JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
PERHITUNGAN CCT (CRITICAL CLEARING TIME) UNTUK ANALISIS KESTABILAN TRANSIENT PADA SISTEM KELISTRIKAN 500KV JAWA-BALI I Nyoman Kurnia Widhiana, Ardyono Priyadi dan Ontoseno Penangsang Jurusan Teknik Elektro,Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected],
[email protected],
[email protected] Abstrak— Suatu sistem kelistrikan 500kV Jawa-Bali yang terhubung secara interkoneksi melalui jaringan transmisi tidak lepas dari adanya gangguan. Gangguan yang terjadi seperti hubung singkat, putusnya penghantar, switching dan load shedding sehingga dapat menyebabkan hilangnya sinkronisasi yang mempengaruhi kestabilan sistem berupa perubahan tegangan dan frekuensi sistem. Berdasarkan sifat dan besarnya gangguan, analisis stabilitas sistem dapat diklasifikasikan dalam stabilitas keadaan mantap (steady state), keadaan transien dan keadaan dinamik. Gangguan berat yang bersifat mendadak pada sistem daya memerlukan analisis stabilitas transien. Pada tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui waktu pemutusan kritis (Critical Clearing Time) pada saat terjadi gangguan tiga phasa (3 phase fault) pada sistem kelistrikan Jawa-Bali 500kV. Untuk itu dilakukan perhitungan waktu pemutusan kritis (Critical Clearing Time) untuk setting recloser dalam mengantisipasi terjadinya ketidakstabilan sistem. Kata Kunci — Gangguan, Stabilitas Transien, Waktu Pemutusan Kritis
I.
Gambar dibawah ini menunjukkan sudut rotor/ daya mesin dalam sistem 4 mesin sebagai fungsi waktu selama keadaan transient.
Gambar 1. Sistem Stabil
PENDAHULUAN
K
estabilan secara umum didefinisikan sebagai kemampuan terbangkitnya gaya atau momen untuk melawan gangguan yang terjadi dan mengembalikan sikap benda ke kondisi seimbang. Kondisi stabil sistem tenaga listrik terjadi jika ada keseimbangan antara pembangkit dan beban, sehingga apabila terjadi ketidakseimbangan akan mencari sebuah kondisi operasi mantap yang baru. .[1] Untuk memperjelas bahasan dari tugas akhir ini perlu adanya pembatasan masalah. Adapun batasan tersebut adalah meliputi : 1) Pembahasan mencakup masalah waktu pemutusan kritis (Critical Clearing time). 2) Gangguan yang terjadi adalah tiga fasa seimbang. 3) Gangguan yang terjadi bukan di main bus (bus utama) melainkan diasumsikan dekat dengan bus utama. 4) Analisa dan simulasi yang digunakan analisis sudut rotor generator, kecepatan dan relative power angle dengan menggunakan software ETAP 7.0 II.
KESTABILAN SISTEM TENAGA
A. Stabilitas Sistem Tenaga Listrik Dalam buku Prabha Kundur, stabilitas sistem tenaga secara luas didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu sistem tenaga untuk tetap dalam kondisi operasi seimbang saat terjadi kondisi tidak normal dan dapat mengembalikan ke kondisi seimbang setelah terjadi gangguan [2].
Gambar 2. Sistem Tidak Stabil
B. Stabilitas Transien Adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga untuk mempertahankan sinkronisasi setelah megalami gangguan besar yang bersifat mendadak selama sekitar satu “swing” (yang pertama) dengan asumsi bahwa pengatur tegangan otomatis (AVR) dan governor belum bekerja. [4] Study kestabilan transien bertujuan untuk menentukan apakah sistem tadi akan tetap dalam keadaan serempak setelah terjadinya gangguan besar, misalnya adanya motor starting yang besar, perubahan beban yang mendadak, terputusnya unit pembangkit, atau pemutaran saklar (switching) saluran.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 C. Dinamika Rotor dan Persamaan Ayunan[5] Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin serempak didasarkan pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen putar percepatan (accellerating torque) adalah hasil kali dari momen-momen kelembaman (moment of inertia) rotor dan percepatan sudutnya. 2 J d θm = Tm –T e =T
2 Generator). Adapun pembangkit Suralaya bertindak sebagai slack dan yang pembangkit-pembangkit lainnya bertindak sebagai voltage control. Berikut ini adalah gambar 2. Single line diagram interkoneksi sistem kelistrikan Jawa Bali 500kV yang digunakan untuk analisis kestabilan CCT (Critical Clearing Time).
(1)
dt 2
Kemudian dengan mengalikan persamaan (1) dengan 2 J d θm = dt
2
Tm –
Te
(2)
Jika kecepatan putar dikali torsi adalah sama dengan daya, maka persamaan (2) dapat ditulis dengan persamaan daya sebagai berikut; (3) Jika mempertimbangkan damping, maka (4) dimana: H = Inersia mesin yang dinyatakan dalam kW.s/Kva. = Pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu sumbu diam, dalam radian mekanis. = Kecepatan serempak dalam satuan listrik t = waktu dalam detik. Pe = daya elektris dalam p.u. Pm = daya mekanis dalam p.u Pa = daya yang ditimbulkan oleh akselerasi dalam p.u D. Faktor yang mempengaruhi stabilitas transien [2] 1. Seberapa besar generator tersebut dibebani 2. Output generator selama gangguan. Ini tergantung dari lokasi gangguan dan type gangguan. 3. Waktu pemutusan gangguan. 4. Reaktansi sistem transmisi setelah gangguan. 5. Reaktansi generator. Reaktansi yang rendah meningkatkan daya puncak. 6. Inersia generator. Inersia yang besar, menyebabkan perubahan sudut lambat. Ini menurunkan energi kinetik yang diperoleh saat gangguan.
Gambar 3. Single Line Diagram Sistem Kelistrikan Jawa-Bali 500kV
III. SISTEM KELISTRIKAN JAWA-BALI 500KV Sistem interkoneksi 500kV Jawa-Bali terdiri atas 25 bus dengan 30 saluran dan 8 pembangkit. Pembangkitpembangkit yang terpasang antara lain pembangkit Suralaya, pembangkit Muaratawar, pembangkit Cirata, pembangkit Saguling, pembangkit Tanjungjati, pembangkit Gresik, pembangkit Paiton dan Pembangkit Grati. Diantara 8 pembangkit tersebut, pembangkit Saguling dan pembangkit Cirata merupakan pembangkit tenaga air, sedangkan pembangkit lainnya merupakan pembangkit tenaga uap dan ada juga kombinasi dengan tenaga uap yaitu menggunakan sistem HRSG (Heat Recovery Steam
IV. SIMULASI DAN ANALISIS A.
Pemodelan Sistem Kelistrikan 500kV Jawa-Bali Setelah menggambarkan pemodelan dan penyederhanaan sistem kelistrikkan Jawa-Bali 500kV dalam bentuk software ETAP 7.0, maka selanjutnya akan dilakuan simulasi stabilitas transien meliputi hubung singkat yang terdapat di 12 (dua belas) titik sesuai dengan studi kasus yang akan dipaparkan tabel 1.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 TABEL I PENJELASAN KASUS STABILITAS TRANSIEN Nama Kasus Keterangan Kasus Aksi
SC Bus1
SC Bus2
SC Bus3
SC Bus4
SC Bus5
SC Bus6
SC Bus7
SC di saluran antara (Suralaya-Cilegon)
Gangguan 3 phasa-tanah
CB 0pen
CB 7&9 Open,antara (Suralaya-Cilegon) Gangguan 3 phasa-tanah
SC di saluran antara (Kembangan-Gandul) CB 0pen SC di saluran antara (Cibinong-Depok) CB 0pen SC di saluran antara (Bekasi-Cawang) CB 0pen SC di saluran antara (Cibinong-Saguling) CB 0pen SC di saluran antara (Cirata-Cibatu) CB 0pen SC di saluran antara (MandiracanBandung) CB 0pen
SC Bus8
SC di saluran antara (Muaratawar-Cibatu) CB 0pen
SC Bus9
SC Bus10
SC Bus11
SC di saluran antara (Tasikmalaya-Pedan) CB 0pen
SC Bus12
SC di saluran antara (Paiton-Grati) CB 0pen
Waktu (s) 2 2.698 2
CB 194&195 Open,antara (Kembangan-Gandul) Gangguan 3 phasa-tanah
2.757
CB 214&243Open, antara (Cibinong-Depok) Gangguan 3 phasa-tanah
2.754
CB 207&208 Open,antara (BekasiCawang) Gangguan 3 phasa-tanah
2.754
CB 184&200 Open,antara (CibinogSaguling) Gangguan 3 phasa-tanah
2.758
CB 219&222Open, antara (Cirata-Cibatu) Gangguan 3 phasa-tanah
2.757
CB 226&228Open,antara (Muaratawar-Cibatu) Gangguan 3 phasa-tanah
2.698
CB 52&225Open,antara (Mandiracan-Bandung)
2.757
SC di saluran antara Gangguan 3 phasa-tanah (Mandiracan-Ungaran) CB 0pen CB 230&232Open,antara (Mandiracan-Ungaran) SC di saluran antara Gangguan 3 phasa-tanah (Saguling-Bandung) CB 0pen
3
2
2
2
2
2
2
2 2.698 2
CB 72&218Open, antara (Saguling-Bandung) Gangguan 3 phasa-tanah
2.754
CB 79&80Open, antara (Tasikmalaya-Pedan) Gangguan 3 phasa-tanah
2.748
CB 121&124Open,antara (Paiton-Grati)
2.698
untuk tiap titik gangguan. Gangguan yang di simulasikan adalah gangguan hubung singkat 3 phasa . Gangguan hubung singkat ini dapat menyebabkan sistem keluar dari batas kestabilan. Setiap studi kasus yang dijalankan dilengkapi dengan perbandingan gambar respon sudut rotor (power angle absolute), kecepatan (speed) dan power angle relative gambar Hasil simulasi tiap titik ditunjukkan pada tabel 2 TABEL II HASIL SIMULASI PERHITUNGAN CCT PADA SISTEM KELISTRIKAN 500KV JAWA-BALI CCT Titik Waktu Stabil Waktu tidak Stabil Gangguan (detik) (detik) SC Bus1 0.698 0.699 SC Bus2 0.757 0.758 SC Bus3 0.754 0.755 SC Bus4 0.754 0.755 SC Bus5 0.758 0.759 SC Bus6 0.757 0.758 SC Bus7 0.698 0.699 SC Bus8 0.757 0.758 SC Bus9 0.698 0.699 SC Bus10 0.754 0.755 SC Bus11 0.748 0.749 SC Bus12 0.758 0.759
Dengan metode “trial & error” dilakukan beberapa pengujian dalam mencari waktu pemutusan kritis (Critical Clearing Time) yaitu waktu antara sistem stabil dan sistem waktu tidak stabil. Waktu stabil merupakan waktu pemutusan saluran dimana sistem terlihat kembali kekeadaan semulanya atau stabil. 1. Studi Gangguan 3 Phasa di SC Bus3 (t = 2 s), Waktu Pemutusan Kritis (t = 0.754-0.755) Gangguan hubung singkat adalah gangguan yang paling sering terjadi. Gangguan hubung singkat dapat menyebabkan sistem keluar dari batas kestabilan. Dalam kasus HS ini akan dilakukan simulasi dan analisa hubung singkat yang terjadi di saluran antara (Cibinong-Depok), kemudian menganalisa respon sudut rotor, kecepatan dan power angle relative-nya terhadap kestabilan sistem dari kedelapan generator tersebut. Pada studi kasus kasus ini waktu pemutusan kritisnya (CCT) antara 0.754-0.755 detik.Hasil simulasi ditunjukkan pada gambar 4 sampai 9
2
2
B. Simulasi Stabilitas Transien Pada sub-bab ini akan dijelaskan mengenai hasil dari analisa stabilitas transient.Simulasi menggunakan Sistem interkoneksi 500 kV Jawa Bali terdapat 12 (dua belas) titik gangguan acak yang dicoba untuk mencari besarnya CCT
Gambar 4. Perbandingan respon sudut rotor pada delapan Generator pada detik 2.755 (waktu tidak stabil)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
4
Gambar 5. Perbandingan kecepatan (rpm) pada delapan Generator pada detik 2.755 (waktu tidak stabil)
Gambar 8. Perbandingan kecepatan (rpm) pada delapan Generator pada detik 2.754 (waktu stabil)
Gambar 6. Perbandingan relative power angle pada delapan Generator pada detik 2.755 (waktu tidak stabil)
Gambar 9. Perbandingan relative power angle pada delapan Generator pada detik 2.754 (waktu stabil)
Gambar 7. Perbandingan respon sudut rotor pada delapan Generator pada detik 2.754 (waktu stabil)
Berdasarkan gambar perbandingan hasil respon diatas,ketika terjadi gangguan 3 phasa pada SC Bus 3 di saluran antara (Cibinong-Depok) respon sudut rotor pada keadaan tidak stabil (t = 2.755 detik) terus berosilasi mencapai 380 degree untuk Generator Cirata, Grati, Gresik, Muaratawar, Paiton dan Tanjung Jati, keadaan ini terus terjadi dan tidak kembali pada posisi normal. Hanya Generator Suralaya yang sedikit mengalami kondisi tidak stabil. Hal ini disebabkan pembebanan generator, inersia dan damping generator masing-masing generator. Begitu pula dengan perbandingan kecepatan dan power angle relative. Jika pada perbandingan kecepatan kedelapan generator berosilasi sampai 1680 rpm,dan pada kecepatan generator Saguling dan Tanjung Jati terjadi penurunan kecepatan pada titik 900 rpm dan kembali naik pada posisi 1580 rpm sedangkan kecepatan keadaan generator Cirata, Grati, Gresik, Muaratawar dan Tanjung Jati turun sampai pada titik 1350 rpm, Hanya Generator Suralaya yang mampu kembali pada keadaan normal yaitu 1500 rpm. Sedangkan pada perbandingan power angle relative delapan generator tersebut mengalami osilasi sampai 180 degree dan tidak dapat kembali ke keadaan normal.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 Namun pada keadaan stabil (t = 2.754 detik) respon sudut rotor delapan generator tersebut berosilasi namun dapat kembali pada keadaan stabil. Demikian pula dengan respon kecepatan dan reactive power angle meskipun terjadi osilasi namun kedua parameter tersebut dapat kembali ke keadaan stabil. V. KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisis, maka dalam tugas akhir ini dapat ditarik kesimpulan bahwa: Gangguan Hubung Singkat yang paling parah terjadi di SC Bus3 (Saluran antara CibinongDepok) terlihat dari hasil simulasi respon sudut rotor generator, kecepatan dan relative power angle, semua generator menjadi tidak stabil dan tidak mampu kembali pada keadaan stabil. Terlihat dari respon sudut rotor generator, kecepatan dan relative power angle, generator yang cenderung tidak stabil adalah Generator Tanjung Jati. Dari 12 titik gangguan , 8 diantaranya tidak stabil. Untuk respon sudut rotor generator Tanjung Jati yang mengalami osilasi mencapai 200 degree dan turun hingga -120 degree. Kecepatannya (Rpm) berosilasi sampai 1680 rpm dan relative power angle generator Tanjung Jati mengalami osilasi mencapai titik 180 degree dan -180 degree. Perubahan sudut rotor ini dipengaruhi oleh beberapa faktor. Salah satu diantaranya pembebanan generator, inersia dan damping generator masing-masing generator. Generator yang memiliki inersia dan damping yang besar akan cenderung lebih stabil jika terjadi gangguan dan sebaliknya Dari 12 titik gangguan yang di simulasikan di sistem Jawa-Bali 500kV didapatkan waktu pemutusan kritis (critical clearing time) tercepat di SC Bus1 (saluran antara Suralaya-Cilegon), SC Bus7 (saluran antara Mandiracan-Bandung) dan SC Bus9 (saluran antara Mandiracan-Ungaran) yaitu 0.698-0.699 detik. Untuk waktu pemutusan kritis (critical clearing time) terlama terjadi di SC Bus12 (saluran antara Paiton-Grati) yaitu 0.758-0.759 detik. UCAPAN TERIMA KASIH
Dalam kesempatan berbahagia ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ida Sang Hyang Widhi Wasa (Tuhan YME) atas limpahan rahmat,taufiq dan hidayahnya sehingga penulis mendapatkan insprasi. Kedua orang tua Ayah dan Ibu tercinta yang selalu memberikan dukungan, semangat, doa dan materi yang berlimpah untuk keberhasilan putra tercinta. Seluruh rekan asisten laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik B-103 dan LIPIS B-204. Rekan-rekan satu angkatan LJ power 2010 atas kebersamaan,kerjasamanya dan kekompakannya selama menyelesaikan pendidikan diteknik elektro.
5 DAFTAR PUSTAKA 1. Imam Robandi, Margo Pujiantara, “Analisa Sistem
2. 3.
4. 5. 6.
Tenaga Modern [Pengantar stabilitas Dinamik]” Proyek PercepatanPendidikan Insinyur th 1996/1997 FTI ITS, 1997. Kundur, P., “Power System Stability and Control”, McGraw-Hill, Inc, 1994. IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions, “Definition and Classification of Power System Stability”IEEE Transactions on Power system , vol. 19, no. 2, may 2004. Penangsang, Ontoseno. “Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga Listrik 2”, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Stevenson, W.D., Jr and John J. Grenger, “Elements of Power System Analysis, 4th Edition”. McGraw-Hill, Inc, 1994. Saadat, H., “Power System Analysis”, McGraw-Hill, Inc, 1999..
