Abstrak—Stabilitas adalah salah satu parameter yang paling penting dalam perencanaan dan operasi sistem tenaga listrik. Stabilitas dipertahankan pada kondisi tertentu sehingga diperoleh perencanaan dan operasi sistem tenaga listrik yang baik. Namun, kenaikan konsumsi energi listrik mengakibatkan gangguan stabilitas pada sistem. Salah satu jenis gangguan stabilitas pada sistem tenaga listrik dengan skala besar adalah voltage collapse. Beberapa faktor yang menyebabkan voltage collapse adalah stress pada sistem yang diakibatkan oleh penambahan beban yang berlebih. Kurva PV merupakan tool untuk menentukan nilai stabilitas tegangan dan nilai voltage collapse. Pada tugas akhir ini diusulkan sebuah metode pendekatan Radial Equivalent Independent (REI) DIMO untuk mereduksi jaringan transmisi sehingga diperoleh nilai impedansi pengganti. Nilai impedansi pengganti tersebut merupakan rangkaian pengganti antara generator dan beban. Berdasarkan pengujian dengan menggunakan plant Jawa Bali 500 kV didapatkan nilai kapasitas maksimum daya yang dibangkitkan pada tiap generator.
Kata Kunci—Kurva P-V, REI-DIMO, Voltage Collapse
I. PENDAHULUAN
tabilitas sistem tenaga listrik menjadi perhatian khusus dalam mengamankan operasi sistem tenaga. Banyak kejadian listrik mati total disebabkan oleh ketidakstabilan sistem tenaga. Kejadian ini telah menunjukkan bahwa stabilitas sistem tenaga menjadi fenomena penting. Permasalahan pada sistem tenaga listrik berhubungan dengan cara kerja mesin sinkron setelah mengalami gangguan. Pada sistem tenaga listrik ideal, energi listrik disalurkan dalam frekuensi tunggal yang konstan dan pada level tegangan yang konstan pula, hal tersebut dikatakan bahwa sistem berada dalam keadaan stabil. Salah satu faktor yang menyebabkan suatu sistem menjadi tidak stabil yaitu adanya voltage collapse pada sistem tersebut. Ada beberapa faktor yang dapat menyebabkan timbulnya voltage collapse diantaranya stress pada sistem yang diakibatkan pembebanan daya aktif yang besar pada sistem, suatu sistem tenaga listrik akan mengalami ketidakstabilan tegangan akibat adanya voltage collapse jika setelah terjadinya gangguan, keseimbangan tegangan yang paling dekat dengan beban berada di bawah batas nilai kestabilan tegangan. Voltage collapse dapat menyeluruh (blackout) atau sebagian. Kestabilan dapat menjaga kualitas daya yang dibangkitkan hingga sampai pada konsumen tetap baik.
Salah satu metode untuk menyelesaikan permasalahan stabilitas sistem tenaga listrik adalah pendekatan Radial Equivalent Independent (REI) dimo [7], Berdasarkan referensi [5] dan [6] maka dapat dilakukan
penelitian tentang pendekatan Radial Equivalent Independent (REI) dimo dalam menyelesaikan stabilitas.
Hubungan antara perubahan P terhadap V, lebih dikenal dengan istilah kurva P-V, bahwa pada saat terjadi peningkatan daya aktif di beban maka tegangan akan mengalami penurunan. Penambahan daya aktif ini memiliki batas maksimum. Jika batas maksimum ini terlampaui maka tegangan akan menjadi tidak stabil (voltage collapse).
II. TEORI PENUNJANG
A. Stabilitas Tegangan
Stabilitas tegangan adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk memperbaiki tegangannya pada level yang dapat diterima pada keadaan mantap pada semua bus dalam kondisi operasi normal dan setelah sistem menerima gangguan (Kundur, 1994). Sistem memasuki keadaan instabilitas tegangan ketika terjadi gangguan, kenaikan permintaan beban atau perubahan kondisi sistem yang mengakibatkan penurunan tegangan secara progresif dan tidak terkendali. Faktor utama yang menyebabkan terjadinya instabilitas adalah ketidak-mampuan dari STL untuk memenuhi kebutuhan daya aktif pada jaring tersebut. Untuk keperluan analisis, klasifikasi stabilitas tegangan dapat dibagi menjadi dua subkelas yaitu: stabilitas tegangan akibat gangguan kecil dan gangguan besar.
B. Voltage Collapse
Voltage Collapase adalah sebuah fenomena yang selalu muncul bila adanya beban yang sangat besar pada sistem tenaga listrik. Keadaan ini dapat muncul dalam bentuk peristiwa yang berurutan secara bersamaan dengan ketidakstabilan tegangan yang dapat menyebabkan terjadinya pemadaman (blackout) atau tegangan yang beroperasi pada level dibawah batas pengoperasiannya sehingga menjadi sebuah bagian yang penting dari sistem tenaga.karena sifat yang nonlinier dari sebuah jaringan sistem kelistrikan
C. Kurva P-V
Kurva P-V sangat berguna untuk analisis stabilitas dan tegangan untuk sistem, di mana P adalah beban total dan V adalah tegangan kritis pada bus. P juga bisa transfer daya antara transmisi atau interkoneksi. tegangan pada beberapa bus dapat diplot. Untuk analisis kurva P-V pada saat karakteristik beban sebagai fungsi dari tegangan. Kurva P-V menunjukkan titik lokus dari tegangan menurun sebagai titik kritis.Titik ini menunjukkan kinerja beban maksimum pada untuk batas kestabilan tegangan.
Pengembangan Metode Pembuatan Kurva P-V
Untuk GI 500 kV Dalam Rangka Mengantisipasi
Voltage Collapse
Rusda Basofi, Adi Soeprijanto, Rony Seto Wibowo
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: adisup@ee.its.ac.id, ronyseto@ee.its.ac.id
Gambar 1. Zero Power Balance Network
D. Persamaan REI-DIMO
Sistem tenaga terdiri dari linier sub-system, yaitu jalur transmisi, transformator, reactor, kapasitor dan admintansi bus ke tanah (line charging dan tap transformator) dan non linier sub-system seperti generator, beban dan kondensator sinkron. Bus dapat dibagi menjadi bus non-essential, yang harus dihilangkan dan bus essential, yang harus dipertahankan tidak berubah. Jaring transmisi tidak dapat direduksi dengan menerapkan transformasi stardelta karena sifat nonlinier dari bus yang disuntikan daya aktif dan reaktif. Pada umumnya, model yang setara harus memenuhi beberapa hal dibawah ini:
1. Dilihat dari batas-batasnya, ekivalen harus akurat dan terpercaya mewakili prilaku sistem tenaga
2. Model reduksi harus menghasilkan sedekat mungkin sifat fisik dari sistem tenaga
3. Ekivalen harus sesuai dengan prosedur komputasi yang digunakan untuk memecahkan masalah subsequent
4. Ekivalen harus memastikan bahwa solusi matematik layak diperoleh
Diantara berbagai teknik solusi yang diusulkan dalam literatur, metodologi REI-Dimo menonjol karena konsep yang sangat unik dari injeksi linearizing jenis yang sama dengan menggantikan jaring transmisi dengan admintansi konstan, kemudian mengelompokan jaring transmisi ke dalam single injeksi non linier diterapkan ke bus fiktif yang disebut REI bus. Proses ini dimungkinkan untuk memperkenalkan jaring fiktif, antara bus yang akan dihilangkan dan bus REI fiktif, yang linier, tidak memiliki rugian dan dapat dihilangkan dengan reduksi Gaussian. Jaring ini disebut zero power balance network dan mewakili konsep utama dalam REI-DIMO. Paul Dimo memperkenalkan zero power balance network bertujuan untuk menggabungkan sistem beban ke pusat beban tunggal fiktif sambil mempertahankan sifat dan keseimbangan daya dasar. Metode Dimo telah sukses diterapkan untuk menghitung batas pembebanan secara real time [8], metode ini dikenal di industri sebagai REI dan telah terbukti akurat jika individu bus beban bervariasi dengan beban total sistem. Gambar 1 memperlihatkan sebuah contoh langkah demi langkah numerik yang menggambarkan proses membangun zero power balance network. Sifat radial dari REI memenuhi salah satu aturan penerapan daya reaktif stabilitas steady
state (stabilitas tegangan). Dimo mengembangkan dengan rumus ssebagai berikut :
(1)
Dalam pendekatan ini, bagian yang nyata diwakili oleh nilai MW, sedangkan bagian reaktif bevariasi dengan kuadrat tegangan sesuai dengan
(2)
Dengan nilai Qload yang dihitung ulang di setiap langkah dengan mempertimbangkan struktur beban konstan, cos Ø tetap.
III. IMPLEMENTASI REI-DIMO PADA SISTEM KELISTRIKAN JAWA-BALI 500 KV
Dalam bagian ini, dijelaskan prosedur untuk menyelesaikan penelitian yang terbagi dalam beberapa urutan seperti pada Gambar 2 Langkah awal penelitian ini dimulai dengan studi literatur, mengumpulkan data semua parameter sistem termasuk data pembangkit, transmisi dan beban. Selanjutnya transmisi diubah menjadi bentuk REI net [5]. Untuk mengubah sistem transmisi yang memiliki banyak bus sehingga menjadi satu bus beban digunakan metode Dimo. Metode ini dipilih karena lebih memperhatikan pengaruh model generator dalam penyelesaiannya. Nilai internal reaktansi generator telah dimasukkan dalam analisa steady state stability
Gambar 2. metode penelitian
Data sistem tenaga listrik
Jalankan load flow
Tentukan bus beban
Tentukan bus beban netral fiktif
Tentukan arus dari bus beban ke bus netral fiktif
Tentukan bus load center
Tentukan arus yang mengalir ke bus load center mulai
Hubungkan bus beban ke bus netral fiktif dengan Ybus
Hitung daya yang menuju bus netral fiktif
Hitung nilai impedansi Z load center
Ubah impedansi Z menjadi admitansi Y
Tentukan tegangan load center
Tentukan matrix Y bus baru
Reduksi Y bus dengan gaussian
Analisa batas kestabilan
A. Prosedur Radial Equivalent Independent (REI) DIMO
1. Data sistem tenaga listrik
2. Jalankan load flow untuk mendapatkan tegangan dan sudut tegangan.
3. Menentukan bus beban 4. Menentukan bus netral fiktif
5. Menghubungkan bus beban ke bus netral fiktif dengan admintansi Y bus konstan. Persamaan Ybus konstan adalah :
(3)
6. Tentukan arus I dari bus beban ke bus netral fiktif dengan persamaan :
(4)
Dengan:
S*in = Daya nyata konjuktif dari bus I ke bus netral fiktif
Ei = Tegangan Aktif bus i (Ei = V Cos α ) Fi = Tegangan Reaktif bus i (Ei = V Sin α ) 7. Tentukan bus load center
8. Gunakan hukum kirchhoff untuk menentukan arus yang mengalir ke bus load center
9. Hiyung daya yang menuju bus netral fiktif
10. Tentukan nilai impedansi Zlc dari bus neral fiktif ke load center menggunakan persamaan :
(5)
Dengan
Zlc = impedansi load center Rlc = resistansi load center Xlc = reaktansi load center Ilc = arus load center
11. Ubah impedansi Zlc ke dalam bentuk admintansi Ylc
(6)
12. Tentukan tegangan di load center dengan persamaan dengan :
Vlc = tegangan load center Slc = daya nyata load center Ilc = arus load center
13. Susun matrix Ybus REI-DIMO 14. Reduksi matrix Ybus dengan Gaussian
15. Analisa batas steady state Stability dan batas aman tegangan pada bus generator.
Y
-Y
-Y
Ym
Gambar 3. Matrix Ybus 35x35
B. Menyusun Matrix REI-DIMO
Sistem kelistrikan 500 kV jawabali terdiri dari 8 bus generator dan 17 bus beban. Untuk dapat menyusun matrix Ybus pada Gambar 3 menggunakan metode REI-DIMO dibutuhkan ekspansi ukuran matrix Ybus menjadi 35 bus dengan penambahan 8 bus ekspansi dari jumlah bus generator ditambah intermediate ground dan equivalent load
center [3]
Dengan :
Y = Ukuran matrix 9x9 (Xd’ generator + equivalent load
center)
-Y = Ukuran matrix 9x9 (Xd’ generator + intermediate
ground)
Ym = Ukuran matrix 26x26 (modifikasi matrix jawabali)
Setelah membuat matrix Ybus, dilakukan eliminasi gaussian [3] sehingga matrix Ybus menjadi 9x9.
IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS
A. Load Flow Sistem Kelistrikan Jawa-Bali 500 kV
Pada oenelitian ini sistem yang digunakan adalah sistem kelistrikan jawa-bali 500 kV, langkah awal simulasi ini dimulai dengan melakukan study load flow pada Tabel 1. Untuk mendapatkan nilai profil tegangan pada Gambar 4.
Bus Phase [rad] P load [p.u.] Q load [p.u.] P gen [p.u.] Q gen [p.u.] 1 0.000 153.000 45.000 4343.887 1216.640 2 -0.650 703.000 227.000 0.000 0.000 3 -9.464 760.000 261.000 0.000 0.000 4 -8.704 544.000 181.000 0.000 0.000 5 -9.086 697.000 215.000 0.000 0.000 6 -11.018 760.000 181.000 0.000 0.000 7 -10.919 646.000 170.000 0.000 0.000 8 -8.944 0.000 0.000 1470.000 835.227 9 -10.019 823.000 317.000 0.000 0.000 10 -9.864 680.000 245.000 400.000 484.249 11 -9.533 0.000 0.000 535.000 1113.978 12 -9.782 590.000 351.000 0.000 0.000 13 -8.283 397.000 136.000 0.000 0.000 14 -2.170 329.000 363.000 0.000 0.000 15 4.150 0.000 0.000 830.000 297.960 16 1.851 862.000 317.000 0.000 0.000 17 2.266 210.000 91.000 810.000 705.533 18 -8.667 0.000 0.000 0.000 0.000 19 -7.775 277.000 17.000 0.000 0.000 20 -3.631 524.000 244.000 0.000 0.000 21 0.946 358.000 206.000 0.000 0.000 22 7.479 839.000 272.000 2843.000 843.682 23 4.590 130.000 193.000 198.000 435.977 24 -9.936 732.000 287.000 0.000 0.000 25 0.357 264.000 58.000 0.000 0.000 Total 11278.000 4377.000 11406.887 5933.245 Tabel 1 Hasil Load Flow Jawa-Bali
Gambar 4. Profil tegangan Jawa-Bali
1 1,0 1 6 0 ,9 6 7 0 ,9 7 3 0 ,9 7 9 0 ,9 7 7 0 ,9 7 5 1 0,9 9 5 1 1 0,98 4 0 ,9 6 4 0 ,9 5 1 1 0,9 9 1 1 0,97 2 0 ,9 4 7 0 ,9 2 4 0 ,9 3 2 1 1 0 ,9 6 1 0 ,9 7 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5
Nama Bus Bus 9 (Load Center)
Suralaya 0,0142 - 0,2466i
Muara Tawar 0,0170 - 0,8155i
Cirata 0,0220 - 0,4285i
Saguling 0,0106 - 0,1487
Tanjung Jati 0,0146 - 0,0712i
Gresik 0,0202 - 0,1171i
Paiton 0,0382 - 0,2189i
Grati 0,0178 - 0,1056i
Bus 9 (Load Center) -2,4599 + 1,0071i Tabel 2 Nilai Admitansi Hasil Reduksi Dengan metode REI-DIMO
Gambar 5. Sistem Jawa bali 500 kV Setelah Direduksi
B. Hasil Reduksi Menggunakan Metode REI-DIMO
Tujuan dari loadflow adalah mendapatkan nilai tegangan pada masing-masing bus beban, selanjutnya dapat mencari nilai arus dan admitansi yang akan disambungkan antara bus generator dan load center seperti pada Gambar 5 dan Tabel 2 adalah hasil nilai admitansi antara bus generator dan load
center.
C. Kurva P-V pada Bus Generator
Penambahan beban dilakukan sampai mencapai titik kritis yang disebut voltage collapse, dengan cara menambah daya aktif pada analisa transien ETAP. Pada tugas akhir ini hanya membuat 4 macam kurva P-V, yaitu GI 500 kV Saguling, Tanjung jati, Paiton dan Muara Tawar. Berikut adalah kurva P-V pada 4 bus generator.
Pada Tugas Akhir ini diambil 4 Bus pembangkit yaitu bus generator Saguling, Tanjung Jati, Paiton dan MuaraTawar. Berikut kurva P-V untuk menentukan batas Voltage Collapse. Pada Gambar 6,7,8 dan 9 menunjukkan hasil Pmax dengan batasan Frekuensi. Sedangkan untuk gambar 10, 11, 12 dam 13 dengan batasan frekuensi dan tegangan.
Gambar 6. Kurva P-V pada GI Saguling
Gambar 7. Kurva P-V pada GI Tanjung Jati
Gambar 8. Kurva P-V pada GI Paiton
Gambar 9. Kurva P-V pada GI Muara Tawar
Gambar 10. Kurva P-V pada GI Saguling
Gambar 12. Kurva P-V pada GI Paiton
Gambar 13. Kurva P-V pada GI Muara Tawar
Hasil kurva P-V dengan melihat batas kestabilan frekuensi : Pada GI Saguling daya maksimum yang dapat dikeluarkan adalah 182,75 MW dengan profil tegangan 98,787 %, pada GI Tanjung Jati daya maksimum yang dapat dikeluarkan adalah 742,9 MW dengan profil tegangan 98,7 %, pada GI Paiton daya maksimum yang dapat dikeluarkan adalah 727,6 MW dengan profil tegangan 97,6169 %, dan pada GI Muara Tawar daya maksimum yang dapat dikeluarkan adalah 195,5 MW dengan profil tegangan 98,5314 %.
Sedangkan hasil Kurva P-V dengan melihat batas frekuensi dan tegangan. 231,199 MW untuk GI Saguling, 756,495 MW untuk GI Tanjung Jati, 770,952 MW untuk GI Paiton dan 203,994 MW untuk GI Muara Tawar.
V. KESIMPULAN
Dari hasil pembahasan pada Tugas Akhir ini dapat diambil beberapa kesimpulan, diantaranya :
1. Dibandingkan dengan ETAP dalam penentuan daya maksimum, metode REI-DIMO dapat digunakan untuk mempermudah perhitungan dalam analisis kestabilan tegangan, dengan cara mereduksi jaringan transmisi menjadi REI (Radial Equivalent
and Independent) Equivalent
2. Hasil simulasi pada GI Saguling didapatkan transfer daya maksimum sebesar 182,75 MW, pada GI Tanjung Jati sebesar 742,9 MW, pada GI paiton sebesar 727,6 MW, dan pada GI muara tawar sebesar 195,5 MW
3. Hasil Impedansi dari metode REI-DIMO pada setiap masing-masing generator mempengaruhi transfer daya maksimum menuju beban.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada orang ta dan keluarga yang telah memberikan dukungan kepada penulis, penulis juga mengucapkan terimakasih kepada Prof Adi Soeprijanto dan Dr. Rony Seto Wibowo sebagai dosen pembimbing, serta semua pihak yang telah memberikan bantuan yang tidak dapat disebutkan.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Prabha Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill Inc, USA, 1994
[2]. Hadi Saadat, Power System, McGraw-Hill Inc, USA,199
[3]. Savu C.Savulescu, Real-Time Stability Assessment in Modern Power System Control Center, IEEE Press, Wiley,2009
[4]. M.H. Haque, A Fast Method for Determining The Voltage Stability Limit of A Power System, Electric Power System Research 32, 1999, pp.35-43
[5]. Federico Milano and Kailash Srivastava, Dynamic REI Equivalent for Short Circuit and Transient Stability Analyses, Electric Power System Research 79, 2009, pp.878-887
[6]. Savu C. Savulescu, Equivalent for Security Analysis of Power System, IEEE Transaction on PAS, Vol.PAS-100, May,1981, pp.2672-2681 [7]. Savu C. Savulescu, Solving Open Access
Transmission and Security Analysis Problems With The Short-Circuit Current Method, Latin Power Conference Controlling and Automating Energy Session, August 27, 2002, Monterrey, Mexico [8]. C.W. Taylor, Power System Voltage Stability, New
