Backbone Sistem Interkoneksi Kalimantan Jalur Selatan

Data saluran dan data bus digunakan sebagai masukan parameter pada sistem ketika melakukan simulasi. Data dari saluran meliputi data impedansi dan jarak yang ditunjukkan pada tabel 3.1 untuk tegangan 275 kV dan untuk data saluran tegangan 150 kV terlampir (lampiran B).

Tabel 3.1 Data Saluran sistem interkoneksi backbone Kalimantan 275kV

Dari Bus Ke Bus

Jarak

(km) R' X' B'

Sei Raya Ketapang 230 0.0383 0.31 3.55623

Ketapang Sampit 287 0.0383 0.31 3.55623

Sampit Palangkaraya 110 0.0383 0.31 3.55623

Palangkaraya Banjarmasin 180 0.0383 0.31 3.55623 Palangkaraya Bnajarmasin 180 0.0383 0.31 3.55623

Banjarmasin Balikpapan 370 0.0383 0.31 3.55623

Balikpapan Samarinda 95 0.0383 0.31 3.55623

Samarinda Bontang 85 0.0383 0.31 3.55623

Bontang Tanjung Redep 40 0.0383 0.31 3.55623

3.3 Kapasitas Pembangkit Kalimantan tahun 2022, 2024 dan 2026 Data kapasitas pembangkit yang digunakan pada sistem kelistrikan Kalimantan berdasarkan RUPTL tahun 2017-2026 dan Masterplan dapat ditunjukkan pada tabel 3.2 berikut ini.

(45)

Tabel 3.2 Data Pembangkitan Kelistrikan Kalimantan

Pembangkit Kapasitas (MW)

P (MW)

2022 2024 2026

Kalbar 1-1 100 50 50 55

Kalbar1-2 100 55 55 60

Kalbar 2-1 100 40 35 42

Kalbar 2-2 100 OFF 40 40

Kalbar 3-1 65 OFF 35 50

Kalbar 3-2 65 OFF OFF 40

Kalbar 4-1 100 OFF 55 60

Kalbar 4-2 100 OFF 50 60

Kalbar Peaker 1 25 20 20 22

MPP Kalbar 25 20 22 22

MPP Kalbar 1 25 20 20 22

MPP Kalbar 2 25 20 17 20

MPP Kalbar 3 25 20 20 22

P. Kura-Kura 1 25 20 20 10

P. Kura-Kura 2 25 20 17 23

Parit Baru 1 50 30 20 30

Parit Baru 2 50 30 25 25

Parit Baru 3 50 27 25 35

Parit Baru 4 50 30 25 35

(46)

Tabel 3.2 Data Pembangkitan Kelistrikan Kalimantan (Lanjutan I)

P (MW)

2022 2024 2026

Serawak 2 100 55 60 50

Serawak 3 100 65 60 65

Asam-Asam 1 65 50 50 60

Asam-Asam 2 65 45 45 55

Asam-Asam 3 65 35 35 50

Asam-Asam 4 65 37 35 45

Bangkanai 50 35 35 40

Bangkanai 1 50 35 30 35

Bangkanai 2 50 25 25 20

Bangkanai 3 50 30 30 27

Bangkanai 4 40 20 20 20

Bangkanai 5 25 15 10 15

Bangkanai 6 25 15 10 15

Kalsel 2 100 OFF 40 50

Kalsel 2 100 OFF 45 50

Kalsel FTP 1 100 55 55 60

Kalsel FTP 2 100 60 65 80

Kalsel Peaker 200 OFF 75 80

Kalsel Peaker 200 OFF 80 85

Kalsel 3 100 80 85 80

Kalsel 3 100 80 75 90

Kalsel 1 100 65 75 80

Kalsel 1 100 70 80 80

PULPIS 1 65 50 45 55

PULPIS 2 65 50 45 55

Riam Kanan 100 60 60 65

(47)

Tabel 3.2 Data Pembangkitan Kelistrikan Kalimantan (Lanjutan II)

P (MW)

2022 2024 2026

Sampit 25 OFF 15 15

Cogindo 25 20 15 20

Cogindo 25 17 15 17

Embalut 25 20 20 20

Embalut 25 17 15 15

Embalut

Ekspansi 50 35 35

40

Kaltim 4 100 40 55 60

Kaltim 4 100 55 60 65

Kaltim MT 100 45 50 45

Kaltim MT 100 55 50 55

Kaltim MT#5 25 17 15 20

Kaltim FTP 100 65 75 80

Kaltim FTP 100 55 60 70

Kaltim Peaker 100 27 25 45

Kaltim Peaker 100 30 25 40

Kaltim Peaking 60 45 35 40

Kaltim Peaking 60 40 35 45

MPP Kaltim 25 15 17 17

MPP Kaltim 25 15 10 15

Samberah 20 15 17 17

Samberah 20 15 15 15

Senipah 60 40 40 45

Senipah Steam 40 27 25 36

Sinar Mas 200 75 70 90

(48)

Tabel 3.2 Data Pembangkitan Kelistrikan Kalimantan (Lanjutan III)

P (MW)

2022 2024 2026

Tabang 100 OFF 45 45

Tabang 100 OFF 45 60

Teluk

Balikpapan 100 70 70

75 Teluk

Balikpapan 100 65 60

65

3.4 Data Beban Kalimantan tahun 2022, 2024 dan 2026

Data kapasitas beban yang digunakan pada sistem kelistrikan Kalimantan ini berdasarkan RUPTL tahun 2017-2026. Beban pada kelistrikan Kalimantan ini memiliki total 114 beban. Beban ini berupa beban GI (Gardu Induk) di setiap daerah di Kalimantan. Data kapasitas beban ini terlampir (lampiran B).

3.5 Metodologi Simulasi

Metodologi diperlukan sebelum memasuki tahap simulasi dan analisa. Hal ini dikarenakan dalam metodologi meliputi hal-hal yang diperlukan untuk simulasi dan hasil seperti apa yang diharapkan.

Metodologi yang digunakan dalam tugas akhir ini meliputi, Berdasarkan gambar yang ditunjukkan oleh gambar 3.2 maka metodologi tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Pengumpulan data-data berdasarkan sistem kelistrikan Kalimantan 275 kV. Data-data tersebut meliputi data pembangkitan, data saluran dan data beban. Setelah pengumpulan data tersebut, maka langkah selanjutnya yaitu pembuatan single line diagram menggunakan software DIgSILENT, yang kemudian dilakukan simulasi aliran daya untuk mengetahui sistem dalam kondisi normal atau tidak.

2. Sebelum melakukan simulasi transien, maka menentukan studi kasus yang akan digunakan untuk analisa transien tersebut.

Kemudian dilakukan simulasi transien berdasarkan studi kasus yang telah ditetapkan. Studi kasus transien meliputi generator outage dan short circuit.

3. Dari hasil simulasi transien, maka akan dianalisa dari respon sudut rotor, respon tegangan dan respon frekuensi. Ketiga

(49)

respon tersebut juga akan diamati terhadap perubahan waktu yang telah ditentukan, apakah sistem akan kembali stabil atau tidak. Untuk mengetahui sistem tersebut stabil atau tidak, maka mengacu pada standar yang telah ditetapkan.

4. Hasil simulasi dan hasil data yang telah diamati, maka akan ditarik kesimpulan mengenai kondisi kestabilan akibat gangguan transien pada sistem kelistrikan Kalimantan berlevel tegangan 275 kV.

Start

Pengumpulan Data

Pemodelan Sistem Menggunakan Software DIgSILENT Power Factory

Input data Generator, Transformator,Transmisi

dan Beban

Analisis Load Flow Menggunakan Newton-Raphson

Analisis Kestabilan Transien

Stabil;

V= 275kV,ꜛ+5%,ꜜ-5%;

V= 150kV,ꜛ+5%,ꜜ-10%;

F= 50,5 – 49,5;

Sistem Stabil

Stop Ya

Tidak

Gambar 3.2 Flowchart metodologi

(50)

(51)

4 BAB IV

HASIL SIMULASI DAN ANALISIS

4.1 Pemodelan Sistem Kelitrikan Kalimantan

Berdasarkan data-data yang telah ada maka dilakukan pemodelan sistem dalam bentuk Single Line Diagram sistem kelistrikan Kalimantan 275 kV berdasarkan RUPTL 2017-2026 dan Masterplan menggunakan software DIgSILENT. Selanjutnya akan dilakukan studi aliran daya untuk memastikan sistem dalam keadaan normal. Setelah melakukan studi aliran daya, maka akan dilakukan simulasi dan analisis kestabilan transien dengan beberapa kasus yang menyebabkan hal tersebut terjadi. Analisis kestabilan transien yang akan dilakukan antara lain meliputi generator outage dan short circuit.

4.2 Studi Kasus Kestabilan Transien

Pada simulasi ini akan dilakukan analisis kestabilan transien dengan permasalahan terkait, yitu generator outage dan short circuit.

Adapun beberapa parameter-parameter yang harus diperhatikan dalam analisis kestabilan transien ini meliputi respon sudut rotor, tegangan dan frekuensi pada sistem sebelum gangguan, pada saat gangguan serta setelah sistem mengalami gangguan.

Studi kasus yang akan dilakukan pada simulasi ini adalah sebagai berikut.

1. Generator outage : pada studi kasus ini akan disimulasikan 3 generator yang terlepas dari sistem setiap tahunnya. Generator tersebut diambil pada setiap area yaitu, area Kalimantan Barat, area Kalimantan Selatan-Tengah dan area Kalimantan Timur- Utara saat sedang interkoneksi dengan backbone 275 kV.

2. Short circuit : pada studi kasus ini akan disimulasikan line dan bus pada backbone 275 kV terjadi gangguan.

Tabel 4.1 Studi Kasus Generator outage

Kasus Tahun Keterangan Aksi

Kasus 1 2022 Generator outage Kaltim Peaker

Generator Kaltim Peaker 1 trip

Kasus 2 2022 Generator outage Kalsel FTP 1

& 2

Generator Kalsel FTP 1 &

2 trip Kasus 3 2024

Generator outage Kalsel FTP Generator Kalsel FTP trip

(52)

Tabel 4.1 Studi Kasus Generator outage (Lanjutan I)

Kasus Tahun Keterangan

Aksi Kasus 4 2024 Generator outage Kalbar 1-1 & 1-

2

Generator Kalbar 1-1 & 1- 2 trip

Kasus 5 2026

Generator outage Kalbar 2-1 Generator Kalbar 2-1 trip Kasus 6 2026 Generator outage Kaltim 4-1 & 4-

2

Generator Kaltim 4-1 & 4- 2 trip

Tabel 4.2 Studi Kasus Short circuit

Kasus Tahun Keterangan Aksi

Kasus 1 2022

Hubung Singkat saluran

backbone Balikpapan-Samarinda 3 phase fault

Trip satu saluran dari dobel sirkit

CB antara saluran Balikpapan-Samarinda open

Kasus 2 2022

Hubung Singkat bus Ketapang

275 kV 3 phase fault

Trip bus Ketapang

CB terhubung bus Ketapang open

Kasus 3 2024

Hubung singkat saluran backbone

Bontang-Tanjung Redep 3 phase fault

CB antara saluran Bontang-Tanjung Redep open

Kasus 4 2024

Hubung Singkat bus Bontang 275

kV 3 phase fault

Trip bus Bontang

CB terhubung bus Bontang open

Kasus 5 2026

Hubung Singkat saluran

backbone Sei Raya-Ketapang 3 phase fault Trip satu saluran dari dobel sirkit

CB antara saluran Sei Raya-Ketapang open

Kasus 6 2026

Hubung Singkat bus Banjarmasin

275 kV 3 phase fault

Trip bus Banjarmasin

CB terhubung bus Banjarmasin open

Kasus 7 2026

Hubung Singkat saluran Asam-

Mantuil 150kV 3 phase fault

CB antara saluran Asam- Mantuil open

Pada gangguan generator outage, bus yang digunakan sebagai parameter kestabilan transien yaitu :