Penentuan Pelepasan Beban Pada PT. Inalum Asahan
Saat Penurunan Frekuensi
Suwarno, Pardamean Sinurat
Teknik Elektro ITM Medan arno_itm@yahoo.com ; suwarno@itm.ac.id
dameland03@yahoo.com
Abstrak-Pertumbuhan beban listrik yang tidak diimbangi dengan peningkatan kapasitas pembangkitan daya listrik dapat menyebabkan sistem tenaga tidak stabil. Salah satu dampak dari ketidak kestabilan tersebut adalah penurunan frekuensi operasi sistem.
Untuk menganalisa kejadian dilakukan dengan
menggunakan metode perhitungan manual dan
bantuan program simulasi ETAP(Electrical Transient Analyzer Program). Pengamatan akan difokuskan pada pabrik aluminium (PT INALUM) sebagai objek penelitian dengan melepaskan salah satu unit pembangkit paling besar yang terhubung dengan sistem serta pelepasan beban pada bus paling ujung dan merupakan beban yang besar.
Dapat disumpulkan bahwa, karena beban dan pembangkit tidak seimbang,maka frekuensi turun, penurunan frekuensi akan mengharuskan pengurangan pemakaian daya pembangkit. Dari seluruh penurunan
daya meyebabkan terjadinya pelepasan beban
sebanyak empat tahapan. 48.5 Hz, 47 Hz, 45 Hz dan 43 Hz.
1. LATAR BELAKANG
Dalam penyediaan energi listrik yang kontinu kepada konsumen, maka harus didukung dengan penyediaan dan pemakaian daya listrik yang seimbang dan tentunya dengan infrastruktur yang baik. Sehingga sistem ketenagalistrikan memiliki mutu, dan kehandalan yang baik serta ekonomis.
Pertumbuhan beban listrik yang tidak diimbangi dengan peningkatan kapasitas daya sistem tenaga listrik dapat menyebabkan sistem tenaga tidak stabil. Untuk menjaga kesetabilan sistem agar tetap seimbang antara daya pembangkit dengan beban adalah dengan mengupayakan sistem tetap pada frekuensi operasi.
Ada dua alternartif untuk menjaga kestabilan sistem, yang pertama adalah menyediakan daya cadangan yang cukup besar, dan ke dua adalah menjaga keseimbangan daya antara pembangkitan yang tersisa dan beban yang harus dilayani dengan pelepasan beban atau load shedding.
Dua alternatif untuk menjaga kesetabilan sistem agar tetap seimbang antara daya pada pembangkit dengan beban, maka pembahasan akan dititik beratkan pada penentuan pelepasan beban, yang diaplikasikan di PT Indonesia Asahan Aluminium (PT INALUM). Kejadian tersebut dianalisa dengan Electrical Transient
Analizer Program (ETAP) untuk melihat perubahan kondisi sistem tenaga listrik tersebut.
2. METODE PENULISAN
Untuk menganalisa permasalahan diatas, maka target yang harus dicapai, antara lain :
1. Keseimbangan daya antara pembangkit dengan beban, saat terjadi penurunan frekuensi, sehingga dikakukan pelepesan beban di PT INALUM dapat diamati.
2. Batasan frekuensi terendah system, sehingga dilakukan pelepasan beban untuk mengembalikan kestabilan frekuensi sistem tenaga listrik di PT INALUM.
Selain itu, juga ada beberapa pembatasan permasalahan yang harus dilakukan pada target yang hendak dicapai.
1. Pembahasan penentuan pelepasan beban hanya untuk mencapai frekuensi operasi saja dan hanya pada gardu induk PT INALUM di pabrik peleburan di Kuala Tanjung.
2. Penentuan pelepasan beban diamati berdasarkan pembangkit yang terlepas (trip) satu-persatu.
3. Pelepasan beban akibat ketidak seimbangan antara pembangkit dengan beban dimulai karena terlepasnya unit pembangkit PT INALUM yang mengkibatkan penurunan frekuensi.
4. Pada Interkoneksi antara PT INALUM – PT PLN, maka diasumsikan sistem PLN di wakili 1(satu) beban yang menyerap daya sebesar 6 MVA dari sistem INALUM.
3. LANDASAN TEORI 3.1. Teori Pembangkitan
Pembangkitan tenaga listrik sebagian besar dilakukan dengan cara memutar generator sinkron sehingga didapat tenaga listrik dengan tegangan bolak-balik tiga fasa. Energi mekanik yang diperlukan untuk memutar generator sinkron didapat dari mesin penggerak generator atau biasa disebut penggerak mula (prime mover). Mesin-mesin penggerak generator ini mendapat energi dari proses pembakaran bahan bakar (mesin-mesin termal) atau air terjun (turbin air).
mesin Rating mesin kinetik Eneregi Η
3.2. Generator Pembangkit Listrik
Generator merupakan mesin listrik yang bekerja untuk merubah energi mekanik (dari penggerak mula) menjadi energi listrik. Proses pembangkitan energi listrik (daya) akan menghasilkan daya reaktif (Q) dan daya aktif (P). Besarnya P dan Q yang dibangkitkan bergantung pada besarnya faktor daya (Cos φ). Sedangkan kapasitas dari pembangkit tersebut dinyatakan dengan daya semu (S). Hubungan antara P,Q dan S dapat dijelaskan dengan segitiga daya.
A. Segitiga Daya
Ketika energi listrik dibangkitkan maka generator akan membangkitkan daya aktif (P dalam Watt) dan reaktif (Q dalam VAR), serta juga akan membangkitkan daya semu (S dalam VA).Sudut θo di defenisikan sebagai perbandingan antara P dengan S dari rangkaian AC. Hal ini dapat dilihat dari rumusan dibawah ini: P = 3. VL . IL .Cos θ ..……….1 Q = 3 VL .IL .Sin θ ……….. …...2
S = 2 2
Q
P ………...3
Jumlah daya yang dibangkitan generator pada dasarnya disesuaikan dengan kebutuhan beban.
B. Konstanta Inersia (H)
Energi kinetik dengan satuan MW-detik menjadi sebuah nilai baku yang didapat dari konstanta kinetik generator (K) dengan satuan MW/Hz. Konstanta yang digunakan khususnya dalam hal perubahan nilai pembangkitan akibat turun atau naiknya putaran karena gangguan adalah nilai dari konstanta perlambatan atau disebut konstanta inersia (H) yang berpengaruh pada masa peralihan ketika ketidak seimbangan terjadi, sehingga memberikan waktu yang cukup bagi mesin untuk menambah daya pembangkit dari cadangan berputar ataupun reaksi governor. Harga H ditentukan oleh pabrik pembuatannya atau dapat juga ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :
……….…...…..4
dimana
Energi kinetis = MW-detik
Rating mesin = MVA
3.3. Teori Kesetabilan
Kesetabilan sistem daya dapat didefenisikan sebagai sifat sistem yang memungkinkan mesin bergerak serempak dalam sistem untuk memberikan reaksinya terhadap gangguan dalam keadaan kerja normal serta balik kembali pada keadaan semula.
Masalah kesetabilan adalah masalah pemeliharaan keadaan serempak dari generator dan beban dalam suatu sistem. Studi kesetabilan terbagi dalan studi pada keadaan mantap (steady state) dan kondisi peralihan (transient). Batas Kesetabilan Peralihan adalah batas daya di mana titik kesetabilan dicapai dengan perubahan kondisi sistem yang mendadak.
3.4. Pelepasan Beban
besarnya frekuensi dengan satuan hertz (Hz) didapat : f = 120 pn 60 n x 2 p (Hz) …...5
Harga frekuensi maksimum dan minimum ditentukan oleh batasan operasi dari turbin Pusat Listrik tersebut untuk mengimbangi berkurangnya pembangkitan tenaga listrik yang disebabkan oleh adanya gangguan dari suatu sistem.
Namun apabila terjadi gangguan yang besar, maka turunnya frekuensi akan semakin cepat sehingga turun hingga di bawah harga yang diizinkan dalam waktu yang singkat. Untuk menjaga sistem dari kegagalan atau kerusakan dikarenakan turunnya frekuensi, maka sebahagian beban harus dilepas untuk mengurangi beban yang di pikul pembangkit hingga frekuensi kembali ke keadaan normal
3.5. Rumus perhitungan perubahan frekuensi
Untuk menganalisa frekuensi pada pelepasan beban maka dapat menggunakan rumus-rumus berikut :
Besar perubahan frekuensi (df ) df = K Pbt PT (Hz) ………...6 Frekuensi akhir (f1) f1= f0 – df (Hz) ……….……….7
Laju penurunan ferkuensi ( df / dt )
df/dt
SOT OT SO O 0 P PG Pb P PG x 2 Η f (Hz.s-1 )waktu ...8 perubahan frekuensi untuk mencapai nilai df ( t )t 0 1 t d df f f (sec) ………...9
waktu yang dibutuhka ketika mencapai batas frekuensi minimum yang diizinkan (t min)
t 0 ' 0 tmin d df f f (sec) ……….……..10 3.6. Penerapan ETAP
Electrical Transient Analyzer Program (ETAP) adalah suatu program komputer yang di desain untuk untuk menyelesaikan masalah analysis
transient, short circuit, harmonic, motor
acceleration, optimal power flow, underground raceway sistem pada sistem tenaga listrik. Program ini menggunakan secara teknis model yang sebenarnya, menggunakan peralatan penghubung yang mudah dioperasikan dan menggunahan data base yang umum.
Powerstation Program Analisis Stabilitas Transient dirancang untuk menyelidiki batas stabilitas suatu sistem tenaga sebelum, selama dan setelah perubahan sistem. Program ini menampilkan model dari sistem tenaga yang
mengimplementasikan tindakan dan peristiwa yang terjadi, serta menampilkan hasil penyelesaian dari persamaan mesin dan jaringan sistem tersebut, dan persamaan diferensial untuk mengetahui reaksi sistem dan mesin-mesin pada waktu tertentu.
4. DATA 4.1. Perhitungan Perubahan Frekuensi
Pengambilan tindakan pelepasan beban pada dasarnya ditentukan atas hasil perhitungan. Untuk menentukan perubahan frekuensi dapat dilihat berdasarkan langkah-langkah dibawah ini:
1. Mengetahui kondisi pembangkit 2. Mengetahui beban total pada sistem 3. Analisa kejadian
4. Analisa pelepasan beban
5. Membandingkan frekuensi akhir dengan frekuensi yang diizinkan.
4.3. One-Line Diagram Sistem INALUM Dengan ETAP
One-line diagram system P.T Inalum dengan ETAP seperti lampiran 1.
4.4. Sumber Data Peralatan
Pembahasan pelepasan beban yang akan dianalisa beracuan pada data yang diperoleh dari laporan scada di unit pembagi beban (UPB) yang secara umum menampilkan pemakaian daya, pada setiap unit peralatan pada display computer, kemudian data-data tersebut di masukkan ke input data Electrical Transient Analyzer Program (ETAP).
4.5. Data Pembanding
Dalam penentuan pelepasan perlu analisa yang baik, sehingga pemanfaatan energi dan kesetabilan sistem tetap optimal. Untuk hal tersebut pihak INALUM dari seksi distribusi listrik telah melakukan studi untuk kejadian tersebut.
Untuk sistem INALUM sendiri, telah ditentukan bahwa ada 4 (empat) tingkatan frekuensi operasi minimum, yang masing-masing tingkat disertai dengan pelepasan beban untuk menahan laju penurunan frekuensi serta menjaga kesetabilan pada sistem. Keempat tingkat frekuensi operasi dan beban yang dilepas antara lain :
48.5 Hz : Sisi PLN terlapas ; 47.0 Hz : Pot Line 2 terlepas ; 45.0 Hz : Pot Line 1 terlepas ; 43.0 Hz :Pot Line3, PPTR, semua Generator terlepas.
Tabel .1. Data Peralatan
Generator sigura-gura Type Jumlah unit Rating daya PF Tegangan Effisiensi Hidro 4 88 MVA 0.9 11 KV 90 % Generator Tangga Pem bangkit Type Hidro Jumlah unit Rating daya PF Tegangan Effisiensi 4 79.5 MVA 0.9 11 KV 90 % Main transformator (MTr) Jumlah unit Rating daya Teg. Primer Teg.Sekunder 4 230&182MVA 275 KV 33 KV Power Plan transformatot (PPTr) Distri busi Jumlah unit Rating daya Teg. Primer Teg. Sekunde 2 40 MVA 33 KV 11 KV PLN Rating daya Tegangan Arus 100 MVA 275 KV 126 KA Pot Line Jumlah unit Rating daya Tegangan Arus 3 160 MVA 800 V 186 KA Feeder Beban Tegangan Arus 11 KV 100 KA 4.6. Flow Chart Penelitian
Gambar 1 Flow Chart penelitian
4.7. Kasus Pelepasan Peban
Sistem tenaga listrik PT. INALUM memiliki dua pembangkit yaitu Sigura-gura Power Station dan Tangga Power Station. Masing-masing Power Station memiliki 4 (empat) unit generator. Pada sisi distribusi, daya listrik dialirkan kebeban, antara lain ke pabrik, perumahan dan PLN. Pada sisi beban di lengkapi dengan sistem pelepasan beban (load shedding) untuk mencegah terjadinya pemadaman total terutama saat terjadi gangguan pada sisi pembangkit. Kasus pelepasan beban yang akan diteliti difokuskan pada dilepasnya satu-persatu unit pembangkit dengan membuka CB dan hanya menjadikan frekuensi sebagai tinjauan kesetabilan. Komposisi rating generator dapat lilihat pada tabel 2. dan komposisi beban pada tabel 3.
Tabel. 2. Pemakaian beban
Tabel 4. Pemakaian Beban
Tabel 3. komposisi beban 5. ANALISIS A. Untuk kondisi Normal
Tabel .4. Analisa Saat Kondisi Normal
Gambar 2 Grafik Frekuensi VS Daya Generator kondisi normal
B. Untuk Kondisi SGP 1 Lepas Tabel 5. kondisi SGP 1 lepas
Pada pengamatan saat pembangkit SGP 1 terlapas (pada saat 1.0 det setelah analisa dimulai), dapat dilihat bahwa frekuensi 50 Hz akan turun pada setiap bus yang diamati (Bus terdekat = SGP 1-2, Bus terjauh = POT Line 2, Bus terbesar = KTS, Bus terkecil = L4 ), dan besar frekuensi tersebut sama pada setiap Bus yaitu 48.5 Hz (Hingga detik ke 4.4) dan kemudian beban yang frekuensi operasi minimumnya 48.5 Hz (yaitu sisi PLN) akan terlapas dari sistem INALUM. Karena terlapasnya beban tersebut maka sistem akan kembali stabil dan akhirnya frekuensi akan mendekati 50 Hz (detik ke 20) yaitu 49.22 Hz. Hal ini dapat dilihat pada tabel 5. dan gambar 3. yang menunjukkan grafik frekuensi untuk beberapa Bus Bar.
C. Untuk Kondisi SGP 2 Lepas
Tabel 6. Analisa saat SGP 2 lepas
Gambar 4. Grafik Frekuensi VS Daya Generator
Pada pengamatan saat pembangkit SGP 2 terlapas (pada saat 1.0 deti setelah analisa dimulai), dapat dilihat bahwa frekuensi 50 Hz akan turun pada setiap bus yang diamati (Bus terdekat = SGP 1-2, Bus terjauh = POT Line 2, Bus terbesar = KTS, Bus terkecil = L4), dan besar frekuensi tersebut sama pada setiap Bus yaitu 47 Hz (Hingga detik ke 7.1) dan kemudian beban yang frekuensi operasi minimumnya 47 Hz (yaitu POT Line 2) akan terlepas dari sistem INALUM. Karena terlapasnya beban tersebut maka sistem akan kembali stabil dan akhirnya frekuensi akan mendekati 50 Hz (detik ke 9.2). Hal ini dapat dilihat pada tabel 6. dan gambar 4. yang menunjukkan grafik frekuensi untuk beberapa Bus Bar.
D. Kondisi SGP 4 Lepas
Tabel 7 Analisa saat SGP 4 lepas
Gambar 5.Grafik Frekuensi VS Daya Generator
Pada pengamatan saat pembangkit SGP 4 terlapas (pada saat 1.0 deti setelah analisa dimulai), dapat dilihat bahwa frekuensi 50 Hz akan turun pada setiap bus yang diamati (Bus terdekat = SGP 1-2, Bus terjauh = POT Line 1, Bus terbesar = KTS, Bus terkecil = L4), dan besar frekuensi tersebut sama pada setiap Bus yaitu 47.98 Hz (Hingga detik ke 4.0) dan karena beban yang frekuensi operasi minimumnya 47.98 Hz (yaitu POT Line 2) telah dilepas dari sistem inalum. Dan kapasitas pembangkit masih mampu pengatisi kehilangan daya yang terjadi sebelumnya, maka maka sistem akan kembali stabil dengan sendirinya dan akhirnya frekuensi akan mendekati 50 Hz (detik ke 20.0) yaitu 49.26 Hz . Hal ini dapat dilihat pada tabel 7. dan gambar 5. yang menunjukkan grafik frekuensi untuk beberapa Bus Bar.
E. Kondisi TNP 1 Lepas
Tabel 8. Analisa saat TNP 1 lepas
Gambar 6.Grafik Frekuensi VS Daya Generator
Pada pengamatan saat pembangkit TNP 1 terlapas (pada saat 1.0 deti setelah analisa dimulai), dapat dilihat bahwa frekuensi 50 Hz akan turun pada setiap bus yang diamati (Bus terdekat = SGP 1-2, Bus terjauh = POT Line 1, Bus terbesar = KTS, Bus terkecil = L4), dan besar frekuensi tersebut sama pada setiap Bus yaitu 45 Hz (Hingga detik ke 6.1) dan kemudian beban yang frekuensi operasi minimumnya 45 Hz (yaitu POT Line 1) akan terlapas dari sistem inalum. Karena terlapasnya beban tersebut maka sistem akan kembali stabil dan akhirnya frekuensi akan mendekati 50 Hz (detik ke 8.1). Hal ini dapat dilihat pada tabel 8. dan gambar 6. yang menunjukkan grafik frekuensi untuk beberapa Bus Bar.
F. Kondisi TNP 2 Lepas
Tabel 9. Analisa saat TNP 2 lepas
Bus Hz KV TNP 1-2 50 10.50 POT Line 1 50 25.89 KTS 50 271.45 L 4 50 6.30 TNP 1-2 45 10.81 POT Line 1 45 26.84 KTS 45 278.21 L 4 45 6.60 TNP 1-2 50.06 10.48 POT Line 1 50.06 26.03 KTS 50.06 272.80 L 4 50.06 6.40
Frekuensi Dan Tegangan Pada Bus Bar
0.1 - 1.0 Sebelum Pembangkit Terlepas 297.4 296.62 Waktu (sec) Kejadian Pembangkit (MW) Beban (MW) 1.0 - 6.1 Setelah Pembangkit Terlepas 237.4 296.62 6.1 - 8.1 Setelah Pelepasan Beban 173.3 171.5
Gambar 7.Grafik Frekuensi VS Daya Generator
Pada pengamatan saat pembangkit TNP 2 terlapas (pada saat 1.0 deti setelah analisa dimulai), dapat dilihat bahwa frekuensi 50 Hz akan turun pada setiap bus yang diamati (Bus terdekat = SGP 1-2, Bus terjauh = POT Line 3, Bus terbesar = KTS, Bus terkecil = L4), dan besar frekuensi tersebut sama pada setiap Bus yaitu 43 Hz (Hingga detik ke 5.0) dan kemudian beban yang frekuensi operasi minimumnya 43 Hz (yaitu POT Line 3, PPTr, Seluruh generator) akan terlapas dari sistem inalum. Karena terlapasnya seluruh peralatan tersebut maka sistem akan padam
6. KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Kesimpulan
Data penelitian diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
Untuk kondisi normal tidak ada gangguan yang terjadi. Dan frekuensi sistem tetap pada 50 Hz. Untuk gangguan ketika lapasnya SGP 1, frekuensi
turun hingga batas frekuensi minimum pertama (48.5 Hz).
Untuk gangguan ketika lapasnya SGP 2 frekuensi turun hingga batas frekuensi minimum kedua (47 Hz),setelah beban sisi POT Line 2 dilepas, frekuensi kembali ke frekuensi operasi yaitu 50 Hz.
Untuk gangguan ketika lapasnya SGP 4 frekuensi turun hingga 47.98 Hz. Karena frekuensi ini masih diizinkan oleh sistem tenaga listrik di inalum dan kapasitas daya masih mampu menutupi kekurangan akibat gangguan tersebut, maka tidak ada beban yang di lepas.
Untuk gangguan ketika lapasnya TNP 1 frekuensi turun hingga batas frekuensi minimum ketiga (45 Hz), setelah beban sisi POT Line 1 dilepas, frekuensi kembali ke frekuensi operasi yaitu 50 Hz.
Untuk gangguan ketika lapasnya TNP 2 frekuensi turun hingga batas frekuensi minimum keempat (43 Hz). Dan dampaknya adalah beban sisi POT Line 3, PPTr, serta seluruh generator akan terlepas. Dan akhirnya sistem tenaga listrik akan padam total.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Abdul Kadir, 1996, Pembangkit Tenaga Listrik, UI-Perss, Jakarta.
[2]. Abdul kadir, 1999, Mesin Sinkron, Djambatan, Jakarta.
[3]. Djiteng Marsudi, 2005, Pembangkitan Energi Listrik, Erlangga, Jakarta.
[4]. Pardamean Sinurat, 2005, Distribusi Tegangan Lebih Pada Saluran Transmisi di Yogyakarta Akibat Pelepasan Beban, UGM, Jogjakarta. [5]. Rahman Syahputra, 2005, Penentuan Pelepasan
Beban (Load Shedding) Berdasarkan Setting Frekuensi Rendah Apl. Pertamina UP II dumai, ITM, Medan.
[6]. William D Stevenson, Jr, 1994, Analisa Sistem Tenaga Listrik, Erlangga Edisi Keempat, Jakarta. Library of Etap 4.0 Bus L1 6.5 kV Bus SGP 1-2 10.6 kV POT LINE Bus 1 27 kV PLANE Bus 2 11 kV SGP Bus 275 kV POT Line 1 135 MVA Tr-1 TNP Bus 275 kV LVR Bus 4 33 kV Tr-2 K-1 TNP-1 79.2 MW T-1 MTr 1 230 MVA K-5 KTS Bus 275 kV Tr an sm is i 2 Tr-3 Tr-4 SGP-4 71.5 MW S-4 S-3 S-2 S-1 SGP-3 0 MW SGP-2 71.5 MW SGP-1 71.5 MW 79TN.2P-2 MW T-2 MTr 2 150 MVA 18MTr 32 MVA K-2 K-6 K-3 K-7 L-3 L-1 P-2 P-1 PPTr 1 40 MVAPP40Tr M 2VA P-3 P-4 P-5 PLANE 26 MVA S-9 Lampu 1 5 MVA Transmisi 1 T-9 Lampu 3 5 MVA LVR 1 151 MVA L-5 POT LINE Bus 2 27 kV POT LINE Bus 3 28 kV LVR 3 151 MVA L-6 LVR Bus 3 33 kV LVR Bus 2 33 kV PLANE/LVR Bus 1 33 kV L-11 L-10 L-2 LVR 2 151 MVA ST-1 STAN BY Bus 29 kV ST-3 ST-2 L-9 Lampu 5 0.3 MVA Lampu 6 0.5 MVA La0.mp25u 7 MVA PO-1 Bus SGP 3-4 11 kV Bus TNP 1-2 10.6 kV Bus TNP 3-4 10.5 kV T-S1 79.4 MVA S-5 T-S2 79.4 MVA S-6 T-S3 79.4 MVA S-7 T-S4 79.4 MVA S-8 T-T1 88 MVA T-5 T-T2 88 MVA T-6 S-10 Lampu 2 5 MVA POT Line.2 130 MVA PO-2 L-7 T-L1
5 MVA 5 MVAT-L2 5 MVAT-L3
Bus L2 6.5 kV Bus L3 6.5 kV POT line 3 140 MVA CB18 TNP-4 79.2 MW TNP-3 79.2 MW T-3 MTr 4 182 MVA K-4 K-8 L-4 T-4 K-9 PLN 6 MVA LVR 4 151 MVA L-8 L-12 lampu 8 0.25 MVA T-T3 88 MVA T-7 T-T4 88 MVA T-8 T-10 Lampu 4 5 MVA T-L4 5 MVA Bus L4 6.5 kV
