Analisa Sistem Distribusi 20 kV Untuk Memperbaiki Kinerja Sistem Distribusi Menggunakan Electrical Transient Analysis Program Abrar Tanjung Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lancang Kuning E-mail :
[email protected]
Abstrak - Dalam penyaluran tenaga listrik dari sumber tenaga listrik ke konsumen yang letaknya berjauhan selalu mengalami terjadinya kerugian berupa rugi-rugi daya dan rugi tegangan sehingga menyebabkan terjadinya jatuh tegangan yang cukup besar yang mengakibatkan rendahnya tegangan terima terutama yang berada diujung saluran. Untuk mengurangi drop tegangan dan rugi rugi daya bisa diminimalkan dengan beberapa cara yaitu dengan nmelakukan penambahan pembangkit, melakukan perubahan sistem dengan cara rekonfigurasi sistem dan dengan penambahan pemasangan kapasitor bank. Dalam penelitin ini untuk memperbaiki dan miminalkan rugi daya dan drop tegangan dengan melakukan perubahan sistem distribusi dengan melakukan rekonfigurasi. Dengan melakukan rekonfigurasi dapat mengatasi dan meminimalkan rugi daya dan drop tegangan pada sistem distribusi 20 kV dan dapat melakukan penghematan energi listrik, peningkatan kualitas tegangan dan kualitas daya (power quality) Kebutuhan tenaga listrik dihitung berdasarkan besarnya aktivitas dan intensitas penggunaan tenaga listrik. Aktivitas penggunaan tenaga listrik berkaitan dengan tingkat perekonomian dan jumlah penduduk. Semakin tinggi tingkat perekonomian akan menyebabkan aktivitas penggunaan tenaga listriknya semakin tinggi, begitu juga untuk jumlah penduduk. Dalam pengoperasian sistem tenaga listrik salah satu faktor utama yang diinginkan konsumen adalah kehandalan sistem penyaluran daya yang dikirimkan dari sumber-sumber pembangkit dengan daya yang diterima oleh konsumen, daya yang dikirimkan tersebut biasanya akan mengalami ketidak seimbangan sehingga mengalami rugi-rugi daya atau tegangan tidak stabil. Untuk mengatasi permasalahan dilakukan perhitungan aliran menggunakan Metoda Newton Raphson dengan Electrical Transient Analisys Program (ETAP) 6.0.0 pada PT. PLN (Persero) Cabang Dumai Ranting Duri Gardu Hubung Ujung Tanjung. Dari hasil analisa dan pembahasan diperoleh hasil rekonfigurasi_3 lebih baik dengan tegangan terima terendah sebesar 17,5 kV, Rugi daya
aktif 1,84 MW dan daya reaktif 1,16 MVAr dari kodisi eksisting dan diperoleh penghematan rugi-rugi daya aktif sebesar 1,21 MW dan daya reaktif 1,16 MVAr. Sehingga dari penghematan rugi-rugi daya diperoleh penghematan biaya daya aktif sebesar 23.232.000 dan penghematan biaya daya reaktif sebesar Rp. 22.272.000,Kata Kunci : rugi-rugi daya, sistem distribusi, tegangan terima 1. Pendahuluan Perkiraan kebutuhan tenaga listrik dihitung berdasarkan besarnya aktivitas dan intensitas penggunaan tenaga listrik. Aktivitas penggunaan tenaga listrik berkaitan dengan tingkat perekonomian dan jumlah penduduk. Dalam penyaluran tenaga listrik dari sumber tenaga listrik ke konsumen yang letaknya berjauhan selalu mengalami terjadinya kerugian berupa rugi-rugi daya dan rugi tegangan. Besarnya rugi-rugi daya dan rugi tegangan pada saluran distribusi tergantung pada jenis dan panjang saluran penghantar, tipe jaringan distribusi, kapasitas trafo, tipe beban, faktor daya, dan besarnya jumlah daya terpasang serta banyaknya pemakaian bebanbeban yang bersifat induktif yang menyebabkan meningkatnya kebutuhan daya reaktif [8]. Hasil optimal Pareto yang benar ditemukan dengan suatu multiobjective algoritma genetika menggunakan suatu variabel yang efisien dan beberapa masalah khusus mutasi dan operasi kawin silang Penyusunan ulang (Rekonfigurasi) dapat memperbaiki kinerja sistem distribusi, mengurangi rugi-rugi daya dan rugi tegangan serta melakukan keseimbangan beban, dengan menggunakan Metoda Aliran Daya [1]. Suatu metoda program yang linier digunakan untuk teknik transportasi dan metoda pencarian Heuristic yang dikembangkan berdasarkan analisis pada arus beban optimal. Rekonfigurasi feeder untuk menurunkan rugi-rugi diaplikasikan pada jaring distribusi otomasi [7].
111
2. Sistem Tenaga Listrik Sistem tenaga listrik meliputi sistem pembangkitan, sistem transmisi dan sistem distribusi. Sistem distribusi mempunyai perananan yaitu untuk menyalurkan dan mendistribusikan tenaga listrik kemasing-masing beban atau konsumen dengan mengubah tegangan listrik yang didistribusikan menjadi tegangan yang dikehendaki, karena kedudukan sistem distribusi merupakan bagian yang paling akhir dari keseluruhan sistem tenaga listrik yang mempunyai fungsi mendistribusikan langsung tenaga listrik pada beban atau konsumen yang membutuhkan [8][3]. Dalam pendistribusian tenaga listrik kekonsumen, tegangan listrik yang digunakan bervariasi tergantung dari jenis konsumen yang membutuhkan. Untuk konsumen industri bisaa digunakan tegangan menengah 20 kV atau 6,3 kV sedangkan untuk konsumen tegangan rendah 0,4 kV yang merupakan tegangan siap pakai untuk peralatanperalatan perkantoran dan rumah tangga [8]. Gardu Induk
Gardu Induk
Pembangkit
dari saluran utama dan saluran cabang seperti terlihat pada gambar 2. Beban
PMS PMT
Beban
PMT
PMT
PMS
Feeder 1 PMT
PMT
PMT
Beban PMS PMT
PMT
Beban
Feeder 2
PMS
PMT Beban
Gambar 2 Sistem Jaringan Distribusi Radial
3.2 Sistem Jaringan Distribusi Rangkaian Tertutup Sistem jaringan ini disebut rangkaian tertutup karena saluran primer yang menyalurkan daya sepanjang daerah beban yang dilayani membentuk suatu rangkaian tertutup seperti terlihat pada gambar 3 Feeder 1
PM
G
Transmisi TT
PMT
Feeder Distribusi TM
. PM Prime Mover G - Generator
Distribusi TR
Gardu Distribusi
PMT Beban
Konsumen TM
Gardu Induk
Beban
Beban Beban
PMT PMS
Konsumen TR
Gambar 1. Sistem Ketenagalistrikan
Feeder 2 PMT
3.
Sistem Distribusi Sistem tenaga listrik merupakan kumpulan peralatan/mesin listrik seperti generator, transformator, saluran transmisi, saluran distribusi dan beban yang merupakan satu kesatuan sehingga membentuk suatu sistem yang disebut sistem distribusi tenaga listrik yang berfungsi untuk mensuplai tenaga dan mengalirkan listrik dari sumber tenaga listrik (pembangkit, gardu induk, dan gardu distribusi) ke beban atau konsumen [4]. Dalam sistem distribusi terdapat beberapa bentuk jaringan yang umum digunakan dalam menyalurkan dan mendistribusikan tenaga listrik yaitu : 1. Sistem Jaringan Distribusi Radial. 2. Sistem Jaringan Distribusi Rangkaian Tertutup (loop). 3. Sistem Jaringan Distribusi Spindel.
Gambar 3 Sistem Jaringan Distribusi Rangkaian Tertutup.
3.3 Sistem Jaringan Distribusi Spindel Sistem jaringan ini merupakan kombinasi antara jaringan radial dengan jaringan rangkaian terbuka (open loop). Titik beban memiliki kombinasi alternatif penyulang sehingga bila salah satu penyulang terganggu, maka dengan segera dapat digantikan oleh penyulang lain. Dengan demikian kontinuitas penyaluran daya sangat terjamin. Bentuk sistem jaringan distribusi spindel dapat dilihat pada gambar 4.
3.1 Jaringan Distribusi Radial Bentuk jaringan sistem ini merupakan bentuk dasar yang paling sederhana dan paling banyak digunakan. Sistem disebut radial karena jaringan ini ditarik secara radial dari Gardu Induk ke pusat-pusat beban atau konsumen yang dilayani. Sistem ini terdiri
112
5.1 Tahanan Tiap konduktor memberi perlawanan atau tahanan terhadap mengalirnya arus listrik dan hal ini dinamakan resistensi. Resistensi atau tahanan dari suatu konduktor (kawat penghantar) diberikan oleh :
Feeder 1
PM S PM T
Beban Beban
P MT
PMS
PMT
PMS Feeder 2
PMT
PMS
PMT PMT
Express Feeder
R
PMS
GI PMT
PMS
PMT PM S
PM T
Beban
GH Feeder 4
Gambar 4 Sistem Jaringan Distribusi Spindel
4.
Transformator Distribusi Transformator atau trafo adalah jenis mesin listrik statis yang bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetik. Secara umum trafo terdiri dari trafo daya, trafo tegangan dan trafo arus. Trafo daya adalah trafo yang bisa digunakan di gardu induk maupun gardu distribusi. Sedangkan trafo tegangan dan trafo arus adalah trafo yang digunakan untuk pengukuran dan proteksi [8]. Bila kumparan primer dengan N 1-lilitan diberi tegangan bolak-balik V1, maka pada kumparan tersebut mengalir arus I1 dan menimbulkan fluksi medan listrik ( ) bolak-balik. Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan primer ini mengalir pada inti trafo. Saat fluksi mengalir melewati atau memotong kumparan primer, maka sesuai dengan Hukum Farraday pada kumparan primer timbul Gaya Gerak Listrik (GGL) atau tegangan induksi (E1). Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan primer ini mengalir pada inti trafo. Saat fluksi mengalir melewati atau memotong kumparan primer, maka sesuai dengan Hukum Farraday pada kumparan primer timbul Gaya Gerak Listrik (GGL) atau tegangan induksi (E1). Demikian juga saat fluksi memotong kumparan sekunder dengan N 2-lilitan, maka pada kumparan tersebut juga timbul tegangan induksi (E2). E = N. (d /dt) (1) 5. Impedansi Saluran Untuk perhitungan jatuh tegangan, resistansi dan reaktansi kedua konduktor perlu diperhitungkan. Kombinasi antara resistansi dan reaktansi disebut dengan impedansi yang dinyatakan dalam satuan ohm [3][5]. Impedansi dapat dihitung dengan rumus : Z = R + jX Maka : 2
2
Z= R Ohm X Keterangan : Z = Impedansi saluran (Ohm) R = Tahanan saluran (Ohm) X = Reaktansi (Ohm)
(2)
Ohm
(3)
Keterangan : R = Resistansi (Ohm) = Resistivitas (tahanan jenis penghantar) l = Panjang kawat (meter) A = Luas penampang kawat (mm²)
PMS
Feeder 3
l A
5.2 Reaktansi Sebuah konduktor yang dilalui arus listrik dikelilingi oleh garis-garis magnetik yang berbentuk lingkaran-lingkaran konsentrik. Dalam hal ini arus bolak-balik medan sekeliling konduktor tidaklah konstan melainkan berubah-ubah dan mengait dengan konduktor itu sendiri maupun dengan konduktorkonduktor lain yang terletak berdekatan. Oleh karena adanya kaitan-kaitan fluks tersebut, saluran memiliki sifat induktansi. Reaktansi induktif dari saluran udara tiga [2] Reaktansi penghantar untuk jaringan distribusi pada umumnya terdiri dari induktansi, maka reaktansinya disebut induktif (XL) yang dapat dihitung dengan rumus : XL (4) Keterangan : XL = Reaktansi jaringan (Ohm) f = frekwensi (Hz) L = Induktansi (Henry) Jelaslah bahwa reaktansi suatu instalasi listrik tergantung dari : 1. Jarak antar konduktor, yaitu ; semakin besar jarak, semakin besar pula reaktansi. 2. Radius konduktor, yaitu ; berkurang atau bertambahnya radius. 3. Panjang saluran, yaitu : akan bertambahnya nilai reaktansi [6]. 5.3 Rugi Daya Pada Jaringan Distribusi Rugi-rugi daya adalah besarnya daya yang hilang pada suatu jaringanan, yang besarnya sama dengan daya yang disalurkan dari sumber dikurangi besarnya daya yang diterima pada perlengkapan hubungan bagian utama [4]. Besarnya rugi-rugi daya satu fasa dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : P = I2 x R (Watt) (5) (2.12) Keterangan : P = Rugi daya pada jaringan (Watt) (2.13) I = Arus beban pada jaringan (Ampere) R = Tahanan murni (Ohm) Besar rugi-rugi daya pada jaringan tergantung pada besarnya tahanan dan arus beban pada jaringan tersebut. Untuk mengetahui besar rugi-rugi daya pada
113
jaringan tiga fasa dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : P = 3 x I2 x R (Watt) (6) 6. Prinsip Dasar Rekonfigurasi Rekonfigurasi saluran distribusi radial adalah proses merubah nilai arus maupun impedansi feeder atau memindahkan suplai suatu titik beban trafo distribusi dari suatu feeder ke feeder yang lain. Rekonfigurasi dapat merubah parameter-parameter saluran distribusi antara lain, seperti impedansi dan arus feeder. Akibat perubahan kedua parameter tersebut, akan turut merubah rugi daya dan jatuh tegangan pada feeder, keseimbangan arus phasa dan keseimbangan arus feeder serta arus hubung singkat pada sisi ujung feeder. Oleh sebab itu, proses rekonfigurasi suatu sistem distribusi harus mempertimbangkan faktor faktor tersebut, terutama rugi daya dan jatuh tegangan. Konfigurasi radial dengan rugi daya dan jatuh tegangan yang paling minimum, secara ideal hanya dapat diperoleh saat tercapainya keseimbangan arus maupun impedansi feeder. 8. Program ETAP (Electrical Transient Analysis Program) PowerStation 6.0.0 PowerStation adalah software untuk power sistem yang bekerja berdasarkan perencanaan (plant/project). Dalam PowerStation, setiap perencanaan harus menyediakan data base untuk keperluan itu. ETAP PowerStation dapat melakukan penggambaran single line diagram secara grafis dan mengadakan beberapa analisis/studi yakni Load Flow (aliran daya), Short Circuit (hubung singkat), motor starting, harmonics power sistems, transient stability, dan protective device coordination. Pada gambar 5 diperlihatkan bentuk tampilan program ETAP 6.0.0
Gambar 5. Tampilan program ETAP 6.0.0
9.Analisa Pembahasan Sistem Distribusi 20 kV PT. PLN (Persero) Cabang Dumai Ranting Duri Gardu Hubung Ujung Tanjung Data diperoleh dari PT. PLN (Persero) Cabang Dumai Ranting Duri yang memperoleh suplai energi listrik dari Gardu Induk Garuda Sakti Pekanbaru. Dengan kapasitas daya Gardu Induk Duri sebesar 2 x 30 MVA, sebagian energi listrik tersebut digunakan untuk kebutuhan energi listrik di Duri dan sekitarnya,
sebagian lagi diteruskan ke Gardu Induk Dumai dan Gardu Induk Bagan Batu. Di Gardu Induk Duri saluran transmisi 150 kV diturunkan menjadi saluran distribusi primer tegangan menengah 20 kV dan (2.22) disalurkan melalui beberapa feeder. Dari Gardu Induk Duri disalurkan melalui feeder-feeder pada Gardu Hubung Ujung Tanjung dengan daya trafo distribusi, adapun feeder-feeder yaitu : 1. Outgoing Feeder Sedinginan Kota dengan tegangan terima 17,6 kV, jumlah trafo 43, jarak saluran 30,5 kms dengan jenis penghantar AAAC 240 mm2 2. Outgoing Feeder Teluk Pulau dengan tegangan terima 13,6 kV, jumlah trafo 50, jarak 84 kms jenis penghantar AAAC 240 mm 2 3. Outgoing Feeder Tanah Putih dengan tegangan terima 18,2 kV, jumlah trafo 19, jarak 7 kms dengan jenis penghantar AAAC 240 mm 2 20 kV
AAAC 240 mm2, 30,5 kms 17,6 kV
OGF Sedinginan Kota GH. Ujung Tanjung
AAAC 240 mm2, 84 kms 13,6 kV
OGF Teluk Pulau
2 x 30 MVA. AAAC 240 mm2, 7 kms
18,2 kV
OGF Tanah Putih
Gambar 6. Sistem Distribusi 20 kV PT. PLN (Persero) Gardu Hubung Ujung Tanjung Eksisting
Saluran distribusi Feeder dari Gardu IndukDuri merupakan saluran distribusi struktur radial, menggunakan Kawat penghantar jenis All Alluminum Alloy Conduktor (AAAC) ukuran 3x240 mm 2, panjang saluran, dan Impedansi saluran antar trafo untuk Outgoing Feeder Sedinginan Kota, Outgoing Feeder Teluk Pulau dan Outgoing Feeder Tanah Putih diperlihatkan pada gambar 6. Perhitungan rugi-rugi daya dan tegangan untuk Outgoing Feeder (OGF) Sedinginan Kota : Panjang saluran = 30500 m Impedansi = 0.2982 Ohm Arus beban = 262 Amp Tegangan GH = 19612 V Tegangan terima pada OGF Sedinginan Kota adalah sebesar 17,6 kV, OGF Teluk Pulau 13,6 kV dan OGF Tanah Putih 18,2 kV. 10.Analisa Perhitungan Untuk Memperbaiki Kinerja Sistem Distribusi 20 kV Menggunakan ETAP 6.0.0 Metode penelitian yang dilakukan pada perhitungan menggunakan metoda Newton Raphson. Sistem saluran distribusi atau transmisi mempunyai konfigurasi antara lain seperti konfigurasi radial dan loop. Untuk mengetahui kinerja sistem, maka
114
diperlukan studi aliran daya. Tujuan studi aliran daya adalah untuk mengetahui rugi daya dan jatuh tegangan pada setiap titik beban di sepanjang saluran Pada sistem distribusi saluran loop, aliran daya dapat terjadi dari kedua sisi saluran. Namun tidak demikian dengan saluran radial, sebab pada saluran radial catu daya untuk suatu penyulang berada pada satu sisi saluran. Metode Newton-Raphson memiliki perhitungan yang lebih baik dari pada metode lainnya, bila untuk sistem tenaga yang lebih besar karena lebih efesien dan praktis. Jumlah iterasi yang dibutuhkan untuk memperoleh pemecahan ditentukan berdasarkan ukuran sistem menggunakan bantuan program ETAP versi 6.0.0 (Electrical Transient Analisys Program). Data Impedansi, beban sumber tenaga listrik diperoleh dari PT. PLN (Persero) Cabang Dumai. Hasil pembahasan diperoleh Rekonfigurasi_3 pada sistem distribusi lebih baik kinerjanya pada tegangan terima dan rugi daya dari pada kondisi eksisting pada saluran distribusi Gardu Hubung Ujung Tanjung seperti tabel 1.
Tabel 1 Hasil Pembahasan tegangan terima berdasarkan Running Electrical Transien Analisys Program (ETAP) 6.0.0
No
Kondisi
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Eksisting Rekon_1 Rekon_2 Rekon_3 Rekon_4 Rekon_5
Teg.terima terendah (kV) 13.6 16.2 16.9 17.5 17.1 16.9
MW
MVAr
3.05 2.74 2.21 1.84 2.12 2.14
3.14 2.88 2.34 1.98 2.36 2.28
Berdasarkan tabel 1 diperoleh hasil analisa menggunakan ETAP 6.0.0 untuk tegangan terima terbaik pada Rekonfigurasi_3, Hal dibuktikan bahwa hasil tegangan terima lebih baik dari kondisi eksisting sebesar 17,5 kV dan rugi-rugi daya aktif sebesar 1,84 MW dan daya reaktif sebesar 1,98 MVar. Tabel 2 Hasil Rekonfigurasi Tegangan Terima Terbaik Menggunakan ETAP 4.0.0
20 kV OGF Sedinginan Kota
Teg.terima terendah (kV) 1. Eksisting 13.6 2. Rekon_3 17.5 Penghematan Rugi Daya
No OGF Teluk Pulau Tr.
2 x 30 MVA GH Ujung Tanjung
Rugi daya
Kondisi
Rugi daya MW
MVAr
3.05 1.84 1.21
3.14 1.98 1.16
Dari Tabel.1 dapat dilakukan perhitungan untuk penghematan daya : - daya aktif ; 1210 kW x 24 jam = 29.040 kWh/hari - daya reaktif ; 1160 x 24 jam = 27.840 kWh/hari Untuk melakukan penghematan biaya dilakukan dengan menggunakan perkiraan biaya sebesar Rp. 800,- /kWh diperoleh: - daya aktif; = 29.040 kWh/hari x Rp. 800 = Rp. 23.232.000,- daya reaktif = 27.840 kWh/hari x Rp. 800 = Rp. 22.272.000,-
OGF Tanah Putih
Gambar 7. Kondisi Eksisting
20 kV OGF Sedinginan Kota
OGF Teluk Pulau Tr.
2 x 30 MVA GH Ujung Tanjung
OGF Tanah Putih PTS
Gambar 8. Hasil Rekonfigurasi_3 Sistem single Gardu Hubung Ujung Tanjung kondisi eksisting diperlihatkan pada gambar 7 dan kondisi setelah rekonfigurasi di perlihatkan pada gambar 8.
Kesimpulan 1. Kondisi Eksisting sistem distribusi 20 kV PT. PLN (Persero) Cabang Dumai Ranting Duri Gardu Hubung Ujung Tanjung tegangan terima sebesar 13.6 kV, Rugi daya aktif 3,05 MW dan daya reaktif 3,14 MVAr. 2. Hasil pembahasan dengan menggunakan Metoda Newton Rapshon dan program ETAP 6.00 diperoleh rekonfigurasi tegangan terima terbaik pada Rekonfigurasi_3 sebesar 17,5 kV, rugi daya aktif sebesar 1,84 MW dan Rugi daya reaktif 1,98 MVar, sehingga diperoleh penghematan rugi-rugi
115
daya aktif sebesar 1,21 MW dan daya reaktif sebesar 1,16 MVAr 3.Penghematan daya aktif sebesar : 1210 kW x 24 jam = 29.040 kWh/hari 29.040 x Rp. 800,- = Rp. 23.232.000,4. Penghematan biaya daya reaktif sebesar : 1160 x 24 jam = 27.840 kWh/hari 27.840 x Rp. 800 = Rp. 22.272.000,Daftar Pustaka 1.
A Fuzzy Multiobjective Approach for Network Reconfiguration of Distribution , IEEE Tran On Power Delivey, Vol. 21, No. 1, Jan 2006 2. Milwaukee School of Engineering, 1999. 3.Hadi, Abdul, Pabla, As., Erlangga, Cetakan Pertama, Bandung, 1994 4. Modern Power System Analysis Tata McGraw Hill, New Delhi, 2005 5. Analisis Sistem Tenaga Listrik 6.T.S.Hutahuruk, Transimisi Daya Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1985 7.Wagner, A.Y. Chikani, R. Hackman, Fellow, Feeder Reconfiguration For Loss Reduction: , IEEE Transactions On Power Delivery, Vol. 6, No. 4, October 2001. 8.Zuhal, Dasar Tenaga Listrik , Penerbit ITB, Bandung 1991
116
