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

  ISSN 2338-5677(Media Cetak) JITEKH, Vol 6, No 2, Tahun 2017, 72-76

  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 pada Jaringan Transmisi 150 kV PLN Sumatera Bagian Utara pada saat

  

terjadi gangguan hubung 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 dapat memberikan informasi kestabilan sistem pada Jaringan Transmisi 150 kV PLN

  

Sumatera Bagian Utara sehingga dapat mengantisipasi apabila terjadi gangguan hubung singkat tiga fasa dan

m engetahui karakteristik stabilitas peralihan sebagai dasar perencanaan sistem proteksi.

  Kata Kunci: Stabilitas Peralihan, toolbox PSAT, trapezoidal

  menyuplai tenaga listrik kepada konsumen secara

1. Pendahuluan

  terus menerus. Sistem penyaluran yang andal akan meningkatkan keandalan sistem secara keseluruhan Kebutuhan energi listrik di Sumatera Utara semakin meningkat seiring dengan meningkatnya [1].

  Stabilitas sistem tenaga adalah kemampuan pemanfaatan energi listrik baik di rumah tangga, industri dan lain lain sehingga pasokan energi sistem untuk kembali beroperasi normal atau stabil setelah mengalami gangguan. Ketidakstabilan suatu listrik harus ditambah yaitu dengan membangun pembangkit baru. sistem berarti kondisi yang menunjukkan hilangnya sinkronisasi dari sistem itu. Masalah stabilitas

  Sistem tenaga listrik terdiri dari tiga komponen utama yaitu: pembangkit, saluran transmisi dan terkait erat dengan penilaian mesin sinkron setelah gangguan. Suatu gangguan baik kecil maupun besar sistem distribusi. Saluran transmisi merupakan penghubung antara pembangkit dan sistem pada sistem tenaga listrik dapat mempengaruhi operasi sistem. Gangguan kecil berupa penambahan distribusi melalui interkoneksi dimana letak pembangkit yang cukup berjauhan satu sama lain atau pengurangan daya tiba-tiba secara bertahap pada beban, rugi-rugi daya sementara gangguan sehingga sistem harus dijaga kestabilannya. Pasokan listrik yang kontinyu sangat diinginkan besar dapat berupa penambahan atau pengurangan daya yang besar pada beban secara mendadak, semua pihak dan ini dapat terjadi bila generator sinkron (pembangkit) mampu memenuhi terputusnya saluran transmisi dan gangguan hubung singkat seperti gangguan tiga fasa, tiga fasa ke permintaan listrik. Listrik yang andal harus mampu JITEKH, Vol 6, No 2, Tahun 2017, 72-76

  ISSN 2338-5677(Media Cetak)

  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]

  = ^∗ _{| |} = _{| |} ............................................. (3) Untuk memperoleh tegangan reaktansi peralihan, bus m ditambahkan dengan bus n pada sistem jaringan listrik. Jaringan ekivalen dengan semua beban yang dikonversi ke admitansi ditunjukkan pada Gambar 1 [13].

  = arus keluaran generator ke - i Selanjutnya, semua beban dikonversi menjadi admitansi ekivalen dengan menggunakan persamaan :

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

  = + ................................................. (2) Dimana :

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

  = tegangan (konjugat) terminal ke-i dari generator P _i = daya aktif dari generator Q i = daya reaktif dari generator

  S ^∗ = daya total (konjugat) terminal ke-i dari generator V ^∗

  (1) Dimana : m = nomor generator

  I = ^∗ _∗ = _∗ , i = 1,2, … . , m .........

  B. Model Matematika Mesin Majemuk

  ISSN 2549-6646 (Media Online)

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

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

  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:

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

  (classical stability model) dan studi yang

  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

  A. Asumsi Analisis Stabilitas Peralihan Mesin- Majemuk

  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 rotor δ tertentu 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 ( ) .

  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.

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

2. Kestabilan Peralihan Mesin Majemuk

  ....................................... (16) ....................................... (17) h analisis stabilitas peralihan, rsamaan state untuk setiap

  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 _π redaman untuk mesin ke- _δ

  ISSN 2338-5677(Media Cetak)

  Dalam masalah a kita memiliki dua persa ^{n transmisi n bus dengan semua nnya diubah menjadi admitansi}

  = ∆ ω ........................ _{∆ ω} = − .....

  Dengan P e ^f adalah daya mengubah Persamaan 2.2 maka : _δ

  = ....................

  Dimana : Y ij = elemen dari bus matr dikurangkan setelah H i = konstanta inersia da dinyatakan dengan Jika H Gi adalah konstanta dengan rate MVA S Gi , ma

  = P − ∑ E ^′ E .........................................

  P = ∑ E ^′ E ^′ Y cos

  Y _nm ................................ (10) i yang direduksi memiliki dimana m adalah jumlah ya listrik dari setiap mesin kan dalam tegangan internal

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

  P = ∑ E ^′ E ^′ Y cos

  δ dan Y _ij = |Y pada Persamaan 2.16, has

  ∠

  |

  E ^′

  = |

  ISSN 2549-6646 (Media Online)

  ....................................... (11) si dalam bentuk polar, yaitu |Y _ij |

  Tegangan dan admitansi

  internal . Tegangan eksitasi

  ....................................... (15) ya listrik generator ke-i dan 2.20 ke mode variabel state

  ....................................... (14) atriks admitansi yang lah gangguan dari mesin ke-i yang an MVAbase (S B ) tanta inersia dari mesin ke-i maka H i adalah

  δ

  −

  θ

  E ^′ Y cos

  a gangguan dan sesudah tetap konstan. Daya listrik a saat bus matriks admitansi n diperoleh dari Persamaan ke-i adalah

  δ

  ∠

  −

  θ

  cos

  δ

  −

  θ

  cos

  θ _ij dan subsitusikan I _i asilnya adalah

  E ^′

  E ^∗ I i ) ..................

  stem tenaga untuk peralihan m adalah bus mesin peralihan. Persamaan

  Y

  ahun 2017, 72-76

  Y Y Y E ^∗ E E ∠ ∠ P = ∑ ^{Jaringan t bebannya}

  , 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 adalah node tambahan yang dita tegangan reaktansi mesin. Elem dimodifikasi untuk menyertakan

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

  analisis stabilitas per

  JITEKH, Vol 6, No 2, Tahun 2017, 72 Gambar 1 Representasi siste

  = Y _mm –

  de 0 sebagai acuan

  Y Y

  Y _n

  Bus matriks admitansi

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

  S ^* _ei = E ^’* _i

  I _i , Atau

  P ei = Re(

• δ .......... (12) iatas adalah sama dengan . Sebelum terjadi gangguan, tara daya input mesin dan ingga :
• δ ......... (13) han klasik didasarkan pada iga fasa. Gangguan tiga fasa jaringan maka V k = 0 . Hal gan menghapus baris dan atriks admitansi sebelum s admitansi yang baru akan enghilangkan semua node

  matriks bus admitansi yang terhubung, dan adalah sama dengan

  node

  . Referensinya itambahkan termasuk lemen diagonal juga an admitansi beban. analisis, semua node

  ternal dieliminasi tion

  [13]. Untuk dmitansi bus matriks ingga bus n dihapus ri baris ke n. Karena rus pada bus beban

  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 vektor

• δ
• n adalah nol. Arus ektor I n , tegangan n yang diwakili oleh ian, Persamaan 2.8, i

  V E ^′ ........... Tegangan vektor Vn dapat dih substitusi sebagai berikut: 0 = Y nn V n + Y nm

  Y Y Y Y

  E ^′ .................... I m = Y V n + Y mm

  dan V _n . Kemudia dalam hal submatriks, menjadi

  ′

  E ^′ ................ Dari Persamaan 2.11, V n = (–Y nn ) ^-1 Y nm

  E ^′ ) ................. Di subsitusi ke Persamaan 2.12, m

  I _m = [Y _mm – Y Y Y _nm ] E ^′ = Y E Matriks admitansi yang di reduks

  ........................... (5) dihilangkan dengan ........................... (6) ........................... (7) ........................... (8)

  2, maka =

  Y E ^′

  ........... (9) uksi adalah

  I =

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

  3. Metode Penelitian

  Tabel 1. Hasil Simulasi Peralihan Pada 9 Titik

  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

  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 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

  4. Hasil dan Pembahasan

  Semua data digunakan untuk memodelkan Jaringan Transmisi 150 kV PLN Sumatera Bagian Utara menggunakan software PSAT versi 2.1.9.

  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.

  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.

  ISSN 2338-5677(Media Cetak)

  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].

  PSAT versi 2.1.9 yang dalam aplikasinya metode

  Pada penelitian ini menggunakan software

  B. Penyelesaian Analisis Stabilitas Peralihan Menggunakan Metode Trapezoidal

  generator. Berikutnya adalah evaluasi setelah gangguan bus matriks admitansi dikurangi dan daya listrik setelah gangguan pada generator ke-i adalah P ^{pf i mudah ditentukan dari Persamaan 2.18.} Simulasi daya setelah gangguan adalah P ^{pf i} 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.

  ISSN 2549-6646 (Media Online)

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

  ISSN 2338-5677(Media Cetak)

  [12]

  [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

  Kementerian ESDM Republik Indonesia, “Aturan Jaringan Sistem Tenaga Listrik Sumatera”, Jakarta, Indonesia, 2008.

  [8] Rosalina,“Analisis Kestabilan Peralihan

  [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]

  Sistem Tenaga Listrik Dengan Metode Lyapunov, Universitas Indonesia, 2010

  And Scripting”, Springer, London, 2010

  ISSN 2549-6646 (Media Online)

  [3] Swaroop Kumar, Nallagalva, Mukesh

  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. R EFERENCES [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

  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

  [7] Federico Milano,”Power System Modelling

  [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

  K.R. Padiyar,”Power System Dynamics Stability and Control”, BS Publication, Hyderabad, 2008