1. konsep dasar analisis aliran daya

PT PLN (Persero)Pusat Pendidikan dan Pelatihan LUR/HAR/HAR TRANS GI/

1. KONSEP DASAR ANALISIS ALIRAN DAYA

1.1. Sistem Tenaga Listrik

Sistem tenaga listrik (Electric Power System) meliputi 3 komponen, yaitu :

1. Sistem Pembangkitan Tenaga Listrik

Pembangkitan, yaitu produksi tenaga listrik, dilakukan dalam pusat tenaga

listrik atau sentral, dengan menggunakan penggerak mula dan generator.

2. Sistem Transmisi Tenaga Listrik

Transmisi, atau penyaluran adalah memindahkan tenaga listrik dari pusat

tenaga listrik dengan nilai tegangan transmisi ke Gardu Induk, yang terletak

berdekatan dengan pusat pemakaian berupa kota atau industri besar. Saluran

transmisi merupakan mata rantai penghubung antara stasiun pembangkit dan

sistem distribusi dan menghubungkan dengan sistem-sistem daya lain melalui

interkoneksi.

3. Sistem Distribusi Tenaga Listrik

Suatu sistem distribusi menghubungkan semua beban pada daerah tertentu

kepada saluran transmisi. Dari Gardu Induk tenaga listrik didistribusikan ke

Gardu Distribusi dan ke pemakai atau konsumen.

Gambar 1.1 dibawah ini memperlihatkan secara skematis urutan dan fungsi-fungsi

pembangkitan, transmisi dan distribusi suatu sistem penyediaan tenaga listrik.

Gambar 1.1

Skema prinsip penyediaan tenaga listrik

Berbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan Hal - 1

Arah Energi

DistribusiTransmisiPembangkit


1.2. Studi Aliran Daya

1.2.1. Manfaat Studi Aliran Daya

Dalam menentukan operasi terbaik pada sistem-sistem tenaga listrik dan dalam

merencanakan perluasan sistem-sistem tenaga listrik, analisa mengenai studi aliran

beban memegang peranan penting.

Beberapa tujuan dari studi aliran beban ini adalah :

1. Untuk mengetahui komponen jaringan sistem tenaga listrik pada umumnya.

2. Mengetahui besarnya tegangan pada setiap bus (rel) dari suatu sistem

tenaga listrik.

3. Menghitung aliran-aliran daya, baik daya nyata maupun daya reaktif yang

mengalir dalam setiap saluran, dan memeriksa apakah semua peralatan yang

ada dalam sistem cukup besar untuk menyalurkan daya yang diinginkan.

4. Efek penataan kembali rangkaian-rangkaian dan penggabungan sirkit-sirkit

baru pada pembebanan sistem.

5. Kondisi-kondisi berjalan dan distribusi beban sistem yang optimum.

6. Kerugian-kerugian sistem yang optimum.

7. Rating tranformator dan tap range tranformator yang optimum.

8. Perbaikan dan pergantian ukuran konduktor dan tegangan sistem.

1.2.2. Input dan Output dari studi Aliran Daya

Data input membutuhkan perhitungan aliran daya dan data output yang

diperoleh dari perhitungan aliran daya adalah sebagai berikut :

Input Kondisi Sistem

Tenaga

Konfigurasi sistem (data koneksi)

Nilai impedansi yang tergantung pada tipe

dan panjang saluran transmisi

Impedansi Trafo



Kondisi Operasi

Kondisi Supply (level output generator,

tegangan terminal)

Kondisi permintaan (daya aktif dan reaktif

beban)

Fasilitas daya reaktif

Nilai tap trafo

Output

Aliran Daya Saluran transmisi dan peralatan seri lainnya

Tegangan Sudut dan phasa tegangan tiap-tiap bus

Rugi-rugi transmisi Bagian efektif dan bagain tidak efektif

Tabel – 1.1. Analisa Data

Sebagai tambahan dari data input dan data output seperti yang disebutkan

diatas ada beberapa point lain yang harus diperhatikan dalam perhitungan aliran daya,

seperti nilai kapasitas panas dari tiap-tiap peralatan seri dan setiap saluran transmisi

dan interval fluktuasi teganagan tiap-tiap bus yang diizinkan (meskipun tidak selamanya

diinput secara langsung). Beberapa hal dapat dipelajari dari perhitungan aliran daya.

1.3. Perhitungan Aliran Daya

Studi aliran daya dalam menunjang keberhasilan operasi yang optimal amat

penting, karena disamping dapat digunakan dalam perumusan dan solusi masalah

yang akan dibahas juga bertujuan untuk menentukan besarnya arus, daya dan faktor

daya serta daya reaktif di berbagai titik pada sistem daya yang dalam keadaan

berlangsung atau diharapkan untuk operasi normal.

Oleh sebab itu studi aliran daya sangat diperlukan dalam perencanaan serta

pengembangan sistem di masa-masa yang akan datang karena operasi yang

memuaskan pada sistem tenaga adalah bergantung kepada pengenalan serta

pengetahuan dari akibat adanya beban-beban, unit-unit pembangkit serta saluran

transmisi baru, sebelum semuanya dapat direalisasikan.



Untuk itu dalam menganalisa studi aliran daya fokus utama tertuju pada busnya

dan bukan pada generatornya. Dalam studi aliran daya dikenal berbagai bus antara lain

:

1. Bus Referensi

Adalah bus yang mempunyai besaran V tegangan dengan harga skalarnya

dan sudut fasa tegangan (v) dengan titik nol sebagai referensinya.

2. Generator Bus (Bus Pembangkitan)

Adalah bus yang diketahui daya nyata (P) dan tegangan V pada harga

skalarnya.

3. Bus Pembebanan

Adalah bus yang diketahui daya aktif beban (PL) dan daya reaktif beban (QL).

1.3.1. Satuan Per Unit (p.u)

Dalam analisa sistem tenaga dikenal istilah per-unit yang meruapakan standar

dalam perhitungan yang digunakan. Satuannya dikenal dengan isitilah pu Biasanya

dasar perhitungan untuk mendapatkan satuan per unit yang ditetapkan terlebih dahulu

adalah MVA dasar dan kVdasar, dan selanjutnya dihitung impedansidasar dan arusdasar.

Ketetapan dasar ini dipergunakan sebagai penyebut dimana parameter daya,

tegangan arus dan impedansi pada sistem tenaga listrik sebagai pembilangnya untuk

memperoleh satuan p.u

Dasar perhitungan yang digunakan adalah sebagai berikut:

MVA dasar = dipilih (MVA)

KV dasar = dipilih (kV),

dari dua dasar ini dapat dibentuk dasar selanjutnya, yaitu :

Impedansi dasar = ( )kV

MVAOhmdasar

dasar

2

Impedansi perunit =

Arus dasar =

Z pu (baru) = Berbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan Hal - 4 Zpu(awal)

kVdasar

kVbaru

p.u

MVAbaru

MVAdasar

2

**

3 . kVdasar

MVAdasar

Z x 1000 x MVAdasar

(kV)2

pu

Amp


Contoh :

Suatu sistem tenaga listrik dipasok dari Trafo 150/20 kV di Gardu induk, dengan

kapasitas 60 MVA mempunyai jaringan 20 kV dengan impedansi 10 Ohm , akan dicari

nilai per unitnya

Dipilih MVAdasar = 100 MVA

KVdasar = 150 kV di bus 150 kV, base di Bus 20 kV = 19/154 X 150 kV =

18,51 kV

I dasar = 100. 1000 /3.150 Amp = 384 Amp

Zdasar di Bus 20 kV = (18,51)2/100 = 3,4225 Ohm.

Sehingga diperoleh : ZL = 10 Ohm / 3,4225 Ohm = 2,922 pu.

1.3.2. Data Untuk Studi Aliran Daya

Titik tolak dalam mendapatkan data yang harus disediakan adalah diagram segaris

sistem tenaga listrik, sedangkan data-data yang diperlukan dalam analisa aliran beban

ini adalah :

1. Data Saluran Transmisi

Data saluran transmisi yang dimaksud adalah besarnya harga-harga

tahanan (R), reaktansi (X) dan ½ suseptansi dari setiap cabang saluran

transmisi (Y/2) dan data ini biasanya dalam p.u.

2. Data Transformator dan Tapnya

Untuk transformator adalah reaktansi dan tap-tapnya.Berbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan Hal - 5

60 MVA

150 kV 20 kV

ZL = 10 Ohm

Tap trafo

154/19 kV


3. Data Bus (Rel)

Yaitu data pembangkitan dan pembebanan. Data bus (rel) yang

dimaksud adalah data pembangkitan dan data beban dalam per MW

dan MVAR, serta data tegangan bus dalam satuan per unit.

4. Data Tambahan

Data tambahan yang dimaksud adalah penggunaan kapasitor.

1.3.2.1. Generator Serempak

Pada pusat-pusat pembangkit yang memanfaatkan energi thermal maupun pusat

pembangkit yang memanfaatkan energi air menggunakan mesin serempak sebagai

generator utamanya.

Generator ini dihubungkan ke transformator penaik tegangan selanjutnya dihubungkan

ke bus bar dan ini diasumsikan sebagai sumber daya dengan reaktansi serempak

tersambung seri, keluaran hasil perhitungan pada studi ini adalah besarnya tegangan

pada bus dimana generator ini terhubung, oleh karenanya bus-bus yang terhubung

dengan generator ini berupa P–V bus (bus generator) atau bus referensi (slack-bus).

1.3.2.2. Pengubah Tap Trafo

Dalam operasi sistem tenaga listrik khususnya dalam kaitannya dengan masalah

pengaturan tegangan, seringkali diperlukan perubahan posisi tap transformator.

Transformator daya pada umumnya dilengkapi dengan tap pada lilitannya untuk

mengubah besarnya tegangan yang keluar dari transformator. Perubahan tegangan

dilakukan dengan mengubah posisi tap transformator seperti yang ditunjukan pada

gambar 2.1


Pengubah Tap


Gambar 1.2

Lilitan transformator dengan pengubah kedudukan tap dalam keadaan

berbeban di lilitan tegangan tinggi

Namun tidak semua transformator dapat diubah posisinya dalam keadaan

berbeban. Transformator yang dioperasikan di GI umumnya posisi tapnya dapat

dirubah dalam keadaan berbeban, bahkan sering kali juga dilengkapi dengan pengatur

tegangan otomatis yang mengindera tegangan yang keluar dari transformator untuk

selanjutnya dipakai untuk memberi komando perubahan tap transformator dalam

rangka menjaga agar tegangan yang keluar dari transformator mempunyai nilai yang

konstan.

Apabila ada dua atau lebih transformator yang beroperasi paralel dan masing-masing

dilengkapi dengan pengatur tegangan otomatis, perlu ditentukan transformator mana

yang memberi komando sedangkan yang lain menjadi pengikut (follower).

Pengaturan tegangan secara operasional sering dilakukan dengan mengatur

kedudukan tap transformator. Tap transformator yang dapat dirubah dalam keadaan

berbeban (on load tap changer) umumnya terletak di sisi tegangan tinggi.

Dalam keadaan operasi normal di GI, umumnya daya mengalir dari sisi tegangan tinggi

ke sisi tegangan yang lebih rendah. Namun dalam keadaan darurat misalnya dalam

proses mengatasi gangguan dapat terjadi situasi bahwa tegangan harus dikirim dari sisi

tegangan yang lebih rendah ke sisi tegangan yang lebih tinggi. Dalam hal proses

pengiriman tegangan yang arahnya terbalik dari biasanya, harus diperhatikan bahwa

arah pengaturan tap transformator juga terbalik. Misalnya pada gambar 1.1 apabila

tegangan datang dari sisi tegangan yang lebih tinggi ke sisi tegangan yang lebih

rendah, apabila tegangan yang diterima hendak dinaikkan, tap harus digerakkan ke

bawah. Tetapi apabila arah datangnya tegangan dibalik, yaitu dari sisi tegangan yang

lebih rendah ke sisi tegangan yang lebih tinggi maka apabila tegangan yang diterima

hendak dinaikkan, tap harus digerakkan ke atas.

Apabila pengaturan tap transformator dilakukan secara otomatis dengan

menggunakan pengatur tegangan otomatis, maka pengatur tegangan otomatis akan

bekerja atas dasar tegangan yang diinderanya. Penginderaan tegangan umumnya

dilakukan pada sisi tegangan yang lebih rendah, sehingga dalam keadaan mengatasi Berbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan Hal - 7


gangguan seperti tersebut di atas, yaitu tegangan datang dari sisi tegangan yang lebih

rendah, apabila tegangan yang datang terlalu tinggi dan diindera oleh pengatur

tegangan otomatis, pengatur tegangan otomatis akan menggerakkan tap transformator

ke atas sehingga di sisi tegangan yang lebih tinggi tegangan akan naik, sedangkan

sesungguhnya diinginkan agar tegangan turun sehingga hal ini dapat membahayakan

peralatan instalasi. Hal ini disebabkan seperti uraian di atas, karena pengaturan

tegangan otomatis dibuat dengan pemikiran bahwa tegangan (dalam keadaan operasi

normal) datang dari sisi tegangan yang lebih tinggi ke sisi tegangan yang lebih rendah,

sehingga alat pengindera dan alat-alat kontrolnya yang memerintahkan gerakan tap

akan menuruti urutan atas dasar keadaan tersebut di atas. Bagian ini menjelaskan

metode pengukuran tegangan dari sistem tenaga. Untuk pengukuran level tegangan

sistem tenaga :

1. Metode pengukuran berdasarkan pengukuran daya reaktif yang disuply ke

sistem

2. Metode pengukuran berdasarkan rasio tegangan yang digunakan.

Kedua metode dapat disimpulkan kedalam tabel dibawah ini (dalam keadaan

pengukuran terus-menerus atau tidak, interval pengukuran dan fitur pengukuran.

Tabel 1.2. Metode Pengukuran tegangan

Metode

Pengukuran

Prosedur

pengukuran,

interval

pengukuran

Fitur

pengukuran

(1) Fasilitas

daya reaktif

Kapasitor

shunt

Jumlah yg

diparalelkan

diukur dari

Ketika level

tegangan

sistem suply

daya reaktif

turun



Reaktor

shunt

Ketika level

tegangan

turun,

penyerapan

daya reaktif

turun

(2) Peralatan daya reaktif

sinkron

Generator

Pengukuran

tegangan

yang baik

diperoleh dari

respon

fluktuasi

tegangan

sistem



(3) On-load tap trafo Nilai tap

diswich

Ketika tidak

ada sumber

daya disisi

sekunder

hanya

tegangan sisi

sekunder

yang

berubah.

Ketika tidak

ada sumber

daya disis

sekunder

tegangan sisi

primer,

tegangan

sekunder dan

aliran daya

reaktif

berubah.

1.3.2.3. Saluran Transmisi

Untuk kawat transmisi dapat digolongkan berdasarkan panjang salurannya, yaitu :

(William. D. Stevenson. 1984. hal : 100)

a. Saluran pendek (< 80 km)

b. Saluran menengah (80 - 250 km)

c. Saluran panjang (> 250 km)

1.3.3. Persamaan JaringanBerbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan Hal - 10


Untuk mendapatkan suatu perumusan yang melukiskan karakteristik jaringan

pada sistem tenaga listrik yang menggunakan referensi pada bus, maka dapat terlihat

suatu persamaan yang dapat diselesaikan dengan metode rangkaian tertutup atau

persamaan titik simpul.

Untuk jelasnya dapat dilihat penyelesaian di bawah ini untuk rangkaian pada

gambar 1.3.

Gambar 1.3

Jaringan sederhana tenaga listrik

Metode rangkaian tertutup

Dari gambar 1.3 didapatkan persamaan : (

........ (2.1)

Dengan mengatur suku-suku yang sama didapat :

........(2.2)

Sehingga untuk rangkaian tertutup bentuk standarnya adalah sebagai

berikut :

........ (2.3)


+

-

+

-

+

-

a

d

c

b

I1

e gf

I4

I2

I3


Metode titik simpul

Pada persamaan ini sumber tegangan diganti dengan sumber arus dan

besaran impedansi Z diubah menjadi besaran admitansi Y. Sehingga bila

dari gambar 1.3 dibentuk dengan besaran admitansi didapat :

Gambar 1.4

Jaringan dengan 5 titik simpul

Selanjut pada simpul 1 didapatkan :

........ (2.4)

........ (2.5)

Pada simpul 2

........ (2.6)

........ (2.7)

Selanjutnya dapat dibuat standarnya adalah sebagai berikut :


1

4

3

2

Ya

Ye

Yc

Yb

Yd

Yf Yh

Yg


........ (2.8)

Dari persamaan (2.3) dan (2.8) didapat perumusan dalam bentuk matrik

yaitu:

- Untuk persamaan (2.3)

........ (2.9)

- Untuk persamaan (2.8)

........ (2.10)

Untuk memudahkan notasi pada solusi, maka dari persamaan-persamaan

(2.9) dan (2.10) matrik tersebut dapat diwakili menjadi :

........(2.11)

1.3.4. Metode perhitungan

1.3.4.1. Persamaan Aliran Daya

Gambaran mengenai aliran daya yang terjadi dalam sistem beserta profil

tegangan sangat diperlukan untuk keperluan analisa situasi sistem. Untuk

mendapatkan gambaran mengenai aliran daya ini, diperlukan suatu perhitungan

yang biasa disebut sebagai perhitungan aliran daya. Perhitungan aliran daya ini

perlu dilakukan karena yang diketahui adalah beban daya aktif dan beban daya

reaktif yang ada pada setiap GI atau simpul dalam sistem..........



........ (3.10)

........ (3.11)

dengan

Dalam membentuk perumusan ini diperlukan suatu teknik pemecahan solusi

aliran daya. Sedangkan untuk menghitung aliran daya dapat dipergunakan beberapa

metode antara lain :

1. Metode iterasi Gauss dengan menggunakan matrik admitansi bus atau

matrik impedansi bus.

2. Metode iterasi Gauss – Sheidel yang merupakan pengembangan dari

metode iterasi Gauss.

3. Metode Newton – Raphson dengan menggunakan matrik admitansi

bus.

4. Metode Fast Decoupled yang merupakan penyederhanaan dari metode

Newton Raphson.

Dalam pembahasan selanjutnya teknik penyelesaian pengaturan daya reaktif

adalah dengan menggunakan metode Newton – Raphson yang merupakan pokok dari

permasalahan dari studi ini.

1.3.4.2. Metode Newton - Raphson

Dasar matematis yang digunakan dalam metode Newton – Rhapson adalah

dengan menggunakan deret Taylor. Apabila ada n buah persamaan non linier dengan n

variabel seperti halnya persamaan (3.10) atau persamaan (3.11) untuk sistem dengan n

buah simpul, yang dapat ditulis sebagai :

........ (3.12)

dimana K merupakan suatu konstanta. Untuk memecahkan persamaan (3.12)

dicoba suatu nilai terlebih dahulu misalnya . Selisih antara nilai

yang sebenarnya dengan nilai yang dicoba adalah .

Hubungan matematisnya adalah sebagai berikut :

........ (3.13)



Melihat persamaan (3.12), maka didapat pula :

........ (3.14)

Persamaan (3.14) diekspansikan ke dalam teorema deret Taylor akan menjadi :

................................. ........(3.15)

adalah turunan dari terhadap

dan diberi nilai , adalah fungsi pangkat lebih tinggi,

dan bila diabaikan , maka persamaan (3.15) dalam bentuk matrik menjadi :

........ (3.16)

atau :

........ (3.17)

dengan :

= matrik nilai fungsi

= matrik Jacobian

= matrik perubahan nilai (vektor koreksi)

Dalam alogaritma perhitungan aliran daya dengan menggunakan metode

Newton - Raphson, langkah-langkahnya adalah sebagai berikut :

a. Menghitung nilai-nilai P dan Q yang mengalir ke dalam sistem.

b. Menghitung nilai pada setiap rel.

c. Menghitung nilai-nilai untuk Jacobian.

d. Mencari invers matrik Jacobian dan mencari nilai nilai koreksi dan

.

e. Menghitung nilai-nilai baru dengan menambahkan dan

dengan nilai sebelumnya.

f. Kembali ke langkah a.



Dengan melihat persamaan (3.17) maka uraian pada butir a sampai dengan

butir b dapat dinyatakan sebagai berikut : untuk daya nyata ditulis sebagai

dan untuk daya reaktif ditulis sebagai , selanjutnya diperoleh :

........ (3.18)

........ (3.19)

disebut nilai residu.

dimana :

Pi didapat melalui persamaan (3.10)

Qi didapat melalui persamaan (3.11)

Sedangkan vektor koreksi pada persamaan (3.17) yaitu x dengan bentuk :

Vi, I

Nilai residu = Matrik Jacobian nilai koreksi

........ (3.20)

Sedangkan unsur - unsur matrik Jacobian tersebut adalah didapatkan

dengan membuat turunan parsial sebagai berikut :



Proses iterasi dilakukan dengan jalan menentukan invers dari matrik

Jacobian untuk menentukan nilai koreksi. Selanjutnya setelah nilai koreksi di

dapat, maka proses iterasi dilakukan dengan mencoba nilai baru dari V dan

yang besarnya = nilai percobaan pertama ditambah nilai koreksi yang didapat

Untuk simpul referensi besar sudut dan tegangan sudah ditentukan, nilai daya

aktif dan daya reaktif dihitung setelah semua proses untuk metode optimasi pada

setiap simpul selesai.

1.3.5. Hasil Analisa Aliran Daya

Pada prinsipnya, studi aliran daya menghasilkan suatu kondisi sistem yang biasa

diperlukan yaitu :

1. Tingkat Pembebanan

2. Mutu tegangan

3. Rugi rugi

1.3.5.1. Tingkat Pembebanan

Merepresentasikan aliran daya pada seluruh cabang, beban pada seluruh

busbar serta pembangkitan pada masing masing mesin pembangkit. Dapat juga

diketahui keseluruhan daya yang dibangkitkan.

1.3.5.2. Tingkat Tegangan

Tegangan hasil perhitungan pada seluruh gardu induk dapat dibaca. Dengan

mengamati besarnya tegangan maka dapat diidentifikasi tegangan yang kurang atau

tidak memenuhi syarat. Dalam hal seperti ini, siswa bisa memainkan perannya dengan

cara mencari alternatif dengan mengatur pembangkitan pada titik terdekat,

memasukkan kapasitor dll.

1.3.5.3. Rugi rugi

Seluruh rugi transmisi pada setiap cabang bisa dilihat, dan demikian pula secara total

sistem. Siswa bisa membuat percobaan dengan mengubah komposisi pembangkit atau

konfigurasi jaringan untuk menurunkan rugi rugi transmisi.


1. konsep dasar analisis aliran daya

Documents