## Analisis Aliran Daya dan Stabilitas Sistem  Tenaga Listrik Sistem Multi Mesin dengan ETAP
Arief Budi Laksono ,  Zainal Abidin
*) Program Studi Teknik Elektro  Universitas Islam Lamongan email : ariefbudila@gmail.com , zainalabidin@unisla.ac.id

## Abstrak
Studi stabilitas sistem tenaga listrik sebagai masalah yang  penting dan kompleks dalam operasi sistem tenaga  yang  aman dari sistem tenaga ketika terjadi gangguan kecil atau besar dalam  sistem  tenaga  yang  terkoneksi.  Diskusi  ini  mempelajari  aliran  beban  dan  analisis stabilitas sementara sistem tenaga multi-mesin dengan software ETAP.
Sistem diagram tunggal sistem multi-mesin sistem 9-bus dikonfigurasikan dalam ETAP. Untuk  setiap  aliran  daya  sistem  daya  multi-mesin  dan  analisis  aliran  daya  telah  disediakan kelengkapan tool dalam ETAP.
Hasil data aliran beban disajikan untuk setiap kasus. Untuk  analisis stabilitas sementara, sistem  disimulasikan  dengan  gangguan  tiga  fasa  ke    bumi  dan    gangguan  satu  fasa  dalam ETAP.  Kombinasi  AVR,  Governor,  dan  PSS  menjaga  sinkronisasi  selama  semua  jenis kesalahan.  Variasi  sudut  rotor,  tegangan  bus,  dan  kecepatan  mesin  dipelajari    dalam  setiap studi  kasus.  Hasil  simulasi  ditunjukkan  melalui  analisis  grafis.  Dalam  studi  simulasi  ETAP menjelaskan  bawah  penerapan  PSS  dapat  meningkatkan  secara substansial  stabilitas  transien sistem tenaga.
Keyword : ETAP, stability, power flow, multimesin

## Abstract
Study of the stability of the power system as an important and complex problem in the operation of a power system that is safe from the power system when there are small or large disruptions  in  the  connected  power  system.  This  discussion  studies  load  flow  and  stability analysis while a multi-machine power system with ETAP software.
Single diagram system multi-engine system 9-bus system configured in ETAP. For  each multi-machine  power  system  power  flow  and  power  flow  analysis  have  been  provided  a complete tool in ETAP.
The results of the load flow data are presented for each case. For the transient stability analysis,  the  system  is  simulated  with  three  phase  disturbance  to  earth  and  single  phase interference  in  ETAP.  The  combination  of  AVR,  Governor,  and  PSS  maintains synchronization during all types of errors. Variations in rotor angle, bus voltage, and engine speed  were  studied  in  each  case  study.  Simulation  results  are  shown  through  graphical analysis. In the ETAP simulation study explains that the application of PSS can substantially improve the transient stability of the power system.
Keyword: ETAP, stability, power flow, multi-machine

## I. PENDAHULUAN
ETAP  adalah  software  analisis  sistem  tenaga paling komprehensif untuk desain, simulasi, operasi, dan  otomasi  pembangkit,  distribusi,  dan  sistem tenaga  industri.  ETAP  dikembangkan  di  bawah program  kualitas  yang  mapan  dan  digunakan  di seluruh  dunia  sebagai  perangkat  lunak  berpengaruh tinggi.  ETAP  adalah  perangkat  lunak  Simulink  di mana kita dapat menggambar, mengkonfigurasi dan menganalisis suatu sistem.
Definisi  stabilitas  sistem  tenaga  dan  berbagai metode  analisis  dan  kontrolnya  adalah  dibahas dalam [5]. Dalam buku ini, pemodelan PSS, aplikasi dan  dampaknya  pada  aplikasi  stabilitas  sistem
tenaga  telah  diilustrasikan  dengan  studi  kasus  dan contoh yang sesuai.
Dalam  [6]  pemodelan  sistem  tenaga  tunggal dan  juga  multi-mesin  telah  ditunjukkan  untuk stabilitas  sinyal  kecil  dan  analisis  stabilitas sementara.  Teori  detail  dan  representasi  variabel status  dari  Power  System  Stabilizer  (PSS) ditunjukkan  dalam  referensi  ini.  Artikel  [7] mempelajari  stabilitas  transien  sistem  tenaga  listrik berdasarkan  stabilitas  sudut  rotor  sementara kesalahan tiga fase, untuk menentukan jumlah garis yang  akan  dibangun  di  bawah  tegangan  1.200  kV dan  untuk  mengangkut  daya  9000  MW.  Simulasi
dilakukan menggunakan Perangkat lunak MATLAB / Simulink.
Analisis  terperinci  yang  dilakukan  dalam  [8] untuk  menentukan  parameter  stabilisator  sistem tenaga  untuk  stasiun  pembangkit  besar.  Studi-studi stabilitas  sinyal  kecil  dan  transien  dilaporkan  yang menunjukkan keefektifan stabilisator dalam meningkatkan  stabilitas  antar-area  serta  model osilasi  lokal  pembangkit.  (1)  Ref.  [9]  mencakup analisis  stabilitas  transien  dari  400  gardu  induk. Kesalahan  tiga  fase  terletak  di  bus  yang  ditentukan untuk  menganalisis  efek  lokasi  gangguan  pada waktu  pembersihan  kritis  pada  stabilitas  sistem. Untuk  menstabilkan  analisis  aliran  beban  sistem dilakukan.  Seluruh  simulasi  telah  telah  dikerjakan dalam ETAP.
Sistem  uji  bus  IEEE-9  disimulasikan  dan stabilitas  dianalisis  pada  perangkat  lunak  ETAP  di [1] Di sini, kesalahan dibuat pada bus yang berbeda dan  stabilitas  sementara  dianalisis  untuk  kondisi beban  dan  pembangkitan  yang  berbeda. Critical Clearing Time (CCT) dihitung dengan menggunakan domain  waktu  klasik  diperpanjang  dengan  metode kriteria  luas  yang  sama.  Variasi  frekuensi  dan tegangan  sistem  diamati  untuk  berbagai  lokasi gangguan dan CCT.

## Stabilitas Transient
Stabilitas  dapat  didefinisikan  sebagai  kemampuan untuk  merespons  gangguan  dari  operasi  normalnya dan  kembali  ke  kondisi  operasi  normal.  Sedangkan batas  stabilitas  adalah  transfer  daya  maksimum melalui bagian dari sistem yang mana batas stabilitas mengacu beroperasi dengan stabilitas.
Stabilitas  transien  adalah  gangguan  tiba-tiba  besar terjadi  karena  gangguan,  perubahan  beban mendadak dan timbulnya stabilitas sementara. Daya maksimum  dapat  ditransfer  melalui  sistem  tanpa kehilangan  stabilitas  di  bawah  gangguan  tiba-tiba disebut stabilitas sementara [3]
Sistem stabil ;

## Sistem tidak stabil
Gambar 1. Karakteristik Kestabilan Sistem
Power  System  Stabilizer  (PSS)    berfungsi mengontrol  generator  dalam  loop  kontrol  umpan balik  untuk  meningkatkan  redaman  osilasi  rotor disebabkan  karena  gangguan  sinyal  kecil  karena variasi  beban  dan  pembangkitan.  PSS  adalah kompensator lead-lag .  PSS  dapat  menentukan kecepatan,  frekuensi  mesin  atau  daya  sebagai  input dan menghasilkan torsi redaman dalam fase dengan kecepatan  rotor  untuk  memitigasi  osilasi  rotor. Dalam  sistem  tenaga  listrik,  PSS  memiliki kemampuan  untuk  mempertahankan  sinkronisasi semua generator untuk kondisi awal yang diberikan setelah mengalami gangguan fisik.
Adapun Fungsi  dari  PSS  ( Power  System Stabilizer ) adalah : Memperbaiki sistem redaman, memperbaiki  stabilitas  dinamik  sistem , m engurangi (mereduksi)  rugi daya, memperbaiki redaman  yang  tidak  optimal  di  seluruh  rentang operasi

## Gambar 2. Diagram sistem daya Pembangkit dengan PSS
Gangguan  ini  dapat  disebabkan  oleh perubahan  kecil  pada  tegangan  referensi  regulator tegangan  otomatis  yang  menghasilkan  osilasi  rotor yang  semakin  meningkat.  PSS  memodulasi  eksitasi generator, sehingga dapat mengembangkan komponen torsi listrik dalam fase dengan pengaturan kecepatan  rotor  untuk  meredam  osilasi  rotor.    PSS dengan  demikian  berkontribusi  pada  peningkatan stabilitas sinyal kecil dari sistem tenaga.
Dalam  proyek  ini  model  yang  didefinisikan digunakan  dari  IEEE  PSS  dipertimbangkan  untuk daya  analisis  stabilitas  sistem.  Diagram  blok  PSS ditunjukkan pada Gambar.2
Gambar 3. Diagram blok IEEE PSS
Tidak Stabil Stabil   mak t AVR Exciter AVR Generator & Jaringan Sistem

## Menentukan Stabilitas Transient Dengan Metode Kriteria Luas Sama
Studi  stabilitas  transient  meliputi  penentuan tercapai  atau  tidaknya  keserempakan  setelah  mesin mengalami  gangguan.  Gangguan  tersebut  dapat berupa pembebanan tiba-tiba, kehilangan pembangkit,  kehilangan  beban  yang  besar,  ataupun gangguan  pada  sistem.  Suatu  metode  yang  dapat digunakan  untuk  memprediksi  stabilitas  yang  cepat adalah metode kriteria luas sama. Metode ini hanya dapat  dipakai  untuk  suatu  sistem  satu  mesin  yang terhubung  ke  infinite  bus  atau  sistem  dua  mesin. Persamaan  (1)  dapat  digunakan  untuk  menurunkan metode kriteria luas sama sebagai berikut:
..................(1)
Dengan Pa adalah daya percepatan. Dari persamaan di atas di dapatkan:
.......................(2)
Jika kedua sisi kiri dan kanan dari persamaan di atas dikalikan dengan 2dδ/dt, didapatkan:

## (3)
Dapat ditulis dalam bentuk lain :
Integrasi kedua sisi kanan dan kiri menghasilkan :
...............(4)
Bila  pada  persamaan  (4)  kecepatanya  menjadi  nol sesaat  setelah  gangguan,  maka  di  dapatkan  kriteria luas sama sebagai berikut :
......... (5)
Mesin bekerja pada titik setimbang δ0. Pada titik ini daya  input  mekanik  Pm0  =  Pe0  seperti  ditunjukan pada  gambar  4.  Penambahan  daya  input  tiba-tiba yang dinyatakan oleh garis horizontal Pm1. Dengan Pm1  >  Pe0,  daya  percepatan  pada  rotor  adalah positif  dan  sudut  daya  δ  bertambah.  Kelebihan
energi yang tersimpan pada rotor selama percepatan awal adalah :
Gambar 4. Kriteria sama luas pada perubahan beban mendadak [10]

## METODOLOGI
Metode  simulasi  dalam  kajian  ini  adalah menggunakan  software  ETAP  ( Electrical  Transient Analyzer  Program ).  Langkah-langkah  mendesain sistem :
a.  Mengkonfigurasi jaringan single line 9bus IEEE pada lembar kerja ETAP
b.  Langkah analisis beban ( Load Analysis Step ) Setelah  gambar  desain  konfigurasi  di  lembar kerja  ETAP  dibuat  sesuai  prosedur  dan parameternya kemudian klik menu analysis load flow seperti menu gambar berikut:
b. Menganalisis Transient analysis step Dari  lembar  kerja  selanjutnya  dipilih  simbol transient analysis pada gambar berikut :
Adapun  diagram single line bus 9 bus IEEE dapat dilihat pada gambar 4  berikut :

## Gambar 4. Single line 9 bus IEEE

## HASIL DAN ANALISIS
Hasil  running  Aliran  Daya  9  bus  dengan  program ETAP :

## Gambar 5. Diagram Aliran Daya Single Line
Hasil  running    aliran  daya    sistem  9  bus dinyatakan  pada  tabel  1.  Dalam  laporan  aliran daya, pada bus tegangan ada kenaikan  pada bus 1 sebesar 4 %, pada bus 2, ada kenaikan 2.5%, pada bus  3,  kenaikan  2,5%,  pada  bus  4,  ada  kenaikan 2,57%,  pada  bus  6  ada  kenaikan  sebesar  1,2  %, bus 7 2,5% , bus 8 ada kenaikan 1,5% dan bus 9 ada  kenaikan  3,2%.  Sementara  pada  bus  5  ada penurunan di bus tegangan sebesar 0,43%.

## Tabel 1. Tabel Aliran Daya 9 Bus

## Karakteristik stabilitas transient pada sistem 9 bus
Pada  tes  transient  stability    sistem  9  bus, kecepatan dan sudut daya absolut generator 2 dan 3  disimulasikan  dengan  waktu  5  detik.  Respon yang  dihasilkan  terjadi  osilasi  dan  dalam  kondisi tidak  stabil  ( unstable )  dan  nilainya  selalu  naik.. Setelah  ditambahkan  PSS  ( Power  Sistem Stabilizer )  ,  kecepatan  generator  pada  waktu  5 detik mencapai kondisi stabil pada waktu 3.8 detik setelah kehilangan stabilitasnya.
Gambar 6. Diagram satu garis saat kondisi transien pada sistem 9bus
Hasil running program :
a. Generator tanpa  PSS

## Gambar 7. Generator speed terhadap time
Pada  gambar  8  terjadi  osilasi  yang  cenderung naik pada kecepatan generator.
Gambar 8. Generator Absolute Power Angle terhadap waktu (sec)
b. Generator dengan PSS
Gambar 9. Generator Speed terhadap waktu
Gambar 10. Generator absolute angle thd time

## PENUTUP
Dalam  simulasi  aliran  daya  dan  analisis stabilitas transient dilakukan dalam software  ETAP. Dalam sistem dipelajari  karakteristik aliran aliran & stabilitas  transien  sistem  pada  sistem  tenaga  9-bus. Performa  sistem  telah  diselidiki  untuk  skenario tipikal  gangguan.  PSS  digabungkan  dengan generator bus untuk  meningkatkan kinerja stabilitas transien  sistem.  Simulasi  telah  dilakukan  untuk parameter;  kecepatan  generator,  sudut  daya  relatif generator,  tegangan  bus,  sudut  tegangan  bus  tanpa dan dengan PSS. Telah diamati bahwa tanpa respon PSS  dari  parameter  sistem  berosilasi  dan  beberapa kasus  pada  dasarnya  tidak  stabil  dalam  kondisi gangguan.  Namun,  dengan  penerapan  sifat  osilasi PSS  dari  parameter  berkurang  dan  mencapai  posisi kondisi  stabil.  PSS  tidak  hanya  mengurangi overshoot dan undershoot sebagai  respons  tetapi juga cepat membawa sistem kembali normal.

## Referensi :
[1]   ETAP  manual,  ETAP  AUTOMATION  PVT. LTD.  INDIA, Available in Dept. EE, RCCIIT, APJ  Abdul  Kalam  Innovation  Center,  RCCIIT R&D Cell.
[2]   ETAP Power  station user guide, User-Defined Dynamic  Model, chapter 20.
[3]   C.L.Wadha,  Electrical Power System, New Age International Pub. pp. 230-245, 2003.
[4]   J.B.  Gupta,  A  Course  in  Electrical  Power System, S.K. Kataria & Sons; 2013 edition PP. 875-910, 2013
[5]   P.  W.  Sauer  and  M.  A.  Pai,  Power  System Dynamics  and  Stability,  Prentice  Hall.
Inc,1998.
[6]   P. Kundur, Power System Stability & Control ‖, Mc Graw Hill ,Inc, 1994.
[7]   F.  Selwa  and  L.  Djamel, “Transient  Stability Analysis  of  Synchronous  Generators  in Electrical  Network,”  International  Journal  of
Scientific    &  Engineering  Research,  vol.  5, no.8, August 2014.
[8]   P.  Kundur  ,  M.  Klein,  G.  J  Rogers  and  M.  S
Zywno,  “ Application  of  Power  System Stabilizer  for  Enhancement  of  overall  System Stability,” IEEE Trans. On Power system vol.4, no.2 , pp. 614-626, May 1989.
[9] J.  S.  Patel  and  M.  N.  Sinha,  “Power  System Transient  Stability  Analysis  Using  ETAP
Software,”  National  conference  on  recent Trends  in  Engineering  and  Technology, May2011 [10]  Cekdin  Cekmas,  2006, ”Sistem  Tenaga Listrik” , Penerbit Andi, Yogyakarta