Diajukan sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Pendidikan Sarjana Ekstensi (PPSE) Pada Departemen Teknik Elektro
Oleh:
RIBET MICHAEL SIMORANGKIR
NIM : 1 0 0 4 2 2 0 61
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan penyertaannya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Optimal Power Flow Jaringan Sumatera Bagian Utara 150 kV” dengan baik.
Penulisan skripsi ini dimaksudkan untuk memenuhi persyaratan dalam memperoleh derajat kesarjanaan S1, Program Studi Teknik Elektro Ekstensi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak dalam penyelesaian skripsi ini, baik berupa bimbingan, arahan, saran, dorongan semangat maupun fasilitas. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Ir. Surya Tarmzi Kasim, M.Si selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara,
2. Bapak Yulianta Siregar, S.T., M.T. selaku dosen yang telah banyak meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis selama pembuatan tugas akhir ini.
3. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, M.T. dan Ibu Syska Yana, S.T. M.T selaku dosen penguji yang juga telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis.
4. Seluruh dosen dan karyawan Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
6. Teman-teman mahasiswa Teknik Elektro Ekstensi USU angkatan 2010 s/d 2013 yang tidak dapat disebutkan satu per satu oleh penulis, yang membantu dan mendukung dalam penyelesaian skripsi ini.
7. Pihak-pihak lain yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang turut membantu penulis menyelesaikan tugas akhir ini.
Penulis menyadari masih terdapat kekurangan dalam skripsi ini. Oleh karena itu, saran dan kritik yang membangun akan diterima dengan senang hati oleh penulis. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat bermanfaat terutama bagi penulis dan bagi pembaca.
Medan, April 2015
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR SINGKATAN ... ix
DAFTAR SIMBOL ... x
Abstrak ... xi
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang Masalah ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 2
1.3. Batasan Masalah ... 2
1.4. Tujuan Penelitian ... 3
1.5. Manfaat Penelitian ... 3
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1. Struktur Sistem Tenaga Listrik ... 4
2.2. Model Unit Pembangkit ... 5
2.3. Saluran Transmisi ... 6
2.3.1. Resistansi ... 7
2.3.2. Induktansi ... 7
2.3.3. Kapasitansi ... 8
2.3.4. Konduktansi ... 9
2.4. Representasi Saluran ... 9
2.4.1. Saluran Transmisi Pendek ... 9
2.4.2. Saluran Transmisi Jarak Menengah ... 10
2.5. Beban ... 11
2.6. Study Aliran Daya ... 12
2.6.1. Tipe Bus Pada Study Aliran daya ... 12
2.6.2. Pemodelan Untuk Study Aliran Daya ... 14
2.6.2. Metode Newton-Raphson ... 15
2.7. Economic Dispatch ... 17
2.8. Optimal Power Flow ... 18
BAB 3 METODE PENELITIAN ... 20
3.1. Sumber Data ... 20
3.2. Bahan Penelitian ... 20
3.2.1. Power System Analisys Toolbox (PSAT) ... 20
3.2.2. Perhitungan Aliran Daya ... 22
3.2.3. Perhitungan Optimal Power Flow ... 22
3.3. Data Awal Penelitian ... 23
3.3.1. Data Bus ... 24
3.3.2. Data Generator ... 26
3.3.3. Data Branch ... 27
3.3.4. OPF Data ... 29
3.4. Prosedur Penelitian ... 31
3.5. Diagram Alir Penelitian... 32
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 33
4.1. Pembagian Area dan Zona ... 33
4.1.1. Area NAD ... 33
4.1.2. Area Sumut ... 34
4.1.3. Area Inalum ... 35
4.2. Data Beban Dan Pembangkit ... 36
4.3.1.1. Pembangkitan ... 37
4.3.1.2. Tegangan ... 41
4.3.1.3. Pembebanan Saluran ... 45
4.3.2. Simulasi Optimal Power Flow ... 47
4.3.2.1. Pembangkitan ... 49
4.3.2.2. Tegangan ... 53
4.3.2.3. Pembebanan Saluran ... 58
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 61
5.1. Kesimpulan ... 61
5.2. Saran ... 62
DAFTAR PUSTAKA ... 63
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 PSAT vs MATLAB Toolbox Lainnya ... 21
Tabel 3.2 Tipe, Area, Zona Bus Sistem Kelistrikan 150kV Sumbagut ... 24
Tabel 3.3 Batasan Tegangan Sistem yang Diijinkan ... 26
Tabel 3.4 Spesifikasi Penghantar Sistem Transmisi 150kV Sumbagut ... 27
Tabel 3.5 Penghantar-penghantar Sistem Transmisi 150kV Sumbagut ... 28
Tabel 3.6 Biaya Pembangkitan Pada Sistem Kelistrikan Sumbagut ... 30
Tabel 4.1 Pembangkitan dan Pembebanan pada pukul 19.30 WIB ... 36
Tabel 4.2 Biaya Pembangkitan Kondisi Rill Pengoperasian PLN ... 37
Tabel 4.3 Tegangan Bus Simulasi Power Flow Data PLN ... 41
Tabel 4.4 Pembebanan Saluran Kondisi Rill Pengoperasian PLN... 45
Tabel 4.5 Besar dan Jumlah Biaya Pembangkitan OPF ... 48
Tabel 4.6 Profil Tegangan pada Kondisi OPF dan PLN ... 54
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pembagian Sistem Tenaga Listrik Secara Umum ... 4
Gambar 2.2 Aspek yang diperhatikan dalam operasi STL ... 5
Gambar 2.3 Rangkaian Ekivalen Saluran Transmisi Pendek ... 9
Gambar 2.4 Rangkaian Ekivalen Saluran Transmisi Jarak Menengah ... 10
Gambar 2.5 Sistem Transmisi Tiga Bus ... 14
Gambar 3.1 Skema Kerja PSAT ... 21
Gambar 3.2 Jendela Utama PSAT ... 22
Gambar 3.3 Wilayah Layanan PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumbagut ... 23
Gambar 3.4 Diagram Alir Penelitian ... 32
Gambar 4.1 Persebaran Gardu Induk Area NAD ... 33
Gambar 4.2 Persebaran Gardu Induk Area Sumut UPT Medan ... 34
Gambar 4.3 Persebaran Gardu Induk Area Sumut UPT P. Siantar ... 35
Gambar 4.4 Pembangkit Daya di Area NAD ... 38
Gambar 4.5 Pembangkit Daya di Area Sumut UPT Medan ... 39
Gambar 4.6 Pembangkit Daya di Area Sumut UPT P. Siantar ... 40
Gambar 4.7 Profil Tegangan Bus di Area NAD ... 43
Gambar 4.8 Profil Tegangan Bus di Area Sumut UPT Medan ... 43
Gambar 4.9 Profil Tegangan Bus di Area Sumut UPT P. Siantar ... 44
Gambar 4.10 Aliran daya tertinggi pada masing-masing saluran ... 47
Gambar 4.11 Pembangkit Daya di Area NAD (OPF vs PLN) ... 50
Gambar 4.12 Pembangkit Daya di Area Sumut UPT Medan (OPF vs PLN) .. 51
Gambar 4.13 Pembangkit Daya di Area Sumut UPT PSTAR (OPF vs PLN) . 52 Gambar 4.14 Perbandingan Nilai tegangan PLN vs OPF Area NAD ... 55
Gambar 4.15 Perbandingan Nilai tegangan PLN vs OPF UPT Medan ... 56
Gambar 4.16 Perbandingan Nilai tegangan PLN vs OPF UPT P. Siantar ... 57
DAFTAR SINGKATAN
E
ED : Economic Dispatch
G
GI : Gardu Induk
H
HSD : High Speed Diesel
M
MFO : Marine Fuel Oil
O
OPF : Optimal Power Flow
P
PDIPM : Primal Dual Interior Point Method
P3BS : Pusat Pengaturan dan Penyaluran Beban Sumatera PLN : Perusahaan Listrik Negara
S
Sumbagut : Sumatera Bagian Utara
Sumbagselteng : Sumatera Bagian Selatan dan Tengah
U
UPB : Unit Pelayanan Bisnis
DAFTAR SIMBOL
: sudut tegangan bus : sudut impedansi saluran
: komponen imaginer bilangan kompleks : komponen real bilangan kompleks
: fungsi biaya pembangkitan generator i
: arus pada bus i
: komponen matrix Jacobian : daya aktif beban pada bus i
: daya aktif pembangkitan generator i : daya aktif pada bus i
: rugi-rugi daya aktif saluran : daya reaktif pada bus i : daya semu pada bus i : tegangan pada bus i : tegangan hasil iterasi ke-k
ABSTRAK
Pada sistem interkoneksi tenaga listrik perlu dilakukan operasi pengaturan pembangkitan daya pada unit-unit generator dan penyaluran daya menuju titik-titik beban. Pengoperasian unit-unit pembangkit tersebut diusahakan agar bekerja dengan biaya operasi yang murah tanpa mengabaikan aspek keamanan dan kualitas pada sistem tersebut. Untuk mendapatkan biaya Pembangkitan yang murah, dapat diperoleh dengan melakukan economic dispatch pada unit-unit pembangkit tersebut. Aspek keamanan dan kualitas sistem ketenaga listrikan dipenuhi dengan menggunakan metode Optimal Power Flow. Aspek keamanan tersebut meliputi kekangan besar daya yang dapat dibangkitkan masing-masing pembangkit, kapasitas pembebanan pada saluran, sedangkan aspek kualitas meliputi batasan tegangan pada tiap-tiap bus. Metode Optimal Power Flow pada penelitian ini diaplikasikan pada sistem kelistrikan PT. PLN (Persero) Sumatera Bagian Utara 150 kV. Studi OPF dilakukan melalui simulasi dengan menggunakan Power Sistem Analisis Toolbox (PSAT) yang menggunakan primal dual interior point method (PDIPM). Hasil pengoptimalan aliran daya yang dilakukan pada sistem kelistrikan PT. PLN (Persero) Sumatera Bagian Utara adalah turunnya biaya pembangkitan sistem sebesar Rp. 342.152.567,37 per jam atau 15,42% dari biaya pembangkitan pada pola pengoperasian PT. PLN Sumbagut, dan pola pengoperasian yang tidak keluar dari batasan-batasan yang diizinkan.
ABSTRAK
Pada sistem interkoneksi tenaga listrik perlu dilakukan operasi pengaturan pembangkitan daya pada unit-unit generator dan penyaluran daya menuju titik-titik beban. Pengoperasian unit-unit pembangkit tersebut diusahakan agar bekerja dengan biaya operasi yang murah tanpa mengabaikan aspek keamanan dan kualitas pada sistem tersebut. Untuk mendapatkan biaya Pembangkitan yang murah, dapat diperoleh dengan melakukan economic dispatch pada unit-unit pembangkit tersebut. Aspek keamanan dan kualitas sistem ketenaga listrikan dipenuhi dengan menggunakan metode Optimal Power Flow. Aspek keamanan tersebut meliputi kekangan besar daya yang dapat dibangkitkan masing-masing pembangkit, kapasitas pembebanan pada saluran, sedangkan aspek kualitas meliputi batasan tegangan pada tiap-tiap bus. Metode Optimal Power Flow pada penelitian ini diaplikasikan pada sistem kelistrikan PT. PLN (Persero) Sumatera Bagian Utara 150 kV. Studi OPF dilakukan melalui simulasi dengan menggunakan Power Sistem Analisis Toolbox (PSAT) yang menggunakan primal dual interior point method (PDIPM). Hasil pengoptimalan aliran daya yang dilakukan pada sistem kelistrikan PT. PLN (Persero) Sumatera Bagian Utara adalah turunnya biaya pembangkitan sistem sebesar Rp. 342.152.567,37 per jam atau 15,42% dari biaya pembangkitan pada pola pengoperasian PT. PLN Sumbagut, dan pola pengoperasian yang tidak keluar dari batasan-batasan yang diizinkan.
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah
Energi listrik merupakan kebutuhan yang sangat vital di masa modern sekarang ini. Dalam menjalankan aktivitas sehari-hari manusia jaman sekarang sangat bergantung terhadap pasokan energi listrik. Kebutuhan akan energi listik ini dari waktu ke waktu semakin bertambah sesuai dengan perkembangan pralatan teknologi yang umumnya membutuhkan asupan energi listrik. Seiring dengan pertambahan daya listrik dari waktu ke waktu ini, mengakibatkan suplai pembangkit akan semakin bertambah besar [1-3].
Untuk membangkitkan energi listik, ada batasan yang tetap harus diperhatikan. Batasan tersebut antara lain batasan pada kapasitas pembangkit, batasan pengiriman daya (transmisi daya), dan biaya pembangkitan energi listrik tersebut. Batasan-batasan tersebut mengharuskan untuk merancang suatu system kelistrikan yang efektif dan efisien guna memenuhi ketersediaan energi listrik.
Sehubungan dengan keharusan untuk merancangan system yang efektif dan efisien tersebut, maka dilakukan metode pendekatan yaitu Optimal Power Flow (OPF). Optimal Power Flow (OPF) merupakan perhitungan untuk meminimalkan suatu fungsi yaitu biaya pembangkitan suatu pembangkit tenaga listrik atau rugi-rugi pada pada saluran transmisi dengan mengatur pembangkitan daya aktif dan reaktif setiap pembangkit yang terinterkoneksi dengan memperhatikan batas-batas tertentu. Batas yang umum dinyatakan dalam perhitungan analisis aliran daya optimal adalah berupa batas minimum dan maksimum untuk pembangkitan daya aktif pada pembangkit.
OPF digunakan untuk mengoptimasi aliran daya dari sistem tenaga berskala besar. Cara ini dilakukan dengan memperkecil fungsi-fungsi objektif yang dipilih sambil mempertahankan daya guna sistem yang dapat diterima dari batas kemampuan daya pada generator.
pembangkit termurah selalu menjadi pilihan pertama. Jika beban naik, generator yang lebih mahal yang kemudian akan dimasukkan. Jadi biaya pembangkitan sangat penting dalam penyelesaian.
Berdasarkan uraian diatas, penulis tertarik melakukan penelitian dengan judul : “OPTIMAL POWER FLOW JARINGAN SUMATERA BAGIAN UTARA 150kV”. Dalam penyelesaian permasalahan OPF ini, penulis menggunakan Power Sistem Analysis Toolbox (PSAT) untuk melakukan simulasi tersebut. Power Sistem Analysis Toolbox (PSAT) merupakan salah satu Toolbox dari MATLAB dasar dan Simulink yang penggunaan nya adalah untuk analisis dan kontrol sistem daya listrik [4].
1.2. Perumusan Masalah
Adapun perumusan masalah pada skripsi ini adalah:
1. Melakukan simulasi aliran daya (power flow) dengan PSAT untuk sistem kelistrikan PLN di Sumatera Bagian Utara berdasarkan data yang tersedia sehingga didapatkan data parameter sesuai dengan kondisi jaringan sebenarnya.
2. Apakah dengan melakukan simulasi Optimal Power Flow pada jaringan Sumatera Bagian Utara dengan menggunakan PSAT dapat menunjukkan hasil yang lebih optimal dibandingkan dengan data yang didapat dari PLN?.
1.3. Batasan Masalah
Untuk memfokuskan penelitian pada bagian yang dianggap paling penting, maka dilakukan pembatasan masalah sebagai berikut :
1. Kondisi sistem diasumsikan dalam kondisi tunak.
2. Data pembebanan untuk sistem dibatasi pada kondisi waktu tertentu yaitu beban puncak.
3. Tidak membahas mengenai gangguan-gangguan dan sistem proteksi yang terdapat pada sistem.
1.4. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini adalah :
1. Mengetahui apakah operasi sistem tenaga listrik yang dilakukan oleh PLN di sistem kelistrikan Sumatera Bagian Utara sudah optimal atau belum. 2. Mendapatkan pola operasi yang optimal dari simulasi optimal power flow. 3. Mengetahui dampak implementasi pada pola operasi menggunakan
optimal power flow pada sistem kelistrikan Sumatera Bagian Utara.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah :
1. Secara akademis, diharapkan penelitian ini dapat bermanfaat bagi penambahan referensi yang berkaitan dengan Optimal Power Flow di Departement Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Struktur Sistem Tenaga Listrik
Sistem ketenagalistrikan merupakan sekumpulan pusat pembagit dan pusat beban dimana antara satu sama lain dihubungkan oleh jaringan transmisi (interkoneksi). Oleh karena itu sistem tenaga listrik secara umum terdiri dari tiga komponen utama yaitu pusat pembangkit, transmisi, dan distribusi beban [3].
Pusat
Pembangkit Transmisi
Distribusi Beban
Gambar 2.1 Pembagian sistem tenaga listrik secara umum
Transmisi listrik menghubungkan pusat pembangkit dengan sistem distribusi. Pusat pembangkit dalam sistem tenaga listik terdiri dari beberapa unit pembangkit yang kerap kali tersebar luas pada pelayanan interkoneksi tersebut. Unit pembangkit ini terdiri dari berbagai macam pembangkit sesuai dengan masukan energi primer pembangkit tersebut. Energi primer yang digunakan antara lain batubara, panas bumi, nuklir, air, gas, minyak, matahari, dan sebagainya. Masing-masing jenis energi primer ini memiliki harga yang bervariasi, untuk itu perlu dilakukan pengoperasian pembangkit-pembangkit sehingga dapat bekerja terus-menerus dalam memenuhi kebutuhan beban.
Dalam pengoperasian sistem tenaga listrik sangat perlu diperhatikan tiga aspek penting sebagai berikut:
1. Ekonomi (Economy) 2. Keamanan (Security) 3. Kualitas (Quality)
menyebabkan terjadinya pemadaman pada sisi konsumen. Sistem disebut memiliki kualitas yang baik apabila sistem tersebut memiliki kemampuan untuk memberikan pelayanan dengan tegangan dan frekuensi yang sesuai standar.
Kualitas
Ekonomi
[image:18.595.229.395.185.318.2]Keamanan
Gambar 2.2 Aspek yang diperhatikan dalam operasi sistem tenaga listrik
Pada pelaksanaan pengendalian operasi sistem tenaga listrik ini, urutan prioritas dari ketiga aspek yang harus diperhatikan seperti yang telah di jelaskan diatas bisa berubah-ubah tergantung pada kondisi real time. Pada saat terjadi gangguan, maka keamanan adalah prioritas utama sedangkan mutu dan ekonomi bukanlah hal yang utama. Demikian juga pada saat keamanan dan mutu sudah bagus, maka selanjutnya ekonomi harus diprioritaskan.
Efisiensi pada proses produksi tenaga listik ini dapat diukur dari tingkat biaya yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik tersebut. Dalam pencapaian proses produksi yang efisien ini digunakan metode aliran daya newton raphson dan economic dispatch dalam pendekatan fungsi biaya yang optimal tersebut.
2.2. Model Unit Pembangkit
Dalam OPF, pusat pembangkit merupakan penyumbang terbesar dalam memenuhi aspek keekonomisan operasi sistem tenaga, karena biaya bahan bakar pada pembangkit-pembangkit tersebut merupakan komponen terbesar dalam biaya penyediaan tenaga listrik.
Ada dua karakteristik pembangkit yang digunakan sebagai dasar perhitungan OPF, yakni [5] :
- Heat-rate (H) = Btu per hour heat input to the unit
h Mbtu
- Fuel Cost (F) = $ per hour input to the unit for fuel
h $Besar nilai fuel cost F tersebut bergantung pada besar daya yang dibangkitkannya. Semakin besar daya yang dibangkitkan, maka nilai F ini juga semakin besar. Biasanya kedua bagian tersebut memiliki hubungan yang tidak linear.
Setiap pembangkit memiliki bentuk kurva F terhadap Poutput yang
berbeda-beda dan disinilah masalah tentang koordinasi pembangkit berasal. Berhubung karena setiap pembangkit memiliki karakteristik yang berbeda, maka perlu dilakukan analisis pembangkit mana yang murah dan mana yang mahal sehingga operasi sistem tenaga yang ekonomis dapat tercapai. Peminimalan biaya pembangkitan dengan memilih pembangkit murah untuk beroperasi belum akan cukup bila tidak melihat keadaan saluran dan beban. Pengoperasian pembangkit juga harus melihat dampaknya terhadap keadaan saluran dan beban yakni batasan saluran transmisi dan letak beban tersebut. Semakin jauh beban dari pusat pembangkit maka rugi-rugi saluran transmisi dan drop tegangan akan semakin besar.
2.3. Saluran Transmisi
tersebut dipengaruhi oleh parameter saluran transmisi yaitu resistansi, induktansi, kapasitansi dan konduktansi. Keempat parameter ini tergantung pada jenis konduktor yang digunakan dan konfigurasi saluran transmisi itu sendiri [6].
2.3.1. Resistansi
Resistansi (R) adalah penyebab utama dari terjadinya rugi-rugi daya (power loss) pada saluran transmisi. Rugi-rugi daya yang dihasilkan yaitu berupa panas. Resistansi suatu penghantar dirumuskan dengan [6] :
2
I P
R ... (2.1)
dimana R (Ω/m) merupakan resistansi efektif pada penghantar, ΔP (Watt) merupakan rugi daya pada saluran dan I (Ampere) merupakan arus rms.
Resistansi efektif suatu penghantar dipengaruhi oleh jenis arus yang mengalir pada penghantar dan konstruksi dari penghantar tersebut. Nilai resistansi efektif suatu jenis penghantar akan berbeda jika penghantar digunakan pada sistem dengan arus AC dan jika digunakan pada sistem dengan arus DC, yakni terkait dengan distribusi arus pada penghantar. Jika arus diasumsikan terdistribusi merata pada penghantar maka resistansi tersebut disebut sebagai resistansi DC. Jika arus diasumsikan tidak terdistribusi merata, maka resistansi tersebut disebut sebagai resistansi AC. Resistansi dc diberikan oleh rumus di bawah ini
A l
R0 (Ω) ... (2.2) dimana, ρ = resistivitas penghantar (ohm-meter
l = panjang konduktor (m)
A = luas penampang konduktor (m2)
2.3.2. Induktansi
Ds Deq
L2107ln (H/m per fasa) ... (2.3) dimana, Deq = rata-rata geometris dari ketiga jarak pada saluran tidak simetris
Ds = GMR penghantar
Nilai Deq didapatkan dengan perhitungan yang mengacu pada susunan
penghantar pada saluran. Nilai GMR suatu jenis penghantar spesifik untuk tiap jenisnya. Jika tiap fase hanya terdiri dari suatu penghantar, maka nilai GMR yang terdapat pada katalog penghantar dapat langsung digunakan. Tetapi jika penghantar untuk tiap fase adalah penghantar berkas, maka harus digunakan nilai GMR pengganti sesuai dengan konfigurasi penghantar berkas tersebut.
2.3.3. Kapasitansi
Kapasitansi pada saluran transmisi diakibatkan oleh perbedaan potensial antar penghantar pada saluran transmisi. Semakin tinggi level tegangan suatu saluran transmisi, maka kapasitansi saluran tersebut semakin diperhitungkan. Demikian juga dengan jarak saluran transmisi, semakin jauh saluran, maka nilai kapasitansi semakin diperhitungkan [6].
Kapasitansi antara dua penghantar pada saluran dua kawat didefenisikan sebagai muatan pada penghantar itu per unit beda potensial diantara keduanya. Dalam bentuk persamaan, kapasitansi per satuan panjang saluran adalah
v q
C (F/m) ... (2.4) dimana q adalah muatan pada saluran dalam coloumb per meter dan v adalah beda potensial antara kedua penghantar dalam volt. Kapasitansi ke netral di rumuskan sebagai berikut:
) / ln(
2 r D
k C
C
Cn an bn (F/m ke netral) ... (2.5) dimana, Cn = kapasitansi ke netral (F/m)
2.3.4 Konduktansi
Konduktansi (B) antar penghantar serta penghantar dengan tanah menyebabkan arus bocor (leakage current) pada isolator saluran overhead dan yang melalui isolasi kabel. Namun dalam kondisi riilnya, kebocoran pada isolator saluran overhead sangat kecil sehingga dapat diabaikan, sedangkan konduktansi antar penghantar biasanya dianggap sama dengan nol [6].
2.4. Representasi Saluran
Berdasarkan panjang saluran yang dimodelkan, rangkaian ekivalen untuk representasi saluran transmisi dibagi menjadi tiga, yaitu saluran transmisi jarak pendek yakni dengan panjang saluran kurang dari 80 km, saluran transmisi jarak menengah yakni dengan panjang saluran 80-240 km, dan saluran transmisi jarak panjang yakni dengan panjang saluran lebih dari 240 km [6].
2.4.1. Saluran Transmisi Pendek
Rangkaian ekivalen saluran transmisi pendek seperti pada Gambar 2.3 dapat di selesaikan dengan perhitungan rangkaian arus bolak-balik biasa [6].
Vs VR
+
-+
-Z = R + jωL
IS IR
[image:22.595.215.425.450.531.2]load
Gambar 2.3 Rangkaian Ekivalen Saluran Transmisi Pendek
Pada rangkaian ekivalen transmisi pendek ini, admitansi shunt diabaikan. Karena tidak terdapat cabang paralel (shunt), arus pada ujung-ujung pengiriman dan penerima akan sama besarnya dan
Is = IR (Ampere) ... (2.6)
Dimana Is dan IR merupakan arus pada ujung pengirim dan ujung penerima
.Tegangan pada ujung pengiriman adalah
Dimana Z adalah zl, yaitu impedansi seri keseluruhan saluran dan Vs dan VR
merupakan tegangan saluran terhadap netral pada ujung pengiriman dan ujung penerima.
2.4.2. Saluran Transmisi Jarak Menengah
Saluran transmisi jarak menengah seperti pada Gambar 2.4 dimodelkan dengan memasukkan admitansi shuntnya. Admitansi shunt di sini merupakan kapasitansi murni [6].
Untuk mendapatkan suatu rumus untuk Vs kita lihat bahwa arus dalam
kapasitansi pada ujung penerima adalah VRY/2 dan arus dalam cabang seri adalah
IR + VRY/2.
R R
R
S I Z V
Y V
V
2 ... (2.8)
R R
S V ZI
ZY
V
1
2 ... (2.9)
Vs
VR +
-+
-Z = R + jωL
IS IR
load
[image:23.595.150.482.321.510.2]Y/2 Y/2
Gambar 2.4 Rangkaian Ekivalen Saluran Transmisi Jarak Menengah
2.4.3. Saluran Transmisi Jarak Jauh
Perhitungan parameter saluran transmisi menggunakan perhitungan saluran transmisi jarak panjang lebih sering digunakan karena hasil yang diperoleh lebih akurat [6].
Saluran transmisi memiliki memiliki empat parameter lain yang digunakan dalam perhitungan arus dan tegangan di sisi pengirim dan penerima. Dalam saluran transmisi berlaku :
R R S S I V D C B A I V ... (2.10)
Sedangkan perhitungan parameter-parameter tersebut di atas adalah sebagai berikut :
l D
A cosh ... (2.11) l
Z
B C sinh
... (2.12)C
Z l
C sinh ... (2.13) Baik maupun Zckedua-duanya merupakan bilangan kompleks. Dimana
merupakan konstanta rambatan dan Zc merupakan impedansi karakterstik. Dari
persamaan diatas, maka dapat diperoleh penyelesaian VR , VS , IR, dan IS sebagai
suku-sukunya. R C R R R
S AV BI l V Z l I
V cosh
sinh
... (2.14)R R
C R
R
S V l I
Z l DI
CV
I sinh
cosh
... (2.15)Nilai tegangan pada persamaan di atas adalah tegangan saluran ke netral (line to neutral voltage) dan nilai arus adalah arus saluran. Dari persamaan di atas, maka dapat diketahui pengaruh parameter transmisi terhadap nilai tegangan dan arus baik dari sumber maupun penerima
2.5. Beban
2.6. Studi Aliran Daya
Permasalahan aliran beban atau aliran daya dimaksud untuk mendapatkan titik operasi yang stabil pada sistem ketenaga listrikan. Studi aliran daya ini secara rutin digunakan pada perencanaan, control dan pengoperasian sistem ketenaga listrikan sebagai perencanaan pengembangan kedepannya.
Studi aliran daya merupakan sebuah solusi pada sistem tenaga dengan operasi yang bersifat statis. Secara umum studi aliran daya digunakan untuk mendapatkan [7-8]:
1. Aliran daya pada saluran
2. Tegangan bus dan tegangan sistem
3. Efek perubahan pada konfigurasi sirkuit dan penambahan sirkuit baru pada sistem pembebanan.
4. Kondisi sistem pembebanan yang optimal 5. Rugi pada sistem yang optimal
6. Pengaturan tab pada trafo untuk pengoperasian yang ekonomis
7. Kemungkinan melakukan perbaikan pada sebuah sistem yang sudah ada dengan mengubah ukuran kabel dan tegangan pada sistem.
8. Efek in-phase dan kenaikan kuadratik tegangan pada sistem pembebanan. Solusi proses aliran daya memiliki dua tahap. Pertama dan merupakan satu hal penting yang bertujuan untuk mencari tegangan kompleks pada seluruh bus, untuk teknik analisis konvensional pada sirkuit yang linear tidak dapat dimanfaatkan. Ini merupakan konsekuensi pada daya kompleks. Step kedua merupakan penghitungan besaran aliran daya aktif dan reaktif, rugi tembaga dan lain-lain.
2.6.1. Tipe Bus pada Studi Aliran Daya
Bus pada sebuah sistem jaringan ketenaga listrikan umumnya terbagi menjadi tiga kategori yaitu generator bus, load bus (bus beban), dan slack bus, dan masing-masing memiliki spesifikasi seperti Besaran tegangan |V|, Sudut phasa tegangan ϕ, Daya aktif atau daya sebenarnya P, Daya reaktif Q [8-9].
Bus ini sering juga disebut sebagai PV bus. Melalui bus ini, daya aktif dari generator yang dibutuhkan beban disuplai dengan besar yang tetap (MW tertentu) dan nilai magnitudo tegangan yang juga tetap. Generator pada bus ini dikontrol tegangannya supaya bernilai tetap melalui eksitasi medan dengan menggunakan Automatic Voltage Regulator (AVR).
Dalam studi aliran daya, keluaran dari bus ini adalah besarnya MVar yang dibangkitkan oleh generator yang melekat padanya dan besar sudut tegangannya. Dalam kenyataan, biasanya kita akan menganggap P-V Bus sebagai Generator Bus karena generator memiliki kemampuan mengubah-ubah (variabel) daya reaktifnya, untuk menjaga agar besar tegangan di busnya tetap.
2. Bus Beban
Bus ini sering juga disebut sebagai PQ bus. Pada bus ini hanya terdapat beban saja (tanpa generator). Parameter yang diketahui pada bus ini adalah besar nilai daya aktif (P; MW) dan nilai daya reaktif (Q; MVar) yang merupakan besar dari beban tersebut. Dalam studi aliran daya, nilai yang dicari pada bus jenis ini adalah besar magnitudo tegangan dan sudut tegangannya.
3. Slack bus atau Swing bus
Dalam perhitungan aliran daya, slack bus dalam sebuah sistem hanya satu, dimana besar dan sudut tegangan diketahui/ditentukan. Daya aktif dan reaktifnya tidak diketahui. Bus yang dipilih sebagai slack bus harus mempunyai sumber daya aktif dan reaktif. Hal ini karena daya yang diinjeksikan ke bus ini harus bisa “berubah-ubah” agar didapat solusi dalam system tenaga listrik. Pilihan terbaik untuk slack bus memerlukan pengalaman dalam sistem yang dianalisis (biasanya ada lebih dari satu bus yang memiliki sumber daya aktif dan reaktif). Sifat dari sebuah solusi sering dipengaruhi oleh pemilihan slack bus.
Bus ini biasanya terhubung ke pusat pembangkit dengan kapasitas terbesar. Pada studi aliran daya, generator pada swing bus akan memenuhi segala kekurangan daya pada sistem. Melalui studi aliran daya, pada bus ini akan diperoleh besar nilai daya aktif (MW) dan (MVar) yang dibangkitkan oleh generator yang melekat padanya.
2.6.2. Permodelan untuk Studi Aliran Daya
Komponen-komponen dari suatu sistem tenaga listrik pada umumnya terdiri dari pusat pembangkit, dalam hal ini yang digambarkan adalah generatornya., transformator daya, saluran transmisi, kondesator sinkron arus statis, alat pengaman (pemutus daya dan relai-relai) dan beban yang terdiri dari beban dinamik dan beban statis [8].
[image:27.595.168.456.424.535.2]Semua komponen sistem tenaga saling terinterkoneksi melalui bus yang berbeda-beda. Permodelan sistem untuk sistem transmisi tiga bus dapat di tunjukan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Sistem Transmisi tiga Bus
Impedansi saluran menghubungkan bus 1, 2 dan 3 dinotasikan dengan Z12,
Z23, dan Z31. Saluran admittasi dinotasikan dengan y12, y22, dan y31.
Total suspectansi kapasitif pada bus ditunjukkan dengan y10, y20, y30.
Dengan menerapkan hukum kirchoff maka didapatkan arus pada masing-masing bus sebagai berikut.
I1 = V1 y10 + (V1 - V2) y12 + (V1 - V3) y12 ... (2.16)
I2 = V2 y20 + (V2– V1) y23 + (V2 - V3) y23 ... (2.17)
I3 = V3 y30 + (V3– V1) y31 + (V3 - V2) y31 ... (2.18)
3 2 1 33 32 31 23 22 21 13 12 11 3 2 1V
V
V
y
y
y
y
y
y
y
y
y
I
I
I
... (2.19) Dimana,y11 = y10 + y12 + y13 ... (2.20)
y22 = y20 + y12 + y23 ... (2.21)
y33 = y30 + y13 + y23 ... (2.22)
Sehingga,
3 2 1 23 13 30 23 13 23 23 12 20 12 13 12 13 12 10 3 2 1y
+
y
+
y
y
+
y
+
y
y
+
y
+
y
V
V
V
y
y
y
y
y
y
I
I
I
... (2.23)2.6.3. Metode Newton-Raphson
Perhitungan aliran daya diselesaikan dengan cara iterasi. Ada beberapa metode yang digunakan dalam perhitungan aliran daya yakni antara lain metode Gauss-Seidel, fast decouple, dan Newton-Raphson.
Metode Newton-Raphson sering digunakan dalam perhitungan aliran daya karena dengan metode ini, iterasi yang dilakukan relatif lebih cepat konvergen saat diaplikasikan pada program komputer [7-8].
Daya semu pada sistem tenaga listrik dirumuskan sebagai : *
i i i i
i P jQ VI
S i = 1,2,3,....,n ... (2.24) dengan :
Si = daya semu pada bus i (VA)
Pi = daya aktif pada bus i(Watt)
Qi = daya reaktif pada bus i (Var)
Vi = tegangan pada bus i
Ii = arus pada bus i
Jika diubah menjadi bentuk kompleks konjuget, maka persamaannya menjadi :
n k k iki
Y
V
I
1
... (2.26) Sehingga persamaannya menjadi :
n k k ik i ii jQ V Y V
P
1
* ... (2.27) Kemudian dari persamaan (2.25) dan persamaan (2.26) diperoleh rumusan daya aktif dan reaktif sebagai berikut :
k V n k ik Y i V i P 1
* ... (2.28)
k V n k ik Y i V i Q 1
* ... (2.29) Atau dalam bentuk polar dirumuskan sebagai berikut:
i j e i V i
V ... (2.30)
ik j e ik Y ik
Y ... (2.31)
Sehingga persamaannya menjadi :
) cos( | | 1 i k ik n k ik k i
i VVY
P
... (2.32) ) sin( | | 1 i k ik n k ik k i
i VVY
Q
... (2.33) Dalam melakukan iterasi pada perhitungan aliran daya, tegangan pada bus berayun (swing bus) diabaikan. Karena besar tegangan dan sudut fasenya ditetapkan secara spesifik sebagai referensi. Pada load bus, besar daya aktif dan reaktif harus diketahui terlebih dahulu sedangkan pada bus pengatur tegangan terlebih dahulu diketahui besar magnitudo tegangan busnya dan besar daya yang tetap dikeluarkan oleh generatornya.
Persamaan di atas bersifat linear dan dapat diselesaikan dengan menggunakan matriks Jacobian. Matriks Jacobian adalah turunan parsial dari persamaan daya aktif dan reaktif di atas terhadap sudut k
i
dan magnitudotegangan k i
V J J J J Q P 4 3 2
1 ... (2.32)
dengan elemen matriks Jacobian sebagai berikut :
n n n n P P P P P J 2 2 2 2 1 | | | | | | | | | | 2 2 2 2 2 n n n n V P V P V P V P V P J n n n n Q Q Q Q Q J 2 2 2 2 3 | | | | | | | | | | 2 2 2 2 4 n n n n V Q V Q V Q V Q V Q J Sehingga, n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n V V V Q V Q V Q V Q Q Q Q Q V P V P V P V P P P P P Q Q P P 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 | | | | | | | | | | | | | | | | ... (2.33)
2.7. Economic Dispatch
Tujuan economic dispatch (ED) adalah untuk meminimalkan komsumsi bahan bakar pada generator atau biaya operasional seluruh sistem dengan menentukan outpun daya pada tiap unit pembangkit dibawah batasan kondisi permintaan beban pada sistem. Dasar dari permasalahan economic dispatch adalah pada pengaturan karakteristik input dan output unit pembangkit daya [9].
Min F =
n
P
F( )=
n
c P b
aP2 )
Dimana : i = indeks unit yang dioptimalkan
F(Pi) = fungsi biaya input-output unit (Rp/jam)
Pi = daya yang dibangkitkan unit i
ai,bi,ci = koefisien biaya unit i pembangkit n = jumlah unit yang dioptimasi
Fungsi biaya pada persamaan diatas merupakan fungsi biaya yang bersifat polinomial. Untuk penggunaan fungsi biaya yang linear, maka koefisien yang digunakan adalah koefisien derajat satu pada fungsi diatas atau koefisien bi.
Parameter dari fungsi biaya merupakan karakteristik input-output pada unit generator yang didapat melalui:
1. Percobaan kondisi unit generator tersebut
2. Rekaman histori pengoperasian unit pembangkit 3. Design data unit generator yang disediakan pabrikan
Tujuan dari mendapatkan fungsi biaya pada unit generator adalah untuk mendapatkan titik interpolasi pembangkitan daya terhadap komsumsi bahan bakar ataupun biaya operasional unit pembangkit tersebut.
2.8. Optimal Power Flow
Secara historis upaya pertama pada pengoptimalan dalam sistem tenaga muncul di generasi dispatch. Economi dispatch klasik (ED) yaitu bagaimana mengalokasikan total permintaan di antara unit pembangkit untuk meminimalkan biaya penyediaan kebutuhan ini. Pada proses optimasi dalam sistem tenaga muncul kebutuhan untuk memasukkan kerugian transmisi di tujuan ekonomi, serta kendala pada arus listrik [5,10-11].
Primal-Dual Interior Point Method (PDIPM) memiliki fungsi obyektif untuk meminimalkan fungsi biayasebagi berikut :
Min FT =
NG
i
NG
i
i Gi i Gi i Gi
i P a P bP c
F
1 1
2
)
( ... (2.35) Selain itu, metode ini juga memiliki equality constraints , yaitu persamaan aliran daya aktif dan reaktif serta persamaan keseimbangan pembangkitan dan beban. Kondisi tersebut diformulasikan dalam persamaan berikut :
Qi(V,δ) – QGi + QDi = 0 ... (2.37)
NG i ND i L DiGi P P
P
1 1
0 )
( ... (2.38) dengan,
Pi(V,δ) =Vi
n j ij i j ij jY V 1 .
cos
... (2.39)Qi(V,δ) =Vi
n j ij i j ij jY V 1 .
sin
... (2.40)Persamaan (2.39) dan (2.40) diatas bukanlah persamaan linear namun dapat dilinearkan dengan ekspansi Taylor seperti berikut:
V J J J J V Q V P
22 21 12 11 ) , ( ) , ( ... (2.41) dengan 22 21 12 11 J J J Jadalah matriks Jacobian
Rugi-rugi transmisi (PL) yang diberikan pada persamaan (2.38) dapat
dihitung langsung dengan metode power flow.
Selain itu, pada metode PDIPM terdapat inequality constraints, yang terdiri dari batasan aliran daya pada masing-masing saluran, batasan daya aktif dan reaktif pada pembangkit, serta batasan magnitudo tegangan dan sudut tegangan pada masing-masing bus.
0 )
,
( V Smax
Sf
Batasan MVA saluran, from end ... (2.42)0 )
,
( V Smax
St
Batasan MVA saluran, to end ... (2.43)max , min
, Gi Gi
Gi P P
P ... (2.44)
max , min
, Gi Gi
Gi Q Q
Q ... (2.45)
max , min
, i i
i V V
V ... (2.46)
max , min
, i i
i
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1. Sumber Data
Dalam melaksanakan penelitian tugas akhir ini, dibutuhkan data-data yang berguna untuk mendukung analisis penelitian. Adapun sumber data yang diperlukan diperoleh dari PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumatera Bagian Utara.
3.2. Bahan dan Alat Penelitian
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah data single line diagram, busbar, generator, saluran, beban, logsheet operasi, dan biaya pembangkitan unit-unit pembangkit sistem tenaga listrik Sumatera Bagian Utara dari PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumatera Bagian Utara. Bahan tersebut kemudian diolah menggunakan software sebagai berikut :
1. Software simulasi : Matlab R2009a dan Psat 2.8.1 2. Software pengolah data : Microsoft Excel 2013
3.2.1. Power System Analysis Toolbox (PSAT)
Tabel 3.1 PSAT vs MATLAB toolbox lainnya
Package PF CPF OPF SSSA TDS EMT GUI CAD
EST √ √ √ √
MatEMTP √ √ √ √
Matpower √ √
PAT √ √ √ √
PSAT √ √ √ √ √ √ √
PST √ √ √ √
SPS √ √ √ √ √ √
VST √ √ √ √ √
[image:34.595.166.461.413.678.2]Skema kerja PSAT dalam melakukan berbagai macam simulasi, mulai dari jenis masukan datanya sampai dengan keluaran yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Untuk memulai menggunakan PSAT, tuliskan perintah dibawah ini pada command window MATLAB:
>>psat
[image:35.595.156.461.205.399.2]Setelah itu akan muncul jendela utama PSAT seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Jendela Utama PSAT
3.2.2. Perhitungan Aliran Daya
Power System Analisys Toolbox (PSAT) memiliki fitur untuk melakukan perhitungan aliran. Metode perhitungan aliran daya yang ada dalam software ini adalah Gauss-Seidel, Newton-Raphson dan fast decouple. Dalam penelitian ini, metode yang digunakan adalah metode Newton-Raphson.
Besaran-besaran yang dihasilkan melalui simulasi load flow ini adalah : 1. Magnitudo dan besar sudut tegangan di masing-masing bus
2. Daya aktif dan reaktif pada masing-masing bus
3. Aliran daya aktif dan reaktif pada masing-masing saluran 4. Rugi-rugi daya masing-masing dan total saluran.
3.2.3. Perhitungan Optimal Power Flow
Simulasi ini berbeda dengan perhitungan yang dilakukan pada simulasi load flow. Simulasi ini secara otomatis menghasilkan besar pembangkitan oleh masing-masing generator sesuai fungsi biayanya dan tanpa melanggar batasan-batasan pengoperasian seperti batasan-batasan minimal dan maksimal pembangkitan, batasan tegangan bus, dan batasan pembebanan saluran. Perhitungan optimal power flow dalam simulasi ini menggunakan fitur Matlab Dual Interior Point (MIPS).
3.3. Data Awal Penelitian
[image:36.595.170.455.335.524.2]Agar software dapat melakukan perhitungan dalam simulasi, perlu dilakukan pemodelan berdasarkan data yang ada dalam kondisi rill.
Gambar 3.3. Wilayah Layanan PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumbagut
Seperti terlihat pada Gambar 3.3, setiap bus terhubung melalui saluran transmisi sedemikian rupa di Provinsi Sumatera Utara dan Nanggroe Aceh Darussalam. Kemudian, sistem dimodelkan melalui parameter-parameter yang terdapat dalam bus dan saluran tersebut.
Nilai basis yang digunakan dalam simulasi adalah sebagai berikut : 1. Basis daya : 100 MVA
Basis-basis tersebut digunakan untuk mengubah parameter-parameter dalam satuan per unit [pu].
3.3.1. Data Bus
1. Bus_i
Tiap-tiap busbar dalam sistem tenaga listrik yang disimulasikan dengan menggunakan PSAT. Seperti yang terlihat pada Tabel 3.2, jumlah bus pada sistem tenaga yang disimulasikan pada penelitian ini adalah 47 bus dengan tegangan nominal 150kV.
2. Type
[image:37.595.133.494.387.753.2]Secara umum pada penelitian ini, jenis bus dibedakan menjadi dua tipe yakni bus pembangkit (swing bus dan voltage controlled bus) serta bus beban (load bus). Pembagian tipe bus pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Tipe, Area, Zona Bus Sistem Kelistrikan 150kV Sumbagut
No Bus Nama Bus Tipe Bus Area Zone
Lanjutan Tabel 3.2
30 Tebing Tinggi Beban 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 31 Perbaungan Beban 2 SUMUT 1 UPT Medan 32 Sei Rotan Beban 2 SUMUT 1 UPT Medan 33 Tanjung Morawa Beban 2 SUMUT 1 UPT Medan 34 Kualanamu Beban 2 SUMUT 1 UPT Medan 35 Medan Denai Beban 2 SUMUT 1 UPT Medan 36 KIM Pembangkit 2 SUMUT 1 UPT Medan 37 Inalum Pembangkit 3 INALUM Inalum
38 Kuala Tanjung Beban 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 39 Kisaran Beban 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 40 Aek Kanopan Beban 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 41 Rantau Prapat Beban 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 42 Gunung Tua Beban 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 43 P. Sidempuan Beban 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 44 Sibolga Pembangkit 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 45 Sipan1 Pembangkit 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 46 Sipan2 Pembangkit 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar 47 Labuhan Angin Pembangkit 2 SUMUT 2 UPT P. Siantar
3. Pd
Parameter Pd adalah besar daya aktif yang dibutuhkan oleh beban (MW) pada bus yang bersangkutan.
4. Qd
Parameter Qd adalah besar daya reaktif yang dibutuhkan oleh beban (MVar).
5. Area
Pembagian area menyatakan pembagian wilayah jaringan 150kV Sumbagut, area tersebut dibagi berdasarkan letak provinsi yang dilayani yakni Area 1 Sumatera Utara (Sumut), Area 2 Nanggroe Aceh Darussalam (NAD) dan tambahan satu area khusus yakni Area 3 (Inalum).
6. Vm
Pada studi aliran daya, nilai Va (voltage angle) untuk load bus dan voltage controlled bus merupakan nilai awal yang digunakan dalam iterasi perhitungan aliran daya tersebut. Sedangkan untuk swing bus, nilai Va diperoleh berdasarkan kondisi operasi dan nilainya tetap sebagai referensi bagi bus lain.
8. Base kV
Base kV merupakan basis tegangan yang digunakan oleh tiap-tiap bus. Pada simulasi ini, basis tegangan yang digunakan adalah 150kV.
9. Vmax dan Vmin
Vmax dan Vmin merupakan batasan tegangan maksimum dan minimum yang diperbolehkan pada bus dan nilainya memiliki satuan dalam per unit (Pu). Berdasarkan Aturan Jaringan Sistem Tenaga Listrik Sumatera tahun 2008 dikatakan bahwa tegangan sistem harus dipertahankan seperti pada Tabel 3.3 [12].
Tabel 3.3 Batasan Tegangan Sistem yang Diizinkan
Tegangan Nominal
Kondisi Normal
Max Min
275kV +10% -10%
150kV +10% -10%
66kV +10% -10%
20kV +10% -10%
Dengan kata lain, tegangan yang diizinkan dalam operasi sistem tenaga ini adalah 0.90 – 1.10 pu. Maka, rentang tegangan yang diizinkan untuk operasi pada sistem yang diteliti adalah 135 kV sampai dengan 165 kV.
3.3.2. Data Generator
Data generator dalam simulasi memiliki parameter-parameter sebagai berikut:
1. Bus
Bus di sini merupakan bus tempat atau lokasi generator. Pada bus ini dimungkinkan terhubungnya lebih dari satu generator (composite generator).
Merupakan besarnya daya aktif dan reaktif yang dibangkitkan oleh generator. Pada penelitian ini, besar daya generator yang dibangkitkan dilakukan dengan menggunakan data logsheet operasi harian PLN.
3. Qmax, Qmin, Pmax, Pmin
Merupakan batasan daya reaktif dan daya aktif yang mampu dibangkitkan oleh masing-masing unit generator.
4. Vg
Besarnya tegangan yang dioperasikan pada generator. Sama halnya dengan point nomor 2 (dua), nilai Vg disesuaikan dengan logsheet PLN.
3.3.3. Data Branch
[image:40.595.134.486.459.631.2]Data branch (data saluran) adalah data parameter masing-masing penghantar yang dimasukkan dalam PSAT. Parameter yang dimaksud antara lain adalah resistansi, reaktansi, suseptansi dan kapasitasi saluran. Masing-masing penghantar memiliki parameter dan karakteristik yang berbeda seperti yang disajikan pada Tabel 3.4.
Tabel 3.4 Spesifikasi Penghantar Sistem Transmisi 150kV Sumbagut
Jenis Kawat R(Ω/km) X(Ω/km) Y(μsi/km) RateA (MVA)
ACSR 1x240 0.1481 0.4419 2.888 167,5
HAWK 1x240 0.1478 0.4248 3.064 167,5
XLPE 1x240 0.1478 0.4419 2.888 167,5
DUCK 1x300 0.1031 0.399 2.883 192,3
HAWK 2x240 0.0739 0.2829 4.2896 335,2
DRAKE 2x400 0.0446 0.2938 4.2893 441,7
ZEBRA 2x429 0.0422 0.2994 4.0165 467,6
ZEBRA 4x429 0.0244 0.1994 6.7477 3600
1. fbus, tbus
Masing-masing bus dalam sistem tenaga listrik dihubungkan melalui saluran. Bus asal (fbus) dan bus tujuan (tbus) disesuaikan dengan nomor bus yang telah ditetapkan sebelumnya.
Parameter resistans yang di input pada diagram model PSAT adalah dalam satuan per unit (pu). Nilai parameter tersebut didasarkan pada penghantar yang digunakan yakni seperti pada Tabel 3.4. Resistans dalam satuan pu diperoleh dengan mengalikan resistans (Ω/km) pada tabel tersebut dengan panjang sirkuit saluran, kemudian membagikannya dengan basis impedans yakni 225Ω.
3. Reaktans (x)
Sama seperti resistans, parameter reaktans yang dimasukkan dalam diagram model PSAT adalah dalam satuan pu yakni berdasarkan Tabel 3.4. 4. Suseptans (b)
Parameter suseptans yang dimasukkan pada diagram model PSAT juga dalam satuan pu. Suseptans dalam nilai pu diperoleh dengan mengalikan suseptans (μsi/km) pada Tabel 3.4 dengan panjang sirkuit saluran kemudian dikalikan dengan 10-6, selanjutnya membagikannya dengan basis admitans. Basis admitans adalah kebalikan dari basis impedans, yakni 1/225 Ω = 0.04444 siemens.
[image:41.595.116.509.444.749.2]Data penghantar yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.5.
Tabel 3.5 Penghantar-penghantar Sistem Transmisi 150kV Sumbagut
Saluran Jarak (km)
Kapasitas Saluran
(MVA)
Tipe Saluran
Jenis Penghantar
Aek Kanopan - Kisaran 65.2 167.5 SINGLE ACSR 1 x 240 Aek Kanopan - Rantau Prapat 35.8 167.5 SINGLE ACSR 1 x 240 Banda Aceh – Sigli 90.3 167.5 DOUBLE ACSR 1 x 240 Binjai – BLWCC 35 467.6 DOUBLE ZEBRA 2 x 249 Binjai - P. Brandan 50.8 167.5 DOUBLE HAWK 1 x 240 Binjai - Paya Geli 13.9 335.2 DOUBLE HAWK 2 x 240 Bireuen - Lhoksemauwe 61.4 167.5 DOUBLE ACSR 1 x 240
Bireuen – Sigli 99.2 167.5 DOUBLE ACSR 1 x 240 BLWCC - Sei Rotan 26.4 3600 DOUBLE ZEBRA 4 x 429
Lanjutan Tabel 3.5
Idie – Lhoksemauwe 140 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 GIS Listrik - Titi Kuning 7.9 167.5 DOUBLE XLPE 1 x 240
Glugur - Paya Geli 11.9 192.3 DOUBLE DUCK 1 x 300 KIM - Sei Rotan 20.7 335.2 DOUBLE HAWK 2 x 240 Kisaran- Kuala Tanjung 57 167.5 DOUBLE HAWK 1 x 240 Kisaran - Rantau Prapat 101 167.5 SINGLE ACSR 1 x 240 Kuala Tanjung – T. Tinggi 35.7 167.5 DOUBLE ACSR 1 x 240 Langsa - Lhoksemauwe 186 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240
Langsa - P. Brandan 78.3 167.5 DOUBLE HAWK 1 x 240 Langsa - Tualang Cut 24.1 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 Labuhan Angin - Sibolga 28 335.2 DOUBLE HAWK 2 x 240 Labuhan - Lamhotma 3.2 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 Mabar - Paya Pasir 5.9 167.5 DOUBLE DUCK 1 x 300 Namorambe - Paya Geli 30.4 192.3 SINGLE DUCK 1 x 300 Namorambe - Titi Kuning 12.4 192.3 SINGLE DUCK 1 x 300 P. Siantar – Porsea 72.5 167.5 DOUBLE HAWK 1 x 240 P. Siantar - Tebing Tinggi 49.4 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 P. Sidempuan- Rantau Prapat 124 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 P. Sidempuan - Sibolga 70.8 167.5 DOUBLE HAWK 1 x 240 Paya Geli - Paya Pasir 21.3 192.3 DOUBLE DUCK 1 x 300 Paya Geli - Titi Kuning 30.4 192.3 SINGLE DUCK 1 x 300 Paya Pasir - Sei Rotan 23.7 192.3 DOUBLE DUCK 1 x 300 Perbaungan - Sei Rotan 36.5 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 Perbaungan - Tebing Tinggi 53.5 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 Porsea – Tarutung 61.7 167.5 DOUBLE HAWK 1 x 240 Renun – Sidikalang 24.9 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 Sei Rotan - Tanjung Morawa 7.8 335.2 SINGLE HAWK 2 x 240 Sei Rotan - Tebing Tinggi 53.5 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 Sei Rotan - Titi Kuning 17.2 192.3 DOUBLE DUCK 1 x 300 Sipan2 - Sipan1 3 167.5 SINGLE HAWK 2 x 240 Sibolga - Sipan1 4.1 167.5 SINGLE ACSR 1 x 240 Sibolga - Sipan2 4.1 167.5 SINGLE ACSR 1 x 240 Sibolga – Tarutung 49.5 167.5 DOUBLE HAWK 1 x 240 Sidikalang - Tarutung 121.9 167.5 SINGLE ACSR 1 x 240
Sidikalang – Tele 40.4 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 Sigli – Naganraya 12 167.5 DOUBLE ACSR 1 x 240 T. Morawa - Kualanamu 12 167.5 DOUBLE HAWK 1 x 240
Tarutung – Tele 81.5 167.5 SINGLE HAWK 1 x 240 Kuala Tanjung - Inalum 12 335.2 DOUBLE ACSR 1 x 240
3.3.4. OPF Data
OPF Data adalah kumpulan data-data masukan PSAT yang mengidentifikasi biaya pembangkitan generator (Generator cost) di masing-masing bus. Fungsi obyektif biaya pada OPF data dioptimalkan melalui perhitungan pada simulasi PSAT.
unit generator. Terdapat dua jenis fungsi biaya yang dapat dimasukkan dalam PSAT yakni fungsi polinomial dan fungsi piecewise linear. Pada penelitian ini, fungsi biaya yang digunakan adalah sesuai data dari PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumbagut. Fungsi biaya yang digunakan dalam penelitian ini adalah fungsi linear (satu variabel) yakni berdasarkan biaya pembangkitan seperti pada Tabel 3.6.
Tabel 3.6 Biaya Pembangkitan Pada Sistem Kelistrikan Sumbagut
Nama Pembangkit Bahan Bakar Bus P Max
P Min
Biaya Pembangkitan
(Rp/kWh)
Lanjutan Tabel 3.6
PLTMH Sei Silau Air P. Siantar 8.8 3 541,26 PLTU Evergreen Batu bara KIM 2 0.5 787,20 PLTU Growth Asia 1 dan 2 Biomass KIM 20 5 2.587,91 PLTU Growth Sumatera#1 Biomass KIM 12 5 2.587,91 PLTU Growth Sumatera#2 Biomass KIM 6 3 2.587,91 PLTA Tangga Air Inalum 324.4 10 400,63 PLTA Siguragura Air Inalum 292.8 10 400,63 PLTMH Raisan Air Sibolga 5 4 5,00 PLTA Sipan1 Air Sipan 1 33 5 5,00 PLTA Sipan2 Air Sipan 2 17 1 5,00 PLTU Lab. Angin 1 Batu bara Labuhan Angin 115 5 502,30 PLTU Lab Angin 2 Batu bara Labuhan Angin 115 5 502,30
3.4. Prosedur Penelitian
Perhitungan aliran daya (load flow) dan optimal power flow pada penelitian ini dilakukan dengan menggunakan software Power Sistem Analisis Toolbox (PSAT), sedangkan pengolahan data hasil keluaran simulasi dilakukan dengan menggunakan bantuan software Microsoft Excel. Adapun urutan prosedur pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Memodelkan sistem pada Psat
Hal yang dilakukan dalam tahapan ini adalah mengumpulkan data berupa single line diagram, data bus, data saluran (penghantar), data pembangkit dan data beban, lalu membuat model single line diagram jaringan 150kV sistem Sumbagut menggunakan Matlab simulink. Data-data yang terkumpul nantinya diinput pada model single line diagram Matlab Simulink tersebut. Data bus dan data penghantar adalah parameter yang tetap selama simulasi sedangkan data beban (Pd,Qd) dan pembangkitan(Pg,V) disesuaikan dengan data logsheet operasi PT.
PLN (Persero) P3BS UPB Sumbagut.
2. Menjalankan simulasi power flow sistem operasi PLN
Hasil yang diperoleh dari simulasi ini yakni berupa profil tegangan pada masing-masing bus dan besar aliran daya yang mengalir pada masing-masing penghantar.
3. Analisis hasil power flow
analisis dari dampak pengimplementasian pola operasi tersebut pada profil tegangan bus dan aliran daya pada saluran, apakah sesuai dengan batasan-batasan yang diizinkan.
4. Menjalankan simulasi optimal power flow
Dengan data yang sama pada simulasi load flow, kemudian dilakukan simulasi optimal power flow. Simulasi ini secara otomatis menghasilkan pola operasi yang ekonomis tanpa mengabaikan batasan-batasan operasi yakni tegangan pada bus serta besar pembangkitan maksimum dan minimum masing-masing unit generator.
5. Analisis hasil optimal power flow
Secara prosedur, tahap ini sama dengan tahap 3 (tiga). Pengamatan dilakukan dengan menganalisis tegangan pada bus dan besarnya aliran daya pada saluran. Kemudian dilakukan pembandingan terhadap biaya pembangkitan saat simulasi power flow dan saat simulasi optimal power flow.
3.5. Diagram Alir Penelitian
Secara garis besar, urutan prosedur dalam penelitian ini direpresentasikan pada diagram alir Gambar 3.4 berikut.
Mulai
Menggambar SLD menggunakan Matlab Simulink dan toolbox Matlab (PSAT) berdasarkan data PLN
Input parameter impedansi jaringan, daya aktif dan reaktif
Run Load Flow
Hasil Run Load Flow
Input fungsi biaya, batasan daya pembangkit, batasan tegangan,
batasan kapasitas saluran
Run OPF
Cek Nilai batasan-batasan
Selesai
[image:45.595.188.436.479.731.2]Tidak Ya
1 BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Pembagian Area dan Zona
Sistem tenaga listrik Sumatera bagian utara terbagi atas 3 area yakni : 1. Area Nanggroe Aceh Darussalam (NAD)
2. Area Sumatera Utara (SUMUT) 3. Area Inalum.
4.1.1. Area NAD
[image:46.595.164.462.350.562.2]Gardu – gardu induk di area NAD tersebar di sepanjang tepi sebelah timur provinsi NAD. Seperti yang terlihat pada Gambar 4.1, sebagian besar gardu induk di area NAD hanya terhubung dengan satu gardu induk yang lain saja.
Gambar 4.1 Persebaran Gardu Induk Area NAD
Pada area NAD, sebagian besar gardu induknya terhubung dengan pembangkit-pembangkit tenaga diesel. Pembangkitan tersebut kebanyakan digunakan untuk menyuplai beban yang berada di dalam gardu induk itu sendiri. Arah aliran daya area NAD cenderung mengarah ke bagian utara area tersebut yakni menuju gardu induk Banda Aceh yang merupakan pusat beban terbesar di area NAD.
Area Sumut dan area NAD terhubung melalui saluran transmisi Pangkalan
Banda
Sigli
Bireuen
Idie Lhoksemauwe
Tualang Cut Langsa
Binjai Pangkalan
Brandan
sebagian besar hanya untuk menyuplai gardu induknya sendiri, maka dalam pengoperasiannya, transfer daya selalu dilakukan dari area Sumut yang memiliki kapasitas pembangkitan lebih besar.
4.1.2. Area Sumut
[image:47.595.168.456.303.504.2]Area Sumut dibagi dalam 2 zona yakni UPT Medan dan UPT Pematang Siantar. Kedua zona tersebut terhubung melalui gardu induk Perbaungan serta gardu induk Sei Rotan (UPT Medan) dengan Gardu induk Tebing Tinggi (Pematang Siantar) dan yang kedua melalui Gardu Induk Berastagi (UPT Pematang Siantar) dengan Gardu Induk Titi Kuning (UPT Medan).
Gambar 4.2 Persebaran Gardu Induk Area Sumatera UPT Medan
Dari Gambar 4.2 terlihat bahwa gardu-gardu induk pada UPT Medan tersebar di sekitar kota Medan, banyaknya gardu induk tersebut disebabkan oleh besarnya beban yang harus dilayani pada zona tersebut.
Sebagian besar sumber daya untuk zona ini dibangkitkan dan dialirkan melalui gardu induk di Belawan (BLWCC dan BLWTU). Pusat pembangkitan lain dengan kapasitas lebih kecil antara lain berada di gardu induk Titi Kuning, Glugur dan Paya Pasir serta pembangkit-pembangkit swasta yang khusus melayani beban di Kawasan Industri Medan (KIM).
Dari Gambar 4.3 terlihat bahwa gardu-gardu induk yang dilayani pada zona UPT Pematang Siantar berada pada cakupan wilayah yang lebih luas
BLWCC &
BLWTU
Binjai
Labuhan
Lamhotma Paya Pasir
KIM Mabar
Glugur
GIS Listrik Paya Geli
Titi Kuning
Namorambe
Denai Tanjung
Morawa
dibandingkan zona UPT Medan. Hal ini disebabkan oleh penyebaran beban yang relatif kurang padat. Oleh karena itu, saluran yang menghubungkan antar gardu-gardu induk dalam zona tersebut menjadi cukup panjang. Hal tersebut juga menyebabkan besarnya rugi-rugi daya dalam penyaluran dan juga menyebabkan drop tegangan yang cukup tinggi pada gardu induk yang jauh dari pembangkit.
Gambar 4.3 Persebaran Gardu Induk Area Sumut UPT Pematang Siantar
4.1.3. Area Inalum
Area Inalum merupakan area khusus yang terdapat di dalam provinsi Sumatera Utara. Pada area ini terdapat dua pusat pembangkit yakni PLTA Tangga dan PLTA Siguragura. Melalui pembangkit tersebut, Inalum ikut serta menyuplai daya ke sistem Sumbagut.
Pada saat jam kerja, perusahaan Inalum menerima pasokan daya dari PLN. Di luar jam kerja atau ketika sistem Sumbagut secara keseluruhan memasuki waktu beban puncak, dari area Inalum dilakukan transfer daya yakni ke area Sumut melalui gardu induk Kuala Tanjung.
Besar pertukaran daya pada kedua waktu tersebut merupakan kesepakatan bersama antara pihak Inalum dan PLN.
Tarutung Tebing
BLWCC & BLWTU
Kuala
Gunung Para
P. Siantar Berastagi
Renun
Sidikalang
Tele
Porsea
Labuhan
Angin Sibolga
Sipan 1 Sipan 2
Kisaran
Aek Kanopan
Rantau Prapat
Gunung Tua
Padang Sidempuan
4.2.
Data beban dan pembangkit
[image:49.595.136.490.204.760.2]Data pembebanan dan pembangkitan pada masing-masing bus sesuai dengan data operasi PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumbagut pada tanggal 28 Maret 2013 pukul 19.30 WIB terdapat pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Pembangkitan dan Pembebanan pada pukul 19.30 WIB
Bus Nama GI Pembangkitan Beban
MW Mvar MW Mvar
Lanjutan Tabel 4.1
44 Sibolga 0,00 -43,53 19,30 5,80 45 Sipan1 32,30 4,21 0,00 0,00 46 Sipan2 16,90 -11,30 0,00 0,00 47 Labuhan Angin 172,50 -30,45 7,14 0,00
Total 1512,24 124,67 1451,53 434,31
4.3.
Hasil Simulasi
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, simulasi yang dilakukan adalah simulasi load flow dan simulasi optimal power flow. Simulasi load flow adalah representasi dari keadaan operasi sistem tenaga listrik yang dilakukan oleh PLN.
4.3.1. Simulasi Power Flow
Pada tahap ini, data yang digunakan adalah data berdasarkan loogsheet data pengoperasian PLN 28 Maret 2013 pukul 19.30 WIB. Analisa ini dimaksud untuk mengumpulkan data yang nantinya akan dibandingkan dengan hasil pengoptimalan sistem ketenaga listrikan PLN yang menggunakan program bantu PSAT. Adapun beberapa hal yang perlu di analisa adalah sebagai berikut.
4.3.1.1.
Pembangkitan
[image:50.595.131.490.550.749.2]Besar daya yang dibangkitkan serta biaya pembangkitan berdasarkan operasi yang dilakukan PLN pada tanggal 28 Maret 2013 pukul 19.30 Wib ditunjukkan seperti pada Tabel 4.2 berikut ini.
Tabel 4.2 Biaya Pembangkitan Kondisi Rill Pengoperasian PLN
Area Pusat Pembangkit
