TUGASOPERASI DAN KENDALI SISTEM TENAGA (EL5081)Studi Aliran Daya Menggunakan Software (ETAP PowerStation & MATLAB)

Dosen:Prof. Dr. Ir. Gibson H. Sianipar

Oleh: Priya Surya Harijanto23214049

MAGISTER TEKNIK TENAGA ELEKTRIKSEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKAINSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG2015Simulasi load flow dari sebuah sistem 6 bus dengan konfigurasi pada Figure 4.8 halaman 104.1. Single Line Diagram

Gambar 1. Aliran daya pada sistem 6 bus2. Data Impedansi Saluran

3. Data Bus

4. Data MVA Base, kV BaseMVA Base100 MVA1 pu

kV Base230 kV1 pu

5. Perhitungan Data Saluran Secara Riil From (bus)To (bus)R (pu)X (pu)BCAP* (pu)R (ohm)X (ohm)B (ohm)

120.10.20.0252.9105.87.56144E-05

140.050.20.0226.45105.87.56144E-05

150.080.30.0342.32158.70.000113422

230.050.250.0326.45132.250.000113422

240.050.10.0126.4552.93.78072E-05

250.10.30.0252.9158.77.56144E-05

260.070.20.02537.03105.89.4518E-05

350.120.260.02563.48137.549.4518E-05

360.020.10.0110.5852.93.78072E-05

450.20.40.04105.8211.60.000151229

560.10.30.0352.9158.70.000113422

6. Studi Aliran DayaStudi aliran daya adalah studi yang dilakukan untuk mendapatkan informasi mengenai aliran daya atau tegangan sistem dalam kondisi operasi tunak (steady state). Informasi ini sangat dibutuhkan guna melakukan evaluasi unjuk kerja dari sistem tenaga listrik dan menganalisis kondisi pembangkitan maupun pembebanan. Analisis ini juga memerlukan informasi aliran daya dalam kondisi normal maupun darurat.Masalah aliran daya mencakup perhitungan aliran dan tegangan sistem pada terminal tertentu atau bus tertentu. Representasi fasa tunggal selalu dilakukan karena sistem dianggap sistem yang seimbang. Didalam studi aliran daya, bus bus dibagi dalam 3 macam, yaitu : 1. Slack bus atau swing bus atau bus referensi2. Voltage controlled bus atau bus generator3. Load bus atau bus beban. Pada tiap tiap bus hanya ada 2 macam besaran yang ditentukan sedangkan kedua besaran yang lain merupakan hasil dari perhitungan. Besaran besaran yang ditentukan itu adalah : 1. Slack bus; harga skalar dan sudut fasanya .2. Voltage controlled; daya real P dan harga skalar tegangan .3. Load bus; daya real P dan daya reaktif QSlack bus berfungsi untuk menyuplai kekurangan daya real P dan daya Q pada sistem. Untuk melakukan studi aliran daya, pertama tama yang dilakukan adalah membentuk sebuah matriks admitansi bus. a. Matriks admitansi bus.Pada proses ini digunakan Hukum Arus Kirchhoff untuk mentransformasi impedansi impedansi saluran menjadi admitansi admitansi, yaitu :

Impedansi akan dinyatakan dalam satuan per unit pada dasar MVA.Untuk sistem n bus, persamaan arus pada simpul dalam bentuk matriks adalah : Apabila ada bus yang tidak saling terhubung maka elemen nilai matriks akan bernilai 0. Dengan adalah vektor arus bus yang diinjeksikan. Arus positif jika menuju bus dan negatif jika meninggalkan bus. adalah vektor tegangan bus yang diukur dari simpul referensi. dikenal sebagai matriks admitansi bus. Matriks admitansi bus ini terbentuk dari elemen diagonal masing masing simpul dan elemen diagonal antara simpul simpul. Elemen diagonal masing masing simpul adalah sama dengan penjumlahan dari admitansi yang dihubungkan padanya, dan dikenal sebagai admitansi sendiri, yaitu :

Sedangkan elemen diagonal antara simpul simpul adalah sama dengan admitansi yang dihubungkan padanya dengan tanda negatif, dan dikenal sebagai admitansi bersama, yaitu :

Jika arus bus diketahui, maka dapat diselesaikan untuk tegangan n bus, yaitu :

Invers dari matriks admitansi bus dikenal sebagai matriks impedansi bus .b. Persamaan Aliran DayaJaringan sistem tenaga listrik bercabang n dapat dimodelkan menggunakan aplikasi Hukum Arus Kirchhoff berikut ini : atau

Daya aktif dan reaktif pada bus i adalah :

Atausubtitusi untuk pada persamaan diatas, hasilnya:

Dari hubungan ini dapat diformulasikan perhitungan aliran daya dalam sistem tenaga harus diselesaikan dengan teknik iterasi. Terdapat 3 macam iterasi yang biasa digunakan dalam studi aliran daya yaitu : metode Gauss-Seidel, Newton Raphson , dan Fast Decoupled. Tetapi pada tugas ini hanya akan dibahas metode iterasi menggunakan metode Newton Raphson. c. Studi Aliran Daya Dengan Metode Penyelesaian Newton Raphson.Metode Newton Raphson merupakan metode yang cukup populer dan cocok untuk sistem yang kompleks dan ukuran yang besar. Dalam metode ini penyelesaian aliran daya dirumuskan dalam bentuk polar :daya kompleks pada bus i adalah :subtitusikan kedua persamaan diatas maka akan menghasilkan :

Pisahkan bagian real dan imajinerpersamaan diatas membentuk persamaan aljabar nonlinier dengan variable sendiri. Besarnya setiap variabel dinyatakan dalam satuan per unit dan untuk sudut fasa dinyatakan dalam satuan radian. Persamaan diatas dapat dikembangkan dari deret Taylor seperti persamaan berikut ini :

Dalam hal ini bus 1 diumpamakan sebagai slack bus. Matriks Jacobian memberikan perbandingan linier antara perubahan pada sudut tegangan dan besarnya tegangan dengan sedikit perubahan paa daya aktif dan daya reaktif . Dalam bentuk singkat dapat ditulis seperti berikut :

Banyaknya elemen matriks Jacobian dari persamaan diatas ditentukan dengan (2n 2 m) x (2n 2 m) dengan n adalah banyaknya bus pada sistem, sedangkan m adalah banyaknya voltage controlled busses pada sistem. diperoleh dari (n 1) x (n- 1), diperoleh dari (n 1) x (n 1 m), diperoleh dari (n 1 m) x (n 1), diperoleh dari (n 1 m ) x (n 1 m). Elemen diagonal dan diagonal luar untuk adalah :

Elemen diagonal dan diagonal luar untuk adalah :

Elemen diagonal dan diagonal luar untuk adalah :

Elemen diagonal dan diagonal luar untuk adalah :

Harga dari dan berbeda antara yang terjadwal dengan nilai perhitungan, dan ini disebut sisa daya (power residual) yang diberikan dengan :Perhitungan baru untuk sudut fasa dan tegangan bus adalah : berikut adalah diagram alir prosedur penyelesaian studi aliran daya dengan metode Newton-Raphson.

7. Simulasi Aliran Daya Menggunakan Software Matlab 7.0Metode yang digunakan untuk penyelesaian permasalahan analisis aliran daya pada tugas ini adalah metode Newton-Raphson. Metode ini digunakan untuk mendapatkan nilai tegangan pada masing masing bus yang belum diketahui sebelumnya dan menghitung rugi- rugi daya total pada saluran transmisi. Data data yang diperlukan telah dilampirkan pada point 2 5 diatas. Hasil analisis dari studi aliran daya ditunjukkan pada Tabel 1 berikut ini :

Tabel 1. Hasil analisis aliran daya sistem 6 bus

Data diatas adalah keadaan setelah dibebani 100 % dengan total pembebanan sebesar 210 MW yang diperoleh telah sama dengan yang ditunjukkan pada Gambar 4.8 diatas. Besar magnitude tegangan dan sudut fasa tegangan sama. Pembangkitan daya nyata dan reaktif pada tiap generator juga telah cocok dengan Gambar 4.8. Berikutnya adalah Tabel 2 yang merupakan hasil analisis aliran daya yang menunjukan besarnya aliran daya dan total losses pada saluran.

Tabel 2. Line flow and Losses sistem 6 bus

Tabel 3. Line flow and Losses sistem 6 bus (Lanjutan)

Pada sistem diketahui total losses daya nyata sebesar 7.875 MW dan daya reaktif sebesar 30 MVAR.

8. Analisis Aliran Daya Menggunakan ETAP PowerStation 4.0ETAP (Electrical Transient Analysis Program). Powerstation adalah software untuk power system yang bekerja berdasarkan plant (project). Setiap plant harus menyediakan modelling peralatan dan alat alat pendukung yang berhubungan dengan analisa yang akan dilakukan. Misalkan generator, data motor, data kabel, dll. Sebuah plant terdiri dari sub sistem kelistrikan yang membutuhkan sekumpulan komponen elektris yang khusus dan saling berhubungan. Dalam Powerstation, setiap plant harus menyediakan data base untuk keperluan itu.ETAP PowerStation dapat melakukan penggambaran single line diagram secara grafis dan mengadakan beberapa analisa/studi yakni Load Flow (aliran daya), Short Circuit (hubung singkat), motor starting, harmonisa, transient stability, protective device coordination, dan cable derating. ETAP PowerStation juga menyediakan fasilitas Library yang akan mempermudah desain suatu sistem kelistrikan. Library ini dapat diedit atau dapat ditambahkan dengan informasi peralatan bila perlu. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam bekerja dengan ETAP PowerStation adalah : 1. One line diagram, menunjukkan hubungan antar komponen/peralatan listrik sehingga membentuk suatu sistem kelistrikan. 2. Library, informasi mengenai semua peralatan yang akan dipakai dalam sistem kelistrikan. Data elektris maupun mekanis dari peralatan yang detail/lengkap dapat mempermudah dan memperbaiki hasil simulasi/analisa. 3. Standart yang dpakai, biasanya mengacu pada standart IEC dan ANSI, frekuensi sistem dan metode yang dipakai. 4. Study Case, berisikan parameter parameter yang berhubungan dengan metode studi yang akan dilakukan dan format hasil analisa. Catatan : Kelengkapan data dari setiap elemen/komponen/peralatan listrik pada sistem yang akan dianalisis akan sangat membantu hasil simulasi/analisis dapat mendekati keadaan operasional sebenarnya. Untuk melakukan analisis dengan ETAP PowerStation 4.0 langkah pertama yang dilakukan adalah menggambar Single Line Diagram sistem kelistrikan 6 bus pada lembar kerja yang didapat dilihat pada Gambar berikut :

Sistem terdiri dari 6 bus, 3 bus generator dan 3 bus load. Pada tiap ujung saluran transmisi terdapat peralatan pemutus daya HVCB (high Voltage Circuit breaker). Beban merupakan beban static load. Setelah menggambar langkah berikutnya adalah pengisisan parameter dari setiap elemen dalam sistem yang meliputi (generator, bus, load, dan saluran transmisi). Berikut akan ditunjukkan langkah pengisian parameter pada software ETAP PowerStation 4.0 :

1. Mengisi parameter generator (contoh generator 1)

Generator 1 berfungsi sebagai slack bus/swing dengan rating daya sebesar 200 MW,base tegangan sebesar 230 kVdengan sudut fasa 0 karena merupakan slack bus.

2. Mengisi parameter jaringan (contoh line from bus 1 to 2)Pada line data diketahui bahwa pada saluran transmisi dari bus 1 menuju bus 2 memiliki R (pu) = 0.10 ; X (pu) = 0.20 ; dan BCAP (pu) = 0.02. Setelah dilakukan perhitungan menggunkan MVA base sebesar 100 MVA dan kV base sebesar 230 kV maka dapatkan data real sebesar R (ohm) = 52.9 ; X (ohm) = 105.8 ; dan BCAP (ohm) = 0.0000756144 . Setelah itu data data real ini yang akan dimasukkan dalam simulasi.

3. Mengisi parameter busHal terpenting untuk pengisian parameter bus adalah level tegangan pada tiap bus. Pada sistem ini tiap bus menggunakan kV base 230 kV.

4. Mengisi parameter pembebanan (contoh pada bus 4)Pada data yang diberikan beban menyerap daya nyata dan reaktif berturut turut sebesar 70 MW dan 70 MVAR, total penjumlahanya menghasilkan daya reaktif sebesar 98.995 MVA. Pada analisis ini digunakan jenis beban lumped load dimana persentase jenis antara beban motor dan beban statis bisa diatur sesuai kebutuhan.

Setelah seluruh parameter terisi langkah berikutnya adalah masuk kedalam Load Flow mode dengan mengklik pada tombol Load Flow Analysis pada toolbar Mode. Perhatikan tool bagian kanan sekarang berganti menjadi toolbar Load Flow. Juga, toolbar Study Case muncul pada bagian atas toolbar.

Untuk mengedit dan memerintahkan jenis jenis load flow yang ingin dicapai maka klik icon berbentuk koper (dilingkari merah) pada gambar diatas sehingga akan muncul toolbar sebagai berikut :

Akan dipilih metode Newton-raphson dengan iterasi maksimum sebanyak 99 kali dan tingkat error sebesar 0.0001. pembebanan dipilih sesuai dengan desain yang diinginkan. Load diversity factor diabaikan, dan hasil simulasi akan menampilkan tegangan tiap bus (magnitude dan sudut fasa), aliran daya pada tiap saluran (MW dan MVAR). Setelah proses ini ditampilkan hasil simulasi dari Load Flow analysis menggunakan software ETAP PowerStation 4.0 berikut :

Pada existing sistem setelah dilakukan simulasi aliran daya pada gambar diatas diketahui bahwa pada bus 1,2, dan 3 terdapat tanda berwarna merah. Hal ini menunjukkan bahwa pada bus bus tersebut mengalami over voltage. Ini merupakan kelebihan dari simulasi menggunakan ETAP PowerStation dibandingkan dengan Matlab, karena secara pengisian data dan penggunaan lebih mudah, secara interface juga akan memudahkan pengguna untuk mengetahui alarm pada sistem apabila terjadi hal hal yang tidak wajar pada sistem.

9. KesimpulanDari pengerjaan studi analisis aliran daya menggunakan 2 software yaitu Matlab dan ETAP PowerStation 4.0 didapat beberapa kesimpulan sebagai berikut:a. Kedua software dapat digunakan dengan baik untuk analisa menggunakan metode Newton Raphson. b. Pada existing sistem setelah dilakukan studi aliran daya memberikan data bahwa pada bus 1,2,dan 3 mengalami overvoltage. c. Simulasi menggunakan software ETAP memberikan hasil yang kurang mendekati hasil sebenarnya dikarenakan kurangnya data pendukung. d. Simulasi menggunakan ETAP lebih memudahkan user/ pengguna untuk memahami setiap elemen dan tanda tanda pada sistem.