Penentuan Indeks Kestabilan Jaringan Transmisi Dengan Metode Newton Rapson

Seminar Nasional Pascasarjana X ITS, Surabaya 4 Agustus 2010 ISBN No. 979-545-0270-1

Penentuan Indeks Kestabilan Jaringan Transmisi Dengan Metode Newton Rapson

Mohammad Arie Reza 1), Mauridhi Hery Purnomo 2), Adi Soeprijanto 3)

Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember , Surabaya, Indonesia [email protected]

Abstrak

Level keamanan transmisi dalam satu kondisi operasi dapat disimulasikan dengan analisa load flow. Keamanan transmisi dinyatakan pula secara kuantitatif dengan besaran indeks keamanan. Dengan indeks ini, level keamanan tiap saluran untuk satu kondisi operasi dapat diurutkan kedalam kontrol operasi maupun perencanaan. Perbaikan nilai reaktansi saluran transmisi dapat dilakukan dengan penambahan kompensator seri. Penelitian ini menganalisa pengaruh penggunaan kompensator seri terhadap stabilitas dalam suatu sistem tenaga listrik akibat sistem yang tidak seimbang (lebih dari 75 derajad) sehingga penambahan kompesator seri memungkinkan memperbaiki efek negatif ini. Simulasi keamanan transmisi perhitungan load flow menggunakan metode Newton-Raphson dan Diaplikasikan pada sistem jaring transmisi Jawa Timur (150 KV) yang terdiri atas 75 bus.

Katakunci: Keamanan Transmisi, Kompensator Seri.

1. Pendahuluan Sistem tenaga listrik terdiri dari suatu pembangkitan tenaga listrik yang digunakan untuk menyuplai sistem distribusi lokal. Karena semakin berkembangnya teknologi, penyebaran kelompok beban dan pusat-pusat pembangkit dihubungkan dengan sistem transmisi tegangan tinggi. Cara ini sangat dimungkinkan untuk menyalurkan daya listrik dalam jumlah yang besar pada jarak yang jauh, sehingga membuat sistem tenaga listrik lebih ekonomis, praktis, dan handal. Kemampuan penyaluran daya dari suatu sistem transmisi tenaga listrik biasanya bergantung pada stabilitas dari sistem tersebut. Untuk mempertahankan stabilitas dalam sistem tenaga dewasa ini, semakin sulit dilakukan seiring dengan bertambah panjangnya saluran transmisi, jumlah daya yang disalurkan semakin besar, serta jumlah dari interkoneksi sistem yang terus bertambah. Beberapa jenis gangguan yang biasa terjadi pada sistem tenaga listrik, seperti hubung singkat, seringkali mengganggu stabilitas sistem pada kondisi beban dasar, menengah dan puncak dalam sistem tenaga memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kemampuan sistem dalam mempertahankan stabilitasnya setelah mengalami gangguan, sehingga mampu meningkatkan keandalan sistem tenaga listrik tersebut. 2. Metode Aliran Daya. Pada dasarnya studi aliran daya digunakan untuk menganalisa keadaan sekarang dari sistem dan merancang pengembangan sistem selanjutnya. Persoalan aliran daya ini terdiri dari perhitungan aliran daya dan tegangan dari suatu jaringan pada suatu kondisi tertentu. Besaran yang diperlukan dalam studi aliran daya adalah daya aktif (P), daya

reaktif (Q), tegangan (V), sudut fasa ( ) dan admitansi (Y) pada bus swing, generator, dan beban. Metode yang digunakan dalam studi aliran daya, adalah newton raphson. Metode tersebut merupakan formulasi persamaan aljabar nonlinear yang bisa diterapkan dalam program komputer. Inti dari setiap metode aliran daya adalah proses iterasi hingga tercapainya konvergensi. Penggunaan metode disesuaikan terhadap kondisi sistem yang disimulasikan. Besaran awal yang dibutuhkan sebagai input dalam loadflow adalah tegangan dan sudut fasa bus swing, daya aktif dan reaktif bus beban, serta daya aktif dan tegangan bus generator. Informasi utama yang diperoleh dari suatu analisis aliran daya adalah besar dan sudut fasa tegangan pada tiap-tiap bus serta daya nyata dan reaktif yang mengalir pada masing-masing saluran. Informasi tersebut digunakan untuk studi operasi normal jaringan, analisis keadaan darurat (jika terjadi gangguan pada jalur transmisi utama atau unit pembangkitan yang besar), analisis keamanan, menentukan operasi optimal dan juga analisis kestabilan. Baik admitansi sendiri (self admittance) dan admitansi bersama (mutual admittance) yang membentuk matriks admitansi bus Ybus maupun impedansi titik penggerak (driving point) dan impedansi pemindah (transfer impedance) yang membentuk matriks impedansi bus Zbus dapat digunakan untuk penyelesaian masalah aliran daya. Oleh karena itu, metode aliran daya bisa digunakan untuk menyimulasikan efek perubahan daya bus beban pada perubahan daya bus generator dan swing, sehingga bisa digunakan untuk monitoring operasi generator terhadap batas daya aktif dan reaktifnya.


2.1 Kriteria kestabilan tenaga listrik Komponen dasar sistem pembangkit diberikan pada Gambar 2.1. Infinite bus merupakan bus sumber tegangan yang tetap. Magnitude, frekuensi, dan fasa tegangan tidak berubah jika terjadi perubahan beban.

Gambar 2.1. generator terhubung ke infinite bus

Daya aktif yang dibangkitkan generator sama dengan daya yang disalurkan ke infinite bus, dengan persamaan

)1(..................)(sin RSCL

RS

XXVV

P =

Jika RS VV . , dan X konstan maka daya aktif yang disalurkan ke infinite bus merupakan fungsi sudut () sehingga analisis dapat dilakukan menggunakan kurva sudut daya. Perbaikan stabilitas sistem tenaga listrik dapat dilakukan dengan meninjau persamaan (2.2) yaitu dengan cara menaikkan tegangan internal generator atau tegangan infinite bus dengan nilai reaktansi X yang konstan. Misalkan dengan kenaikan tegangan internal generator kurva sudut daya diberikan pada Gambar 2.3. Kurva sudut daya yang mengalami penambahan tegangan internal generator atau tegangan infinitue bus ditunjukkan pada kurva II, sedangkan kurva I menunjukkan kurva sudut daya sebelum penambahan tegangan.

Gambar 2.2. kurva sudut daya Kurva sudut daya yang mengalami penambahan tegangan internal generator atau tegangan infinite bus ditunjukkan pada kurva II, sedangkan kurva I menunjukkan kurva sudut daya sebelum penambahan tegangan. Penambahan tegangan menyebabkan daya maksimum yang disalurkan menjadi lebih besar. Dengan mengambil daya mekanik P sebelum dan sesudah penambahan tegangan sama, sudut awal antara tegangan internal generator dan tegangan infinite bus setelah penambahan tegangan akan menurun menjadi 0. Misalkan sebelum dan sesudah penambahan tegangan mengalami penurunan daya P yang sama

dan akibatnya sistem akan mengalami osilasi di sekitar nilai sudut awal, osilasi akan teredam dan sistem akan kembali ke sudut asal. Sistem setelah penambahan tegangan akan berosilasi dengan magnitude perubahan sudut daya yang lebih kecil dibandingkan dengan sistem sebelum penambahan tegangan. Perubahan sudut masing-masing sistem sebelum dan sesudah penambahan tegangan ditunjukkan pada Gambar 2.1, dengan perubahan sudut pada sistem sebelum penambahan tegangan lebih besar dari sudut pada sistem setelah penambahan tegangan. 2.2. Indeks stability jaringan transmisi. Pada penelitian ini akan ditentukan selisih sudut antara bus. Penentuaan ini sangat berhubungan dengan batas kestabilan transfer daya maksimum. Selisih sudut ini mengindikasikan kedekatan transfer daya ke batas aman secara stabilitas. Nilai sudut bus dari hasil Load Flow akan dihitung dengan menggunakan persamaan :

)2(.......)()()( terimakirimSudutDelta =

Terdapat tiga skenario pada penelitian ini : a. Menentukan nilai delta sudut pada kondisi

operasi normal. Apakah masih dalam kondisi dibawah batas aman ataukah terdapat pelanggaran.

b. Menentukan nilai delta sudut pada kondisi pembebanan di naikkan. Skenario ini bertujuan untuk melihat efek perubahan delta sudut terhadap penambahan beban. Penambahan beban ini dilakukan sampai kondisi delta sudut kritis dicapai.

c. Selanjutnya setelah penambahan beban terus dilakukan akan diperoleh jaringan transmisi yang mengalami pelanggaran. Untuk menghilangkan pelanggaran ini, pemasangan kapasitor seri akan dilakukan pada transmisi yang mengalami pelanggaran besar delta sudut.

2.3 Nilai kapasitor yang dipasang Besar kapasitas kapasitor yang terpasang untuk menurunkan delta sudut ditentukan dengan persamaan berikut:

........ (3) Nilai kapasitor (pu) akan mengurangi nilai jaringan transmisi sehingga diperoleh nilai impedansi yang lebih kecil. Dengan nilai transmisi yang lebih kecil ini maka batas kestabilan akan semakin meningkat dengan di tandai oleh perubahan delta sudut. Pemasangan kapasitor ini, dibatasi hanya pada transmisi yang mengalami pelanggaran. Untuk transmisi yang tidak mengalami pelanggaran maka tidak akan dipasang kapasitor. Pada program m-file yang dibuat, nilai kapasitor di batasi dibawah nilai jaringan transmisi antara bus yang akan dikompensasi. Pembatasan nilai ini, bertujuan untuk


mencegah terjadinya efek subsinkron yaitu jika nilai = . Dan jika nilai > maka fenomena

over eksitasi akan terjadi, yang akan berefek pada naiknya tegangan pada sisi penerima. 2.4 Data jaringan jawa timur 150KV Data saluran dan data bus sistem jaring Jawa Timur 150 KV yang digunakan sebagai masukan aliran daya Newton-Raphson diperoleh dari PLN Penyaluran dan Pusat Pengatur Beban (P3B) Jawa-Bali. Data bus slack, bus generator dan bus beban seperti pada lampiran 1 yang merupakan load flow region Jawa Timur dan Bali di hari kamis 11 september 2008 pukul 20.00WIB yang ditunjukkan kembali pada tablel 4.1. Data saluran jaringan Jawa Timur 150 KV seperti pada lampiran 2 yang ditunjukkan kembali di table 4.2. Sistem Jawa Timur terinterkoneksi melalui saluran transmisi 150 KV, yang terdiri dari 75 bus dan 93 saluran, serta 6 pusat pembangkit. Penyelesaian analisis aliran daya dengan menggunakan Newton-Rapson didasarkan pada:

1. Base Tegangan: 150 KV. 2. Base Daya: 1000 MVA. 3. Akurasi= 0.0001. 4. Akselerasi=1.1. 5. Maksimum iterasi=50.

Selanjutnya, bus-bus yang ada diklasifikasikan sebagai berikut :

1. Bus Slack : Surabaya Barat dan PLTU Grati II.

2. Bus Generator : PLTU Gresik, Kediri (500/150), PLTGU Gresik, PLTU Perak, PLTA Sutami, PLTA Wlingi, Paiton (500/150).

3. Bus Beban : Alta Prima, Segoromdu, Petrokimia, Lamongan, Babat, Bojonegoro, Tuban, Kerek, Mliwang, Semen Tuban, Kasih Jatim, Cerme, Babadan, Driyorejo, Manyar, Blongbendo, Sekarputih, Ngoro, Mojoagung, Bnran, Jaya Kertas, Kertosono, Surya Zigzag, Manisrejo, Ngawi, Tandes, Sawahan, Darmo, Kupang, Krembangan, Undaan, Gbong, Karang Pilang, Waru, Buduran, Ispat Indo, Rungkut, Sukolilo, Surabaya Selatan, Wonokromo, Ngagel, Kanjeran, Simpang, Ujung, Cepu, Sragen, Kebonagung, Sengkaling, Pakis, Lawang, Pier, Bulukandang, Bumicokro, Bangil, Gondang Wetan, Rejoso, Probolinggo, Kraksaan, Gending, Lumajang, Tanggul, Jember, Genteng, Banyuwangi, Bondowoso, Situbondo.

Dengan menggunakan metode aliran daya Newton-Raphson kita dapat memperoleh data-data yang kita perlukan seperti voltage magnitudo dan sudut fasa di setiap bus. Selain kedua hal tersebut juga dapat mengetahui berapa losses yang terjadi di dalam jaring sistem Jawa Timur. Data pembangkit dan data beban jaring Jawa Timur 150 KV yang terdiri dari 2 slack bus pada bus 12 (Surabaya Barat) dan bus 62 (PLTU Grati). Pada penelitian ini disimulasikan kondisi system dalam ambang batas keamanan steady satate yaitu diatas (75 derajad)..maka hasil run program Matlab adalah

Dari hasil analisa perubahan beban diperoleh nilai selisih sudut () yang melebihi batas yang ditentukan yaitu (75.16 0) kemudian perlu di injeksikan kapasitor seri pada bus yang mengalami perubahan tersebut seperti terlihat pada (Tabel 2.1.) Tabel 2.1 Perubahan Sudut setelah diberi kompensasi seri

Bus i-j Selisih Sudut () PLTU Gresik Alta Prima 1-2 55.0666 PLTU Gresik Segoromdu 1-3 0.1609 PLTU Gresik Waru 1-39 58.2042

Karang Pilang Waru 38-39 56.1173 Waru Buduran 39-40 0.7579 Waru Ispat indo 39-41 5.6728 Bangil Bulukandang 61-59 1.5759 Bangil Bumicokro 61-60 0.3566

PLTU Grati II Pier 62-58 2.0650

PLTU Grati II Gondang Wetan 62-63 0.2854

Gondang Wetan Pier 63-58 1.7797 Gondang Wetan Bangil 63-60 1.8082 Gondang Wetan Rejoso 63-64 0.0330 Gondang Wetan Probolinggo 63-65 5.7925

Probolinggo Lumajang 65-69 6.0713 Kraksaan Probolinggo 66-65 9.6020 Kraksaan Gending 66-67 0.1359

Paiton Kraksaan 68-66 3.7085 Paiton Situbondo 68-75 19.9281

Lumajang Tanggul 69-70 2.1803 Lumajang Jember 69-71 3.4128 Tanggul Jember 70-71 1.2446 Jember Genteng 71-72 0.0331 Jember Banyuwangi 71-73 55.4942 Genteng Banyuwangi 72-73 55.5274

Bondowoso Jember 74-71 1.0057 Situbondo Banyuwangi 75-73 1.8635 Situbondo Bondowoso 75-74 1.3521

4. Pembahasan Hasil Hasil simulasi pada sistem jaring Jawa Timur 150 KV yang ditampilkan dalam tabel (2.1) hasil simulasi menunjukan adanya perubahan selisih sudut () diatas batas indeks keaman steady state yg ditentukan (75.16 0). Sedangkan pada tabel 4.6 adalah hasil simulasi selisih sudut (19.92810) baru yang diperoleh setelah memasukan nilai kapasitor seri sebesar (0.017). Dampak dari perubahan beban konsumen adalah berubahnya nilai tegangan dikarenakan arus yang meningkat. Untuk menjaga tegangan pada masing bus agar tidak melewati batas yg ditentukan (


5. Kesimpulan Berdasarkan hasil yang didapatkan dari simulasi dalam penelitian ini, dapat diambil kesimpulan yakni, pada kondisi sudut kritis (75,16400) diinjeksikan kapasitor seri sebesar (0.017) pada Bus mampu menurunkan nilai delta sudut menjadi (19.92810) serta meningkatkan kemampuan transfer daya pada sistem dengan megurangi harga reaktansi.

6. Pustaka Hadi Saadat, (2004). Power Sistem Analysis, Second

Edition, McGraw-Hill International Edition., Singapore

Imam Robandi, (2007), Rekayasa Kontrol Sistem

Tenaga Listrik Untuk Pemula. Lynn Powell, (2005), Power Sistem Load Flow

Analysis, McGraw-Hill International Edition John J.Grainger and William D.Stevenson.Jr, (1994),

Power Sistem Analysis, Mc Graw-Hill International Editions

Charles A Gross, (1986), Power System Analysis,

Second Edition, John Wiley & Sons.,Canada. Turan Gonen,(1988), Modern Power Sistem

Analysis, John Wiley & Sons,Inc.,Canada. Prabha Kundur, (1994) Power Sistem Stability and

Control, Mc Graw-Hill, Inc. Vincent Del Toro, (1992), Electric Power Sistems,

Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. W.C. Wu dan B.M. Zhang (2008), A Three-Phase

Power Flow Algorithm for Distribution Sistem Power Flow Based on Loop-Analysis Method, Elsevier Electrical Power and Energy Systems 30, hal 8-15.

JEN-HAO TENG (2000), A Network-Topology-based

Three-Phase Load Flow for Distribution Systems, Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A), Vol. 24, No. 4, hal 259-264.

Tao He, Sharma Kolluri (2007), Identification of

Weak Location in Bulk Transmission System Using Voltage Stability Margin Index, Turk J Elec Engin, Vol. 15, No. 3, hal 329-337

A. Karami, M.S. Mohammadi (2008), Radial basis

function neural network for power system load-flow, 8 th International Conference on Probabilistic Methods Applied to Powes System, Iowa State University, hal 878-882.

Penentuan Indeks Kestabilan Jaringan Transmisi Dengan Metode Newton Rapson

Documents

Transcript of Penentuan Indeks Kestabilan Jaringan Transmisi Dengan Metode Newton Rapson