Analisis Kestabilan Peralihan Pada Sistem Jaringan Transmisi 150 kV PLN Sumatera Bagian Utara

ISSN 2549-6646 (Media Online)

Analisis Kestabilan Peralihan Pada Sistem Jaringan Transmisi 150 kV

PLN Sumatera Bagian Utara

Reinhard Napitupulu, Surya Hardi

Magister Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater Kampus USU Medan, Sumatera Utara - Indonesia

rein.napit@gmail.com

Abstract

The instability of a power system means a condition which indicates the loss of synchronization of the system. Stability issues are closely related to the assessment of synchronous machinery after an interruption occurs. Three phase phase short circuit is the biggest cause affecting instability of a system. This study discusses the transitional stability of Transmission Network 150 kV PLN of Northern Sumatra at the time of short circuit three phases in a 3 zone that is zone 1 Province of Aceh, zone 2 Provinces of North Sumatra (Area Medan) and zone 3 Provinces of North Sumatra (Area Siantar) in the longest channel and on the bus that has the largest load. This research uses Matlab R2014a software with PSAT toolbox version 2.1.9 with Trapezoidal method. The simulation result showed that from 9 points of disturbance, there were 4 stable buses and 5 unstable buses. The fastest bus time, of critical breaks is on the Payageli bus between 67 ms and 68 ms and the longest is on the Banda Aceh bus that is between 928 ms and 929 ms. From this simulation can provide information on the stability of the system on Transmission Network 150 kV PLN North Sumatra so it can anticipate if there is interference short circuit three phases and know the characteristics of transitional stability as the basis of protection system planning.

Keywords: Switching Stability, PSAT toolbox, trapezoidal

Abstrak

Ketidakstabilan suatu sistem tenaga berarti kondisi yang menunjukkan hilangnya sinkronisasi dari sistem. Masalah stabilitas terkait erat dengan penilaian mesin sinkron setelah terjadi gangguan. Gangguan hubung singkat tiga fasa adalah penyebab paling besar yang mempengaruhi ketidakstabilan suatu sistem. Penelitian ini membahas tentang stabilitas peralihan padaJaringan Transmisi 150 kV PLN Sumatera Bagian Utara pada saat terjadi gangguanhubung singkat tiga fasa pada 3 zona yaitu zona 1 Propinsi Aceh, zona 2 Propinsi Sumatera Utara (Area Medan) dan zona 3 Propinsi Sumatera Utara (Area Siantar) di saluran terpanjang dan pada bus yang memiliki pembebanan terbesar. Penelitian ini menggunakan perangkat lunak Matlab R2014a dengan toolbox PSAT versi 2.1.9 dengan metode Trapezoidal. Hasil simulasi menunjukkan bahwa dari 9 titik gangguan yang dilakukan diperoleh 4 bus stabil dan 5 bus tidak stabil. Bus yang tercepat waktu pemutusan kritisnya adalah di bus Payageli antara 67 ms dan 68 ms dan yang paling lama adalah di bus Banda Aceh yaitu antara 928 ms dan 929 ms. Dari simulasi ini dapatmemberikan informasi kestabilan sistem pada Jaringan Transmisi 150 kV PLN Sumatera Bagian Utara sehingga dapat mengantisipasi apabila terjadi gangguan hubung singkat tiga fasa dan

mengetahui karakteristik stabilitas peralihan sebagai dasar perencanaan sistem proteksi. Kata Kunci: Stabilitas Peralihan, toolbox PSAT, trapezoidal

1. Pendahuluan

Kebutuhan energi listrik di Sumatera Utara semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pemanfaatan energi listrik baik di rumah tangga, industri dan lain lain sehingga pasokan energi listrik harus ditambah yaitu dengan membangun pembangkit baru.

Sistem tenaga listrik terdiri dari tiga komponen utama yaitu: pembangkit, saluran transmisi dan sistem distribusi. Saluran transmisi merupakan penghubung antara pembangkit dan sistem distribusi melalui interkoneksi dimana letak pembangkit yang cukup berjauhan satu sama lain sehingga sistem harus dijaga kestabilannya. Pasokan listrik yang kontinyu sangat diinginkan semua pihak dan ini dapat terjadi bila generator sinkron (pembangkit) mampu memenuhi permintaan listrik. Listrik yang andal harus mampu

menyuplai tenaga listrik kepada konsumen secara terus menerus. Sistem penyaluran yang andal akan meningkatkan keandalan sistem secara keseluruhan [1].

JITEKH, Vol 6, No 2, Tahun 2017, 72-76

ISSN 2338-5677(Media Cetak) ISSN 2549-6646 (Media Online)

penelitian ini ketidakstabilan peralihan disimulasikan dengan gangguan hubung singkat tiga fasa.

Kestabilan peralihan merupakan kemampuan suatu sistem daya dalam menjaga sinkronisasi generator saat terjadi gangguan peralihan seperti gangguan pada saluran transmisi, hubung singkat, lepasnya generator, atau lepasnya beban yang besar.

Analisis stabilitas peralihan adalah analisis ayunan pertama dari generator, yaitu selama generator mengalami gangguan yang keras pada periode ayunan pertama dari keadaan peralihan. Jika generator dapat melalui keadaan ini tanpa kehilangan sinkronisasi maka sistem dikatakan stabil. Sebaliknya jika generator kehilangan sinkronisasi dan tidak dapat bertahan melalui ayunan pertama maka sistem dikatakan tidak stabil. Perubahan beban karena ada gangguan akan menyebabkan perubahan posisi rotor yang akhirnya akan menyebabkan perubahan besar sudut rotor δ

jika perubahan sudut ini dibiarkan maka sistem akan kehilangan kestabilannya. Agar sistem tetap stabil maka gangguan harus diputus pada suatu sudut rotorδtertentu yaitu yang dinamakan dengan sudut rotor kritis (δ ). Waktu yang bersesuaian dengan besar sudut rotor kritis ini adalah waktu terlama yang diijinkan untuk mengamankan gangguan ini disebut dengan waktu pemutusan kritis ( ).

2. Kestabilan Peralihan Mesin Majemuk

A. Asumsi Analisis Stabilitas Peralihan Mesin-Majemuk

Untuk mengurangi kerumitan pembuatan model sistem, dan dengan demikian juga mengurangi beban penghitungan, biasanya dalam studi kestabilan peralihan dibuat pula pengandaian tambahan sebagai berikut [1] :

(a) Masukan daya mekanis ke masing-masing mesin adalah tetap konstan selama keseluruhan perioda perhitungan lengkung ayunan.

(b) Daya peredaman dapat diabaikan.

(c) Setiap mesin boleh diwakili oleh suatu reaktansi peralihan yang konstan yang terhubung seri dengan suatu tegangan dalam peralihan yang konstan pula.

(d) Sudut rotor mekanis dari setiap mesin adalah bersamaan dengan δ, yaitu sudut fasa listrik dari tegangan dalam peralihan.

(e) Semua beban boleh dianggap sebagai impedansi shunt ke tanah dengan nilai yang ditentukan oleh keadaan yang berlangsung tepat sebelum keadaan peralihan.

Model kestabilan sistem yang didasarkan pada pengandaian ini dinamakan model kestabilan klasik

(classical stability model) dan studi yang menggunakan model ini disebut sebagai studi kestabilan klasik.Program komputer terinci dengan model mesin dan beban yang lebih mutakhir memang tersedia untuk mengubah satu atau beberapa pengandaian (a) hingga (e). Dalam penelitian ini menggunakan model klasik untuk

mempelajari gangguan sistem yang berasal dari gangguan hubung singkat tiga fasa.

Seperti yang telah kita lihat, dalam setiap studi kestabilan, keadaan sistem sebelum gangguan dan konfigurasi jaringannya selama dan setelah terjadinya gangguan harus diketahui. Sebagai akibatnya, dalam hal mesin majemuk ini, diperlukan dua langkah pendahuluan:

1. Kondisi pragangguan keadaan tetap untuk sistem itu harus dihitung dengan menggunakan program aliran daya.

2. Representasi jala-jala pra-gangguan perlu ditentukan dan kemudian diubah untuk dapat melukiskan juga gangguannya serta kondisi setelah terjadinya gangguan.

B. Model Matematika Mesin Majemuk

Langkah pertama dalam analisis stabilitas peralihan adalah melakukan analisis aliran daya untuk menentukan besaran tegangan bus awal dan sudut fasa. Arus mesin sebelum gangguan dihitung dari [13]

I =

∗

∗= ∗ , i = 1,2, … . , m ...(1)

Dimana :

m = nomor generator

S∗_{= daya total (konjugat) terminal ke-i dari}

generator

V∗= tegangan (konjugat) terminal ke-i dari generator

Pi= daya aktif dari generator

Qi= daya reaktif dari generator

Semua nilai yang tidak diketahui ditentukan dari analisa aliran daya awal. Tahanan jangkar dari generator biasanya diabaikan dan tegangan reaktansi peralihan dapat dihitung dengan :

= + ... (2) Dimana :

= tegangan internal peralihan generator ke - i = tegangan terminal generator ke - i

= reaktansi peralihan

= arus keluaran generator ke - i

Selanjutnya, semua beban dikonversi menjadi admitansi ekivalen dengan menggunakan persamaan :

=

∗

| | = | | ... (3)

Gambar 1 Representasi siste analisis stabilitas per

Node n + 1, n + 2, ..., n + m

internal, yaitu bus reaktansi per tegangan simpul dengan node

untuk jaringan ini adalah

Elemen-elemen diagonal dari ma adalah jumlah dari admitansi ya elemen-elemen off-diagonal ada admitansi negatif dari antara n

adalahnodetambahan yang dita tegangan reaktansi mesin. Elem dimodifikasi untuk menyertakan

Untuk mempermudah an selain node generator intern

menggunakan kron reductio

menghilangkan bus beban, adm Persamaan 2.8 dipisahkan sehin untuk diwakili bagian atas dari tidak ada arus masuk atau aru sehingga arus pada baris ke-n generator ditandai oleh vek generator dan tegangan beban y

Di subsitusi ke Persamaan 2.12, m

Im= [Ymm–Y Y Ynm]E′ =Y E

Matriks admitansi yang di reduks

Y Y Y adalah sama dengan

node. Referensinya ingga bus n dihapus ri baris ke n. Karena rus pada bus beban -n adalah nol. Arus

Bus matriks admitansi dimensi (m x m) , dim generator). Output daya sekarang dapat dinyataka mesin.

S*ei= E’*iIi,

Atau

Pei= Re(E∗Ii) ...

Tegangan dan admitansi

E′ = |E′|∠δ dan Yij = |Y

pada Persamaan 2.16, has

P = ∑ E′ E′ Y cos

Persamaan diata persamaan aliran daya. S ada keseimbangan antar dayaoutputlistrik, sehing

P = ∑ E′ E′ Y cos

Studi stabilitas peralihan penerapan gangguan tiga pada bus k dalam suatu ja ini disimulasikan denga kolom ke-k dari mat gangguan. Bus matriks a berkurang dengan men kecuali node generator in

dari generator selama gangguan diasumsikan te dari generator ke-i pada s yang baru dikurangkan d 2.17. Persamaan ayuna redaman untuk mesin

ke-π Hi= konstanta inersia da

dinyatakan dengan

Jika HGi adalah konstanta

dengan rate MVA SGi, ma

n transmisinbus dengan semua nnya diubah menjadi admitansi

ISSN 2549-6646 (Media Online)

Ynm... (10)

i yang direduksi memiliki dimana m adalah jumlah

iatas adalah sama dengan . Sebelum terjadi gangguan, tara daya input mesin dan ingga :

cos θ − δ + δ ... (13)

han klasik didasarkan pada iga fasa. Gangguan tiga fasa jaringan maka Vk= 0 . Hal

gan menghapus baris dan atriks admitansi sebelum s admitansi yang baru akan enghilangkan semua node

internal. Tegangan eksitasi a gangguan dan sesudah tetap konstan. Daya listrik a saat bus matriks admitansi n diperoleh dari Persamaan nan dengan mengabaikan ke-i adalah

E′ Y cos θ − δ + δ

... (14)

atriks admitansi yang lah gangguan

dari mesin ke-i yang an MVAbase (SB)

tanta inersia dari mesin ke-i maka Hiadalah

... (15)

ya listrik generator ke-i dan 2.20 ke modevariabel state

... (16)

... (17)

JITEKH, Vol 6, No 2, Tahun 2017, 72-76

ISSN 2338-5677(Media Cetak) ISSN 2549-6646 (Media Online)

generator. Berikutnya adalah evaluasi setelah gangguan bus matriks admitansi dikurangi dan daya listrik setelah gangguan pada generator ke-i adalah Ppfimudah ditentukan dari Persamaan 2.18.

Simulasi daya setelah gangguan adalah Ppfi

digunakan untuk menentukan stabilitas sistem, sampai plot memperlihatkan kecenderungan stabil atau tidak stabil. Biasanya slack generator dipilih sebagai referensi mesin yang sudah di-plot. Biasanya solusi ini dilakukan selama dua ayunan untuk menunjukkan bahwa ayunan kedua tidak lebih besar dari yang pertama. Jika perbedaan sudut tidak meningkat maka sistem stabil. Jika salah satu perbedaan sudut meningkat tanpa batas maka sistem disebut tidak stabil.

B. Penyelesaian Analisis Stabilitas Peralihan Menggunakan

Metode Trapezoidal

Pada penelitian ini menggunakansoftware PSAT versi 2.1.9 yang dalam aplikasinya metode penyelesaian analisis peralihan menggunakan metode trapezoidal. Metode trapezoidal

merupakan salah satu metode integrasi numerik. Ada 4 teknik yang paling umum digunakan dalam integrasi numerik yaitu metode Euler, Runge-Kutta orde 2, Runge-Kutta orde 4 dan integrasi implisit. Metode trapezoidal termasuk metode integrasi implisit [7].

Metode integrasi implisit yang lebih tinggi telah diusulkan dalam literatur tentang metode numerik namun usulan ini belum banyak digunakan untuk aplikasi sistem tenaga terutama karena kesulitan dalam memprogram dan kurang stabil secara numerik dibandingkan aturan trapesium. Jadi, integrasi numerik yang digunakan pada aturan trapesium adalah persamaan diferensial orde pertama.

3.

Metode Penelitian

Penelitian menggunakan data sistem kelistrikan Jaringan Transmisi 150 kV PLN Sumatera Bagian Utara berupa diagram satu garis, data pembebanan pada tanggal 26 Januari 2017 pukul 19.30 Wib dan data saluran yang diperoleh dari PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumatera Bagian Utara. Data pembangkit dan data transformator di pembangkit diperoleh dari setiap pembangkit.

Semua data digunakan untuk memodelkan Jaringan Transmisi 150 kV PLN Sumatera Bagian Utara menggunakansoftware PSATversi 2.1.9.

4. Hasil dan Pembahasan

Pada simulasi ini akan dianalisis respon sudut rotor dimana penentuan kestabilan atau ketidakstabilan suatu sistem dapat disebabkan oleh jenis gangguan dan lokasinya di sistem serta kecepatan pemutusan waktu gangguan. Jenis gangguannya adalah hubung singkat 3 fasa dan lokasi gangguan pada bus dan saluran transmisi. Pemilihan bus yang akan disimulasikan berdasarkan besaran daya terbesar karena pada bus ini bila terjadi gangguan maka memungkinkan ketidakstabilan sistem dan pemilihan saluran

transmisi yang panjang karena kemungkinan gangguan yang terjadi lebih besar. Simulasi gangguan saluran dilakukan pada dekat bus (20% panjang saluran) dan pertengahan saluran (50% panjang saluran). Analisis gangguan dilakukan pada ke 3 zona sistem Jaringan Transmisi 150 kV di Sumatera Bagian Utara yaitu zona 1 Propinsi Aceh, zona 2 Propinsi Sumatera Utara (Area 2 Medan) dan zone 3 Propinsi Sumatera Utara (Area 3 Siantar). Pada simulasi peralihan ini ditentukan 9 titik gangguan berdasarkan zona dan menggunakan waktu simulasi selama 10 detik. Waktu pemilihan simulasi 10 detik termasuk simulasi jangka pendek [15] dengan mengabaikan pengaturan frekuensi beban dan mempertimbangkan osilasi semua pembangkit. Gangguan hubung singkat 3 fasa dilakukan pada detik pertama karena model generator pada penelitian ini tidak memasukkan sistem pengaturannya [15] Agar lebih sederhana dalam memahami hasil simulasi dapat dilihat pada Tabel 1

ISSN 2549-6646 (Media Online)

5. Kesimpulan

Dari 9 titik gangguan sistem Jaringan Transmisi 150 KV Sumatera Bagian Utara diperoleh 4 bus stabil dan 5 bus tidak stabil. Berdasarkan lokasi gangguan pada bus pembebanan terbesar dan saluran terpanjang di 3 zona diperoleh waktu pemutus kritis tercepat di bus Payageli antara 67 ms dan 68 ms dan yang paling lama adalah di bus Banda Aceh antara 928 ms dan 929 ms. Dari pembebanan setiap bus, semakin besar daya pembebanan pada bus maka waktu pemutusan akan lebih cepat dan bahkan dapat mengakibatkan ketidakstabilan sistem.

6. REFERENCES

[1]

William D Stevenson, Jr.,”Analisis Sistem Tenaga Listrik” , Penerbit

Erlangga,Jakarta,1990

[2]

P.K. Iyambo And R.Tzoneva,”Transient

Stability Analysis Of The IEEE 14-Bus

Electric Power System”, IEEE, 2007

[3]

Swaroop Kumar, Nallagalva, Mukesh

Kumar Kirar and Dr.Ganga

Agnihotri,”Transient Stability Analysis Of

The IEEE 9-Bus Electric Power System”,

International Journal Of Scientific Engineering And Technology,India, 2012

[4]

Mishra Kiran and Umredkar S.V,”

Transient Stability Analysis of Multi

Machine Bus Systems”, International

Journal of Science and Research (IJSR), India, 2013

[5]

Hambali dan Oriza Candra,”Studi Stabilitas

Sistem Tenaga Listrik Di Sumbar – Riau”,Laporan Penelitian Universitas Negeri

Padang, 2007

[6]

Adepoju Gafari Abiola and Tijani

Muhammed Adekilekun,”Critical Clearing

Time Evaluation Of Nigerian 330 KV Transmission System, American Journal Of Electrical Power And Energy Systems, 2013

[7]

Federico Milano,”Power System Modelling And Scripting”, Springer, London, 2010

[8]

Rosalina,“Analisis Kestabilan Peralihan

Sistem Tenaga Listrik Dengan Metode Lyapunov, Universitas Indonesia, 2010

[9]

Masjkur SJ, “Analisis Sistem Tenaga

Listrik”, USU Press, 2016

[10]

Federico Milano,”Power System Analysis

Toolbox Documentation For PSAT Version 2.0.0, University Of Waterloo, Canada, 2008

[11]

T.S. Hutauruk, “Transmisi Daya Listrik”,

Penerbit Erlangga, 2000

[12]

Kementerian ESDM Republik Indonesia,

“Aturan Jaringan Sistem Tenaga Listrik

Sumatera”, Jakarta, Indonesia, 2008.

[13]

Huynh Chau Duy, Huynh Quang Minh And

Ho Dac Loc,”Transient Stability Analysis Of A Multi Machine Power System”,

Faculty Of Electrical And Electronics

Engineering HoChiMinh City University of Technology, Vietnam

[14]

P.S.R. Murthy,”Power System Analysis”,

BS Publication, Hyderabad, 2007

[15]

K.R. Padiyar,”Power System Dynamics