load flow

6

ETAP (Electrical Transient Analysis Program)

LOAD FLOW (Aliran Daya)

P O W E R S Y S T E M S I M U L A T I O N L A B O R A T O R YI N S T I T U T E T E C H N O L O G Y O F S E P U L U H N O P E M B E R

w w w . p o w e r ‐ s y s t e m . e e . i t s . a c . i d

LO

AD

FLO

W

Simulasi Load Flow Analysis ETAP Power Station

2.1 Dasar Teori

Dalam studi analisa aliran daya didapat beberapa

kegunaan antara lain :

• Untuk mengetahui setiap tegangan pada sinyal yang

ada dalam sistem

• Untuk mengetahui semua peralatan, apakah

memenuhi batas yang ditentukan untuk menyalurkan

daya yang diinginkan

• Untuk mengetahui kondisi mula pada perencanaan

sistem yang baru

• Pada hubung singkat, stabilitas pembebanan

ekonomis

Daya listrik akan selalu mengalir ke beban, karenanya

dalam hal ini aliran dayanya juga merupakan aliran

beban. Pada dasarnya beban dapat digolongkan menjadi

dua macam yaitu beban statis dan beban dinamis. Pada

setiap simpul atau bus sistem terdapat empat parameter

atau besaran yaitu :

• Daya nyata (aktif)

• Daya semu (reaktif)

• Tegangan

• Sudut fasa

Dalam menganalisa aliran daya dihitung :

• Tegangan tiap bus

• Aliran daya di tiap saluran

Aliran daya pada saluran i-j ditentukan sebagai berikut :

Sij =Vi Tij*

dimana Zij adalah impedansi saluran ij. Dalam analisa

sistem tenaga (aliran daya) ada 3 klasifikaasi bus yaitu:

1. Load bus (PQ bus) cirinya adalah terhubung dengan

beban PQ dari beban diketahui dan tetap yang

dihitung adalah (V) dan sudut fasa.

2. Swing/slack bus (P dan V bus). Bus terhubung

dengan generator P dan |V| tetap (diketahui, sudut

fasa besarnya nol. Daya yang dihitung adalah daya

aktif dan reaktif. Berfungsi untuk mencatu rugi-rugi

daya dari beban yang tidak dapat dicatu dari

generator lain.

3. Generator bus, adalah bus yang terhubung dengan

generator P dan |V| diketahui dan tetap yang dihitung

adalah daya aktif dan sudut fasa dari generator.

Untuk menghitung aliran daya ada banyak metode yang

digunakan antara lain :

• Metode Gauss Seidel

• Metode Newton Raphson

A. Metode Gauss Seidel

Perhitungan analisa aliran daya memiliki

keuntungan:

• Perhitungan dan pemrograman relatif lebih

mudah.

• waktu tiap iterasi singkat.

• sesuai untuk sistem dengan jaringan sedikit, 5 bus

atau kurang.

sedang kelemahannya adalah :

• Pencapaian konvergen lambat

• Makin banyak bus jumlah iterasi juga akan

semakin bertambah.

Bila bus referensi diganti bus yang lain untuk sistem

radial tidak dapat mencapai konvergen. Penurunan

persamaanya dimulai dengan suatu rumusan simpul

dari persamaan jaringan. Kita akan menurunkan

persaman untuk suatu sistem empat bus dan

persamaannya yang umum akan dibahas kemudian.

Dengan swing bus ditetapkan sebagai nomor 1,

perhitungan dimulai dengan bus 2.Jika P2 dan Q2

adalah daya aktif, daya reaktif yang direncanakan

akan memasuki bus 2:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −=

ij

siiij Z

VVVS

7





LO

AD

FLO

W

V2 I12* = P2+j Q2

Dimana I2 dinyatakan sebagai

*2

222 V

jQPI −=

dengan admitansi sendiri dan mutual simpul sebagai

sukunya, serta generator dan beban diabaikan karena

arus yang masuk ke setiap simpul telah dinyatakan :

VYVYVYVYV

jQP24313212112

2

22 +++=−

Dengan menyelesaikan untuk V2 didapatkan

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+++−

−= )(1

424323121*2

22

222 VYVYVY

VjQP

YV

Persamaan di atas memberikan nilai yang telah

dikoreksi untuk V2 berdasarkan P2 dan Q2 yang

telah direncanakan bila nilai yang semula

diperkirakan dimasukkan sebagai ganti pernyataan

tegangan pada ruas kanan persamaan tersebut. Nilai

yang diitung untuk V2 tidak akan sesuai dengan nilai

untuk V2 . Dengan memasukkan nilai konjugate dari

V2 yang telah dihitung sebagai ganti V2*, untuk

menghitung nilai lain dari V2, penesuaian akan

tercapai dengan tingkat ketepatan yang baik setelah

beberapa iterasi, dan akan merupakan nilai V2 yang

benar dengan tegangan yang diperkirakan tanpa

memandang daya pada bus-bus lain. Tapi nilai ini

bukan merupakan penelesaian untuk V2 bagi

keadaan aliran beban yang ditetapkan karena

tegangan V2 didasarkan adalah nilai perkiraan pada

bus-bus yang lain. Sedang tegangan yang

sesungguhnya belum diketahui, dianjurkan untuk

membuat dua buah perhitungan V2 berturut-turut

(yang kedua sama seperti yang pertama kecuali untuk

pembentukan pada V2*). Untuk setiap bus sebelum

diteruskan ke bus yang lain. Setelah tegangan yang

dibetulkan diperoleh di tiap bus, nilai ini dipakai lagi

untuk menghitung tegangan yang dibetulkan pada

bus berikutnya. Proses ini diulang untuk tiap bus

berturut-turut untuk seluruh jaringan (kecuali untuk

swing) untuk menyelesaikan iterasi yang pertama.

Kemudian seluruh proses dilakukan lagi berulang-

ulang, hingga besarnya pembentukan tegangan pada

tiap bus kurang dari suatu indeks ketepatan yang

sebelumnya telah ditetapkan.

• Konsep – konsep dasar

Pada dasarnya daya listrik pada suatu elemen adalah

tegangan pada elemen tersebut dikalikan dengan arus

yang mengalir melalui elemen tersebut.

v = Vm cos ωt

i = Im cos (ωt-θ)

maka daya sesaat adalah :

S = v.i

= Vm cos ωt . Im cos (ωt-θ)

= 2

I . V mm cos θ (1 + cos 2ωt) + 2

I . V mm sin θ.sin2ωt

Atau

S = ⏐V⏐⏐I⏐cos θ (1 + cos 2ωt) + ⏐V⏐⏐I⏐sin θ. sin 2ωt

dimana ⏐V⏐ dan ⏐I⏐ adalah harga efektif dari tegangan dan arus :

• ⏐V⏐⏐I⏐ cos θ (1 + cos 2ωt)

selalu bertanda positif dengan harga rata – rata

P = ⏐V⏐⏐I⏐ cos θ

P adalah daya aktif/nyata (watt)

cos θ adalah power faktor :

a. lagging untuk rangkaian induktif

b. leading untuk rangkaian kapasitif

• ⏐V⏐⏐I⏐ sin θ. sin 2ωt

mempunyai harga positif dan negatif dengan harga rata-rata nol

Q = ⏐V⏐⏐I⏐ sin θ

Q adalah daya reaktif (Var)

Positif untuk beban induktif

Negatif untuk beban kapasitif

• Besaran Persatuan (pu)

pu = dasarBesaran

sebenarnyaBesaran

Empat besaran dalam sistem tenaga listrik antara

lain :

8





LO

AD

FLO

W

1. Arus ( Ampere )

2. Tegangan ( Volt )

3. Daya ( Volt Ampere)

4. Impedansi ( ohm )

Rumus dasar untuk menentukan Ibase dan Zbase :

Ibase = N-L KV

1KVA

B

φ

Zbase = ( )

φ1 KVA1000x KV

B

2N-L

= φ1 MVA

KV

B

2N-BL

Dengan menggunakan data 3∅ :

Ibase = L-L KV 3

3KVA

B

φ

Zbase = φ3 MVA

KV

B

2N-BL

Mengubah base

Zn(pu) = Zo (pu) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡oKVAnKVA

nKVoKV

B

B

2

B

B

Perlu diingat bahwa analisa sistem rangkaian 3 ∅

adalah menggunakan rangkaian 1 ∅ dengan asumsi

bahwa rangkaian seimbang.

B. Metode Newton raphson

Mempunyai keuntungan perhitungan dan

pemrogramannya relative mudah, waktu tiap iterasi

singkat, sesuai untuk system jaringan yang besar dan

tidak tergantung pada banyaknya bus, banyak sedikit

bus iterasinya sama.

9





LO

AD

FLO

W

Gambar 2.1. Preview Load Flow

Gambar 2.2. Lembar Kerja ETAP Power Stations

2.2 Load Flow Pada ETAP

Analisa aliran daya (Load Flow Analysis)

dilakukan untuk mengetahui besarnya tegangan bus,

faktor daya dari cabang, arus dan aliran daya yang terjadi

pada saluran dalam sistem. ETAP PowerStation Load

Flow Analysis adalah program simulasi untuk tujuan

analisa aliran daya. Sistem yang dapat dianalisa adalah

sistem radial maupun loop.

Studi aliran daya adalah studi yang memberikan

analsis aliran daya pada suatu sistem tenaga listrik yang

bertujuan untuk :

1. Memeriksa tegangan dan pengaturan tegangan

2. Memeriksa semua peralatan (transformator dan

saluran distribusi) apakah mampu untuk

mengalirkan daya yang diinginkan.

3. Memperoleh kondisi awal (eksisting) untuk

memperoleh studi – studi operasi ekonomis,

hubung singkat, stabilitas dan perencanaan

pengembangan sistem.

Untuk memulai load flow analysis maka single line

diagram (SLD) sistem tenaga listrik digambarkan

terlebih dahulu dengan memperhatikan komponen AC

dan DC serta peralatan yang digunakan. SLD biasa

digambarkan pada lembar edit (lihat gambar 2.2.).

2.3 Study Case Editor

Load Flow Study Case Editor berisi variable-

variabel kontrol untuk penyelesaian analisa aliran daya

dan beberapa pilihan format laporan atau hasil output

software (lihat gambar 3), untuk menampilkannya maka

pada Window pilih guest (Project Editor) setelah itu pilih

studi cases, load flow dan LF–Default.

Adapun variable-variabel yang terdapat dalam

load flow study case antara lain :

10





LO

AD

FLO

W

Gambar 2.3. Load Flow Study Case Editor

Gambar 2.4. Bus Editor

Gambar 2.5. Info Cable Editor

1. Study Case ID

Nama study case terdapat pada isian ini yang dapat

diubah – ubah dengan panjang maksimal karakter

penamaan sebanyak 12 karakter

2. Method

Terdapat beberapa metode yang digunakan dalam

analisa aliran daya yaitu Newton-Raphson, Fast-

decoupled, atau Accelerated Gauss-Seidel.

3. Maximum Iteration

Jumlah iterasi disarankan 2000 untuk metode Gauss-

Seidel dan 5 untuk Newton-Raphson dan Fast-

decoupled.

4. Precision

Menunjukkan ketelitian tiap iterasi dalam satuan p.u.

Pada metode Gauss-Seidel ketelitian tegangan

0.000001 p.u volts, dan 0.001 daya untuk Newton-

Raphson dan Fast-decoupled.

5. Acceleration Factor

Faktor percepatan ini digunakan pada metode

Accelerated Gauss-Seidel. Nilai yang biasa di pakai

adalah 1.2 s/d 1.7

6. Loading

Dalam bagian pembebanan load flow study case

editor, dapat ditentukan pembebanan operasi dengan

pemilihan kategori pembebanan dan faktor perbedaan

pembebanan

7. Category

pembebanan mempunyai sepuluh pilihan. Dengan

memilih sebarang kategori, powerstation

menggunakan prosentase pembebanan dari motor dan

beban statis seperti telah ditentukan.

8. Normal

Pilih normal untuk persen pembebanan untuk setiap

beban seperti yang telah dimasukkan untuk loading

category yang dipilih

9. Maximum

Jika ini dipilih, maka semua motor dan beban statis

yang secara langsung terhubung akan dikalikan

dengan faktor diversity maksimum tiap bus.

11





LO

AD

FLO

W

10. Minimum

Jika ini dipilih, maka semua motor dan beban

statis yang secara langsung terhubung akan

dikalikan dengan faktor diversity mainimum

tiap bus

11. Diversity Factor

Menunjukkan besarnya pembebanan untuk

semua motor dan beban statis

12. Initial Condition

Jika ini dipilih, maka semua motor dan beban

statis yang secara langsung terhubung akan

dikalikan dengan faktor diversity mainimum

tiap bus.

Ada dua keadaan yang bisa dipilih yaitu :

a. Use Bus Voltage

Menggunakan tegangan bus yang telah

ditentukan sebelumnya untuk harga awal

iterasi. Dengan pilihan ini dapat dilakukan

analisa aliran daya dengan harga awal

berbeda untuk tegangan tiap bus.

b. Use Fixed Value

Menggunakan harga awal tegangan bus

yang sama untuk semua bus. Dinyatakan

dalam persen dari tegangan bus nominal dan

sudut tegangan dalam derajat.

Setelah studi case editor terisi maka lanjutkan

dengan menggambar SLD ke dalam lembar kerja ETAP

sesuai komponen dan peralatan yang ada dalam sistem.

2.4 Set Up Data untuk Simulasi

Adapun data – data yang perlu diisikan ke

software untuk keperluan simulasi load flow adalah :

1. Single line diagram sistem tenaga listrik

2. Data motor

3. Data impedansi kabel

4. Data Transformator

2.5 Data untuk Analisa Aliran Daya

Data – data yang harus dimasukkan untuk studi

aliran daya yang disesuaikan dengan sistem tenaga listrik

yang dianalisa antara lain :

1. Data Bus

Data yang dibutuhkan untuk perhitungan aliran

daya meliputi :

• ID Bus

berupa nomor atau nama bus dari sistem

• Nominal kV

adalah tegangan nominal pada bus

• %V dan sudut (angle)

jika initial codition di set pada use bus voltage

2. Data Branch

Data branch (saluran) dimasukkan ke dalam branch

editor, yaitu transformator, transmision line, kabel,

reaktor, dan impedansi editor. Data yang

dibutuhkan dalam aliran daya meliputi

(Gambar2.5) :

• Nilai dan besaran, toleransi, temperature dari

branch Z, R, X atau X/R

• Panjang dan satuan dari kabel transmisi.

• Base kV, Impedansi dan base kVA/MVA

3. Data Synchronous Generator

Data Synchronous Generator (generator sinkron)

yang dibutuhkan dalam aliran daya meliputi

(Gambar 2.6) :

• Mode Operasi (Swing, Voltage Control atau

Mvar Control)

• kV nominal

• %V dan sudut untuk mode swing

• %V, MW loading, dan limit Mvar (Qmax dan

Qmin) untuk operasi mode voltage control

• Pembebanan MW dan Mvar untuk mode

Mvar control.

12





LO

AD

FLO

W

Gambar 2.6. Info Rating Generator Editor

Gambar 2.7. Info Induction Machine Motor

Gambar 2.8. Info Beban Statis Editor

4. Data Motor Induksi dan Motor Sinkron

Data yang diperlukan untuk analisa aliran daya

meliputi :

• Rating kW/HP dan kV

• Power faktor dan efisiensi pada pembebanan

100%, 75% dan 50 %

• % loading yaitu persen pembebanan pada motor

• Data kabel peralatan

5. Data Beban Statis


meliputi :

• Identifikasi beban yaitu identitas nama beban

• Rating kVA/MVA dan kV

• Power faktor

• % Loading


6. Data Beban Lumped


meliputi (Gambar 2.9) :

• Identifikasi beban yaitu identitas nama beban

• Rating kVA/MVA dan kV

• Power faktor

• % Loading


7. Data Transformator


meliputi :

• Identifikasi yaitu identitas transformator

• Rating kVA/MVA , max KVA/MVA

• Rating kV primer serta kV sekunder

• % Z, dan X/R

• Hubungan belitan

• Hubungan belitan

13





LO

AD

FLO

W

Gambar 2.9. Info Beban Lumped Load Editor

Gambar 2.10. Info Transformator Editor

8. Data – data Lain

Terdapat beberapa data yang berkaitan dengan

studi kasus yang juga harus dimasukkan. Data –

data ini diedit pada load flow study case editor. Hal

ini meliputi :

• Metode (Newton-Raphson, Fast-decoupled,

atau Accelerated Gauss-Seidel)

• Maksimum Iterasi

• Ketelitian

• Faktor percepatan untuk metode Accelerated

Gauss-Seidel.

• Loading Category

• Report (format laporan)

• Update (untuk tegangan bus dan load tap

changer tranformator yang menggunakan hasil

aliran daya)

Untuk data atau parameter yang diperlukan tetapi

tidak tercantum dalam data peralatan, dapat

memasukkan parameter dalam software yang diambil

data yang disediakan dalam library ETAP PowerStation

kemudian data tersebut disesuaikan dengan data

peralatan sebenarnya.

2.6 Simulasi Load Flow

Contoh input dari data – data peralatan dan

komponen guna simulasi load flow adalah sebagai

berikut :

1. Single Line Diagram (SLD) sistem tenaga listrik

Disesuaikan dengan SLD yang akan dianalisa,

dicontohkan adalah sebagai berikut:

14





LO

AD

FLO

W

Gambar 2.11. Single Line Diagram sistem tenaga listrik

Gambar 2.14. Transformator editor

15





LO

AD

FLO

W

Gambar 2.13. Beban Lumped

Gambar 2.14. Kabel

2. Beban Lumped

Dari gambar 12, terlihat bahwa beban lumped

mempunyi rating : Kapasitas daya 6.5 MVA, power

faktor 0.8, tegangan 6.6KV dan arus 568.6 A dan

pembebanan 100% yang berkomposisi sebagai

beban motor 80% dan beban statis 20%.

3. Transformator

Dari gambar 13,terlihat bahwa Tansformator

mempunyai tegangan pada sisi primer 33 kV dan

pada sisi sekunder 11 kV. Kapasitas tansformator

adalah 25 MVA dengan %Z sebesar 10%.

Transformator beridentitas 33-TR-3 . Tansformator

mempunyai hubungan belitan Y - ∆ dan pada sisi

bintang di grounding dengan sistem resistor

4. Cable

Dari gambar 13, terlihat bahwa impedansi

menggunakan kabel dengan data pada library ETAP

PowerStation. Jenis kabel adalah tembaga (Cu)

dengan kapasitas tegangan 33 kV berukuran

240mm2.dan jenis insulation EPR.

bahwa impedansi menggunakan data kabel dimana

nilai resistansi 0.074Ohm/km dan reaktansi

0.114Ohm/km.

16





LO

AD

FLO

W

2.7 Toolbar Load Flow Analysis

Adapun toolbar load flow analysis adalah sebagai berikut :

No Simbol Keterangan

1

Run Load Flow Studies : untuk menjalankan (running) program setelah SLD dan data seluruh

peralatan telah dimasukkan

2

Update Cable Load Current: untuk merubah kapasitas arus pada kabel sebelum load flow di

running

3

Load Flow Display Options: untuk mengatur hasil load flow yang ditampilkan sesuai dengan

peralatan yang operasi.

4

Load Flow Report Manager: untuk menampilkan hasil load flow

5

Halt Current Calculation: untuk menghentikan proses running load flow

6

Get Online Data: untuk menyalin data online jika computer interkoneksi dengan menggunakan

PSMS (online feature)

7

Get Archived Data: untuk menyalin data online jika computer terinterkoneksi.

2.8 Display Options Load Flow

Gambar 2.15. Display Option

1. Results Page

Anda dapat menentukan pilihan tampilan untuk

hasil perhitungan one-line diagram. Hasil ini dapat

ditampilkan untuk setiap plot step waktu. Hasilnya

meliputi tegangan bus ,voltage drop pada line

maupun load yg dipilih, losses pada branch dan

aliran daya pada setiap line

2. Color

Pilih warna untuk hasil load flow yang akan

ditampilkan pada one-line diagram

3. Show Unit

Pilih checkbox tersebut untuk menampilkan unit

dari hasil yang ditampilkan.

4. Voltage

Pilih antara nilai kV atau % untuk tampilan

tegangan pada one line diagram. % tegangan

ditampilkan berdasarkan tegangan nominal bus dlm

kV sbg base tegangan.

• Bus

17





LO

AD

FLO

W

Pilih checkbox untuk menampilkan tegangan bus

pada one line diagram.

• Load Term

Pilih checkbox ini untuk menampilkan tegangan

terminal beban (motor dan static load) pada one

line diagram.

5. % Voltage Drop

• Line / Cable

Pilih checkbox untuk menampilkan drop

tegangan pada bus dan kabel transmisi di one

line diagram.

• Load FDR

Pilih checkbox untuk menampilkan aliran daya

atau aliran arus unit yg ingin ditampilkan pada

one line diagram.

6. Meters

• Ammeter

Pilih checkbox untuk menampilkan arus primer

dari cabang dimana ammeter dipasang.

• Voltmeter

Pilih checkbox untuk menampilkan tegangan

primer dari cabang dimana voltmeter dipasang.

• Multi-meter

Pilih checkbox untuk menampilkan pengukuran

dari multimeter, termasuk tegangan bus, arus

dari cabang, aliran daya dari cabang, faktor daya,

dan frekuensi.

7. Branch Looses

Pilih checkbox untuk menampilkan losses pada

cabang di one line diagram. Losses ditampilkan

dalam [kW+jkvar] atau [MW+jMvar].

8. Power Flows

• Units

Pilih nilai yang akan digunakan (kVA atau

MVA)untuk menampilkan aliran daya pada one

line diagram

• kW + jkvar


dalam kW+jkvar atau MW+jMvar line diagram.

• kVA


dalam kVA atau MVA.

• Amp


dalam ampere.

• %Pf

Apabila checkbox amp atau kVA dipilih, anada

dapat memilih checkbox ini untuk menampilkan

%PF dari aliran daya pada one lin diagram.

9. Elements

• Branch

Pilih checkbox ini untuk menampilkan aliran

daya di seluruh cabang – cabang pada one line

diagram. ETAP menampilan aliran daya di ujung

dari cabang. Untuk trafo tiga fasa, ketiga aliran

daya semua ditampilkan

• Gen./Motor/Load

Pilih checkbox ini untuk menampilkan aliran

daya untuk generator, motor, MOV, kapasitor,

beban lumped, dan beban statik pada one line

diagram

• Composite Motor


yang mengalir pada motor gabungan.

• Composite Network


pada jaringan gabungan

2.9 Running Load Flow

Setelah single line diagram dari sistem dan parameter –

parameternya sudah diset maka sistem sudah siap

dianalisa.

Step by step running program adalah sebagai berikut :

• Tekan tombol 1 sehingga akan keluar side

toolbar seperti ditunjukkan oleh gambar 2.16.

• Tekan tombol 2 untuk menjalankan analisa

sistem oleh software.

18





LO

AD

FLO

W

Gambar 2.16. Step by step running analisa Load Flow

Gambar 2.17. hasil running load flow analysis

1 2

4

3

1 2

19





LO

AD

FLO

W

Gambar 2.18. complete page LF Report Manager

Gambar 2.19. Salah Satu Contoh Complete Report

Penjelasan gambar adalah sbb :

1) ID bus dan tegangan nominal bus

2) Power flow yg mengalir dalam kVA dan %PF pada

line yg bersangkutan.

3) Power loss pada line dalam kw dan kvar

4) Tegangan pada bus yg bersangkutan

2.10 Data Hasil Simulasi ETAP Power Station

Hasil dari load flow dapat diketahui melalui Load

Flow Report Manager dimana data keluaran yang dapat

diketahui meliputi :

1. Complete

Data yang tersedia berupa keseluruhan data yang

dimasukkan ke dalam system dan hasil running

program.

2. Input

Data yang tersedia berupa masukkan data kita pada

peralatan yang ada dalam sistem tenaga listrik

antara lain :

• Branch

• Bus

• Cable

• Cover

• EqCable

• XMFR&X

3. Result

Data yang tersedia sesuai dengan study case yang

dipilih yaitu load flow sehingga hasilnya adalah :

• LF Report

• LF Report Long ID

4. Summary

Terdapat data – data sebagai berikut :

• Loading

• Looses

• Summary

• Under Over Voltage

load flow

Documents

i d load flow v2 i12

p2 j q2 dimana i2 dinyatakan

load bus pq bus cirinya

berfungsi untuk mencatu

untuk menghitung aliran

bus referensi diganti

sudut fasa besarnya

sistem empat bus