ANALISA REKONFIGURASI 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 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 dengan menggunakan Electrical Transient Analisys Program (ETAP) 4.0.0 pada PT. PLN cabang Dumai Ranting Duri Gardu Hubung Wonosobo. Diperoleh hasil rekonfigurasi 5 lebih baik dengan tegangan terima terendah sebesar 17.725 kV, Rugi daya aktif 7.426 kW dan daya reaktif 4.142 kVAr dari kodisi eksisting dan diperoleh penghematan rugi-rugi daya aktif sebesar 12.539 kW dan daya reaktif 6.133 kVAr. Sehingga dari penghematan rugi-rugi daya diperoleh penghematan daya aktif sebesar 300.936 kWh daya reaktif sebesar dan penghematan biaya sebesar Rp. 180.561.600,Kata Kunci : Sistem Distribusi, tegangan terima, rugi-rugi daya, Electrical Transient Analisys Program
ANALYSIS OF RECONFIGURATION DISTRIBUTION SYSTEM 20 kV TO IMPROVE PERFORMANCE DISTRIBUTION SYSTEM BY USING ELECTRICAL TRANSIENT ANALYSIS PROGRAM. Absrtact Electricity demand is calculated based on the activity and intensity of use of electricity. Activities associated with the use of electric power the economy and population levels.The higher level of economic activity will lead to greater use of electrical power, as well as for the population. In the operation of power system one of the main factors that consumers want is the power distribution system reliability that is sent from the sources of power with the power received by consumers, the power delivered will usually beexperiencing imbalances so that experienced loss of power or voltage is not stable. To overcome the problems of calculation using Electrical Transient Analysis Program (ETAP) 4.0.0 in PT. PLN Branch Dumai Duri Wonosobo Connecting Relay Stations. Obtained better results with the reconfiguration_5 received the lowest voltage of 17.725 kV, 7.426 kW active power losses and reactive power kVAR of Events existing 4.142 and obtained savings active power loss amounted to 12.539 kW and 6.133kVAR reactive power. So that the savings gained power loss savings of 300,936 kWh of active power reactive power and cost savings amounting to Rp. 180 561 600, Keyword : Distribution System, electric energi, lossies of energy, Electrical Transient Analisys Program
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 [Zuhal,1991]. 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 (Debrapiya Das, 2006). 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 (Wagner, A.Y. Chikani, R. Hackman, Fellow, 2001). 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 kemasingmasing 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 [Zuhal,1991].
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 peralatan-peralatan perkantoran dan rumah tangga [Zuhal,1991]. Gardu Induk
Gardu Induk
Pembangkit
PM
G
PM – Prime Mover G - Generator
Transmisi TT
Distribusi TR
Feeder Distribusi TM
Gardu Distribusi
Konsumen TM
Konsumen TR
Gambar 1. Sistem Ketenagalistrikan 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 (Pabla,1994)). 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. 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 dari saluran utama dan saluran cabang seperti terlihat pada gambar 2.
PMS
Beban
PMT
PMT
4.
Beban
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
Beban
PMT Beban
Beban
Gardu Induk
Beban
PMS
.
PMT PMS
PMT
PMT PMS
PMS
Feeder 1 PMT
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 bisaa digunakan di gardu induk maupun gardu distribusi. Sedangkan trafo tegangan dan trafo arus adalah trafo yang digunakan untuk pengukuran dan proteksi (Zuhal,1991). Bila kumparan primer dengan N1-lilitan diberi tegangan bolak-balik V1, maka pada kumparan tersebut mengalir arus I1 dan menimbulkan fluksi medan listrik ( φ ) bolakbalik. 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).
PMT PMS
PMT
Beban
V1
Feeder 2
N1
E1
E2
N2
PMT
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. Feeder 1
PMT
PMS PMT
PMS
Beban
PMT
Beban
PMT
PMS
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 N2-lilitan, maka pada kumparan tersebut juga timbul tegangan induksi (E2). E = N. (d φ /dt) (2.1)
PMS Beban
Feeder 2
PMT
PMS
Beban
Beban
PMT
PMS PMT
PMS PMT
PMT
Express Feeder
PMS
Beban
Beban
GI PMS
Feeder 3 PMS PMT
PMS PMT
Beban PMT
Feeder 4
Beban
PMS PMT
PMS
Beban
PMS
PMT
PMS PMT
PMT
Gambar 5. Konstruksi dasar Transformator
GH
Gambar 4 Sistem Jaringan Distribusi Spindel
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 (Stevenson,1983). Impedansi dapat dihitung dengan rumus : Z = R + jX
Maka : Z = R2 + X 2 Ohm Keterangan : Z = Impedansi saluran (Ohm) R = Tahanan saluran (Ohm) X = Reaktansi (Ohm)
(2.2)
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 :
R=ρ
l A
Ohm
(2.3)
Keterangan : R = Resistansi (Ohm) ρ = Resistivitas (tahanan jenis penghantar) l = Panjang kawat (meter) A = Luas penampang kawat (mm²) 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 konduktor-konduktor lain yang terletak berdekatan. Oleh karena adanya kaitan-kaitan fluks tersebut, saluran memiliki sifat induktansi. Reaktansi induktif dari saluran udara tiga (Hadi Sahadat,1999) Reaktansi penghantar untuk jaringan distribusi pada umumnya terdiri dari induktansi, maka reaktansinya disebut induktif (XL) yang dapat dihitung dengan rumus : XL = 2 π fL (2.4) 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 (Hutauruk, 1985).
5.3 Rugi Daya Pada Jaringan Distribusi Dalam penyediaan tenaga listrik, (2.13) disyaratkan suatu level standar tertentu untuk menentukan kwalitas tegangan pelayanan. Secara umum ada 3 hal yang perlu dijaga kwalitasnya, yaitu : 1. Frekwensi (50 Hz) 2. Tegangan (+ 5% dan – 10%) 3. Kehandalan 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 (Khotari,2005). (2.14) Besarnya rugi-rugi daya satu fasa dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : (2.5) ∆ P = I2 x R (Watt) Keterangan : ∆ P = Rugi daya pada jaringan (Watt) 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 jaringan tiga fasa dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : (2.6) ∆ P = 3 x I2 x R (Watt) 6. Pengoperasian Jaringan Distribusi Tenaga Listrik Pengoperasian dari jaringan distribusi tenaga listrik membutuhkan analisis yang terus menerus untuk menilai keberhasilan suatu sistem dan untuk menekan keefektifan rencana yang lain pada pengembangan sistem. Analisis ini menggunakan perhitungan tegangan dan arus rangkaian pada kondisi-kondisi tertentu. Pada pengoperasian jaringan distribusi tenaga listrik menimbulkan rugi-rugi daya yang terdiri dari rugi-rugi pada saluran distribusi, rugi-rugi pada transformator distribusi, meter-meter dan juga penurunan tegangan atau susut tegangan 8. Program ETAP (Electrical Transient Analysis Program) PowerStation 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.
Saluran distribusi Feeder dari Gardu Induk-Duri merupakan saluran distribusi struktur radial, menggunakan Kawat penghantar jenis All Alluminum Alloy Conduktor (AAAC) ukuran 3x240 mm2, 3x150 mm2, 3x70 mm2.jenis dan ukuran penghantar, panjang saluran, dan Impedansi saluran antar trafo untuk Feeder Belutu, Feeder Subrantas dan Feeder Sebanga Perhitungan rugi-rugi daya dan tegangan: Untuk saluran 1 (GH-Tr. 232) Feeder Belutu Panjang saluran = 500 m Impedansi = 0.2982 Ohm Arus beban = 91 Amp Tegangan GH = 19612 V
Gambar 7. Tampilan program ETAP 9.Analisa Perhitungan Tegangan dan Rugi Daya Kondisi Terpasang PT. PLN Cabang Dumai Ranting Duri Gardu Hubung Wonosobo PT. PLN Ranting Duri 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 disalurkan melalui beberapa feeder. Dari gardu induk Duri disalurkan melalui feeder-feeder pada gardu hubung Wonosobo (GH. Wonosobo) dengan daya trafo distribusi sebesar 400 kVA, yaitu : 1. Feeder Belutu 2. Feeder Soebrantas 3. Feeder Sebanga 30
TR.84
3
Tr.96
3
66
6
68
69
83
Tr.126
Tr.131
TR.150 Tr.206 Tr.221
TR.212
Tr.257
Tr.258
Tr.259
Tr.216
Tr.217 Tr.155
TR.175
Tr.219 Tr.220
Tr.185
Tr.188
Tr.191
Tr.192
Tr.280
Tr.05
Tr.06
Tr.13
Tr.14
Tr.25
Tr.28
Tr.31
Tr.42
Tr.43
Tr.44
Tr.53
Tr.78
Tr.82
Tr.89
Tr.94
Tr.100
F. Soebrantas PTS.3
Tr. 153 30 MVA 150/20 kV
Tr.270
Tr.272
Tr.274
GH. Wonosobo
Tr. 168
GH. Wonosobo
Tr.232
Tr.287
Tr.134
Gambar 9. Saluran Feeder Belutu. Drop tersebut
Tegangan
pada
saluran
ΔV = I x Z = I x (R) 2 + (X) 2 x l = 91 x (0.5303) 2 + (0.2729) 2 x 0.5 Km = 91 X 0.2982 = 27.14 Volt
Tegangan terima pada Trafo 232 adalah V232 = VGH - ∆V = 19612 – 27.14 = 19585 Volt = 19.585 kV Rugi daya pada saluran – 1 adalah Rugi daya Aktif : ∆P1 = I2 x R = (91)2 x 0.5303 = 4391 watt = 4.391 kW Rugi daya Reaktif : ∆Q1 = I2 x X = (91)2 x 0.2729 = 2260 VAr = 2.260 kVAr
Tr. 180
Tr. 190
Tr. 199
Tr.229 Tr. 215 Tr.298
F. Belutu Tr. 239
Tr.232
Tr.287
Tr.134
Tr.143
Tr.130
Tr.183
Tr.163
Tr.142
Tr.279
Tr.150
Tr.68
Tr.188
Gambar 8. Sistem Distribusi 20 kV PT. PLN (Persero) Ranting Duri Eksisting
10.Perhitungan Untuk Memperbaiki Kinerja Sistem Distribusi 20 kV Menggunakan ETAP 4.0.0 Perhitungan dilakukan dengan menggunakan bantuan program ETAP versi
4.0.0 (Electrical Transient Analisys Program). Data Impedansi, beban sumber tenaga listrik diperoleh dari PT. PLN (Persero) Cabang Dumai Ranting Duri. Hasil pembahasan diperoleh Rekonfigurasi_5 pada sistem distribusi lebih baik kinerjanya pada tegangan terima dan rugi daya dari pada kondisi eksisting pada saluran distribusi Gardu Hubung Wonosobo seperti tabel 1. F. Sebanga Tr.11
Tr.21
Tr.22
Tr.30
PTS.1
Tr.32
Tr.37
Tr.41
Tr.66
Tr.67
Tr.68
Tr.69
Tr.83
PTS.2 TR.84
Tr.96
Tr.126
Tr.206 Tr.131 TR.212
TR.150 Tr.155
Tr.216
Tr.221
Tr.257
Tr.258
Tr.259
TR.175 Tr.217 Tr.185 Tr.219 Tr.188
Tr.191
Tr.220
Tr.192
Tr.280
Tr.05
Tr.06
Tr.13
Tr.14
Tr.25
Tr.28
Tr.31
Tr.42
Tr.43
Tr.44
Tr.53
Tr.78
Tr.82
Tr.89
Tr.94
Tr.100
F. Soebrantas PTS.3
Tr. 153
30 MVA 150/20 kV
Tr.270 GI. Duri
Tr.272
Tr.274
GH. Wonosobo Tr. 168
Tr. 180 Tr. 190
Tr. 199 Tr.229 Tr. 215 Tr.298
F. Belutu Tr.232
Tr.287
PTS.4 Tr.134
Tr.143
Tr.130
Tr.183
Tr.163
Tr.142
Tr.279
Tr. 239
Tr.150
Rekonfigurasi_5 dimana pada kondisi ini tegangan terima sebesar 17.725 kV, Rugi daya aktif 7.426 kW dan daya reaktif 4.142 kVAr. Nilai ini lebih baik dari kondisi Eksisting yaitu tegangan terendah 17.625 kV, Rugi daya 19.965 kW, 10.275 kVAr. 2. Hasil Rekonfigurasi_5 memperoleh penghematan rugi-rugi daya aktif sebesar 12.539 kW dan daya reaktif sebesar 6.133 kVAr 3. Penghematan daya aktif sebesar 12.539 kW x 24 jam = 300.939 kWh/hari dan daya reaktif 6133 kVAr x 24 jam = 147.192 kWh/hari 4. Penghematan biaya daya aktif sebesar 300.939 x Rp. 600 = Rp. 180.561.600,- dan daya reaktif sebesar 147.192 x Rp. 600 = Rp. 88.315.200,-
Tr.68
Tr.188
Gambar 10. Hasil Rekonfigurasi 5 Tabel 1 Hasil Running Electrical Transien Analisys Program (ETAP) 4.0.0 Teg.terima Rugi daya terendah kW kVAr (kV) 1. Eksisting 17.575 19.965 10.275 2. Rekon_5 17.751 7.426 4.142 Penghematan Rugi Daya 12.539 6.133
No
Kondisi
Dari Tabel.1 dapat dilakukan perhitungan untuk penghematan daya : - daya aktif ; 12.539 x 24 jam = 300.936 kWh/hari - daya reaktif ; 6.133 x 24 jam = 147.192 kWh/hari Untuk melakukan penghematan biaya dilakukan dengan menggunakan perkiraan biaya sebesar Rp. 600,- /kWh diperoleh: - daya aktif; 300.936 kWh/hari x Rp. 600 = Rp. 180.561.600,- daya reaktif 300.936 kWh/hari x Rp. 600 = Rp. 180.561.600,Kesimpulan 1. Rekonfigurasi sistem distribusi 20 kV PT. PLN (Persero) cabang Dumai Ranting Duri Gardu Hubung Wonosob dapat memperbaiki kinerja sistem pada tegangan terima dan menurunkan rugi daya pada saluran. Rekonfigurasi yang terbaik adalah
Daftar Pustaka Debrapiya Das, “A Fuzzy Multiobjective Approach for Network Reconfiguration of Distribution Systems”, IEEE Tran On Power Delivey, Vol. 21, No. 1, Jan 2006 Hadi Saadat, “Power System Analysis”, Milwaukee School of Engineering, 1999. Hadi, Abdul, Pabla, As., “Sistem Distribusi Daya Listrik”, Erlangga, Cetakan Pertama, Bandung, 1994 Kothari, DP, “Modern Power System Analysis”,3rd, Tata McGraw Hill, New Delhi, 2005 Stevenson,Jr dan William, D,”Analisis Sistem Tenaga Listrik”, Erlangga, Bandung, 1983 T.S.Hutahuruk, Transimisi Daya Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1985 Wagner, A.Y. Chikani, R. Hackman, Fellow, “Feeder Reconfiguration For Loss Reduction: An Application of Distribution Automation”, IEEE Transactions On Power Delivery, Vol. 6, No. 4, October 2001.
