ANALISIS APLIKASI PENJADWALAN UNIT-UNIT PEMBANGKIT PADA SISTEM KELISTRIKAN JAWA-BALI DENGAN MENGGUNAKAN UNIT COMMITMENT, UNIT DECOMMITMENT DAN MODIFIED UNIT DECOMMITMENT
Oleh: Aris Heri Andriawan (2207201002) PROGRAM PASCA SARJANA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER (ITS) SURABAYA
Penjadwalan unit pembangkit agar biaya operasi pembangkit minimum
Pembangkit
Metode Penjadwalan Pembangkit (Unit Commitment)
Line Transmisi
qUnit Commitment qUnit Decommitment qModified Unit Decommitment
Beban (Fluktuasi)
Pembangkit mampu melayani Fluktuasi permintaan beban
1
Rumusan Masalah
• Penelitian ini akan memfokuskan pada masalah penjadwalan pembangkitan dengan metode unit commitment, unit decommitment, dan modified unit decommitment pada sistem kelistrikan Jawa –Bali.
Batasan Masalah • Penelitian ini menggunakan data dari unit pembangkit, sistem pembangkit Jawa – Bali • Karakteristik input-output masing-masing unit diasumsikan sama dengan kondisi awal
2
Tujuan dan Manfaat • Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis aplikasi metode Unit Commitment, Unit Decommitment dan Modified Unit Decommitment untuk penjadwalan unit pembangkit thermal pada sistem kelistrikan Jawa-Bali. • Dengan menganalisis aplikasi metode Unit Commitment, Unit Decommitment, dan Modified Unit Decommitment pada penjadwalan unit pembangkit thermal diharapkan dapat diperoleh pendekatan yang paling efisien untuk melakukan penjadwalan.
Flowchart metodologi Penelitian
Gambar 1. Flowchart Metotodologi Penelitian
3
Kontribusi •
Dari hasil penelitian diperoleh pendekatan yang paling efisien untuk melakukan penjadwalan sesuai kondisi di lapangan.
•
Hasil penelitian memberikan masukan pada materi bahan perkuliahan, berupa software baru yang berisi tiga menu software yaitu UC, UD, dan MUD, serta memberikan kontribusi kepada PLN metode alternatif untuk menghasilkan penjadwalan yang ekonomis.
Tinjauan Pustaka •
Sejarah penelitian untuk masalah UC (Unit Commitment): 1. Di tahun 1940-an - 1970-an disebut sebagai metode pemrograman integer campuran, dan berdasar atas daftar skala prioritas. Kelebihan: penyelesaiannya sederhana 2. Tahun 1980-an metode Branch dan Bound Algorithm dan metode Dynamic Programming. Kelebihan: Kedua metode solusinya optimal untuk jumlah unit pembangkit yang kecil. Untuk unit pembangkit yang besar metode pendekatan Lagrangian Relaxation. Waktu penyelesaian yang lebih pendek bila dibandingkan dengan Dynamic Programming. Kelemahan: metode ini sangat sensitif terhadap pengali Lagrange, sehingga dengan bertambahnya pengali lagrange sulit dicari solusinya. 3. Sequential Unit Commitment dikembangkan untuk menyempurnakan metode Lagrangian Relaxation dan metode Dynamic Programming. Kekurangan: Metode ini membutuhkan daftar prioritas heuristic untuk mendapatkan harga awal. Kelebihan: Selain prioritas tradisional, metode ini menyeleksi unit yang paling menguntungkan untuk commit pada basis operasi ekonomis dan permintaan sistem selama proses iterasi.
4
4. Tahun 1990an, Chaoan Li menemukan metode unit commitment baru berdasarkan pada prosedur dekomitmen . Komitmen sistem diawali dengan semua unit tersedia pada periode studi. Kekurangan: Permulaan jadwal unit memiliki cadangan perputaran yang berlebih sehingga biaya operasi sistem tidak ekonomis karena biaya operasional lebih besar. Untuk mendapatkan biaya operasi yang ekonomis, beberapa unit harus dipertimbangkan untuk shutdown pada satu atau semua bagian selama periode waktu penjadwalan. 5. Feixiong Hu, pada tahun 2004 melakukan modifikasi metode Unit Decomitmen dengan memperbaiki dan menambahkan beberapa konstrain. Metode ini disebut dengan Modified Unit Decommitment (MUD). •
Penelitian ini mengaplikasikan Dynamic Progrmming pada metode Unit Commitment, Unit Decommitment, dan Modified Unit Decommitment untuk penjadwalan unit pembangkit sistem kelistrikan Jawa-Bali.
1. Unit Commitment • Fungsi kuadratik yang digunakan untuk pendekatan biaya produksi, adalah :
Fi ( pi ,t ) = Ci ,t = a i ,t + bi ,t x pi ,t + ci ,t x p i ,t
2
• Total biaya produksi:
min F = ∑∑ [Ci ( p it )u it ) + S i ( xi ,t −1 , u it , u i ,t −1 )] T
uxp −− −
I
t =1 i =1
5
Subyek pada: • Batasan permintaan beban: I
∑ i =1
pit u it = Dt
t = 1,...,T
• Batasan cadangan perputaran: I
∑ i =1
pimax u it ≥ Rt
t = 1,..., T
• Batasan kapasitas pembangkit: p imax ≤ p it ≤ p imax
i = 1,..., I ; t = 1,..., T
• Batasan minimum up/down time 1, jika 1 ≤ xi ,t −1 < t1on jika 1 ≤ xi ,t −1 < t1on u it = 0, 0 atau 1, kondisi yang lain
• Persamaan keadaan transisi: max ( xi ,t −1 , 0) + 1, xit = min ( xi ,t −1 , 0) − 1,
jika u it = 1 jika u it = 0
Dynamic Programming •
Algoritma dari dynamic programming dapat dinyatakan dengan:
Fcos t ( K , I ) = min[Pcos t ( K , I ) + S cos t ( K − 1, L : K , I ) + Fcos t ( K − 1, L)] {L }
Dengan, Fcost (K, I) Pcost (K, I) Scost (K-1, L:K, I)
= total biaya paling kecil pada state (K, I) = biaya produksi untuk state (K, I) = biaya transisi dari state (K-1, L) sampai dengan (K, I)
6
Gambar 2. Flowchart Algoritma Unit Commitment
2. Unit Decommitment (UD) • Fungsi objektif : min ∑ t ∑ i [Cit ( Pit ) * U it + S it ( X i ,t −1 , U it ,U i ,t −1 ) ]
• Batasan kesimbangan beban dengan multiplier λt,
∑P i
it
* U it − Dt = 0
t = 1,2,.....,T
• Dengan menambahkan pada fungsi objektif diatas, permasalahan optimisasi menjadi:
[
min∑ t ∑ i Cit ( Pit ) * U it + S it ( X i ,t −1 ,U it ,U i ,t −1 ) − λt
(∑ P *U i
it
it
)]
− Dt
7
Subyek pada : 1. Nilai kelebihan cadangan perputaran,
EXSt = ∑i Rit * U it − Dt − Rtreq ≥ 0 2. Persamaan kondisi dinamik 1 X i ,t −1 + 1 T up x it = i −1 X i ,t −1 − 1 cool − Ti
jika Ti cool ≤ X i ,t −1 ≤ Ti dn danU it = 1 ( hidup ) jika 1 ≤ X i ,t −1 ≤ Ti up − 1 ( hidup dan harus tetap hidup) jika X i ,t −1 = Ti up dan U it = 1 ( hidup dan mungkin mati ) jika X i ,t −1 = Ti up dan U it = −1 ( mati ) jika Ti dn + 1 ≤ X i ,t −1 ≤ −1 ( mati dan tetap harus mati) jika X i ,t −1 = −Ti cool dan U it = −1
3. Batasan-batasan yang lain: batas kemampuan min/max pembangkit, minimum up/down time, dan lain-lain.
Gambar 3. Flowchart Algoritma Unit Decommitment
8
3. Modified Unit Decommitment (MUD) •
fungsi objektif : T
T −1 I
∑∑ C
min{
t = 0 i =1
up ,i
((U i ,t +1 − U i ,t ) + U i ,t +1 − U i ,t ) / 2 + T −1 I
∑∑ C t = 0 i =1
•
down, i
I
∑∑ F ( p t =1 i =1
i
i ,t
) xU i ,t +
( U i ,t +1 − U i ,t − (U i ,t +1 − U i ,t )) / 2 }
Dari persamaan (1): – term pertama berarti biaya produksi; – term ke dua berarti penyalaan semua unit; – term ke 3 berarti biaya pemadaman (shut down).
• subyek pada: I
Dt−∑pi,t xUi,t = 0 i=1
I
∑p i=1
xUi,t − Dt − Rtup ≥ 0
max i,t
pmin ≤ pi,t ≤ pmax i i pi,t-δi,t≤pi,t+1≤pi,t+δi,t |Xi,t|≥ tion jika Ui,t+1=0 & Ui,t=1 |Xi,t|≥ tioff jika Ui,t+1=1 & Ui,t=0
9
Formulasi Metode MUD • Proses utama dari MUD hampir sama dengan metode unit decomitmen, tetapi perbaikan dibuat dengan lebih banyak batasan, seperti ramp rate, dan lain-lain, yang dipertimbangkan. Penjadwalan hari berikutnya dilakukan berdasarkan kondisi awal unit. • Solusi awal dimungkinkan menurut kondisi awal dari unit yang dikerjakan, Jika : Xi,t >0 atau |Xi,t|> tioff Selanjutnya ditetapkan: Ui,t0 =1 t ∈{t,…,T}
• Subprogram Dynamic Programming digunakan untuk masing-masing kandidat unit untuk menentukan dekomitmen optimal (atau dekomitmen sebagian) unit dalam periode waktu penelitian, sehingga didapatkan biaya produksi minimum. • Sub-program economic dispatch, digunakan untuk mendapatkan nilai minimum dari fungsi obyektif. • Jadwal dengan nilai paling rendah dipilih sebagai hasil dari iterasi sekarang. Proses iterasi berlanjut sampai tidak ada perubahan jadwal yang bisa mereduksi lagi nilai fungsi obyektifnya.
10
Algoritma
Gambar 4. Flowchart Pelaksanaan Algoritma MUD
Analisis
•
•
•
Simulasi penjadwalan dengan metode unit commitment dengan beban Minggu, 4 januari 2009 dan Senin, 5 Januari 2009. Simulasi penjadwalan dengan metode unit decommitment dengan beban Minggu, 4 januari 2009 dan Senin, 5 Januari 2009. Simulasi penjadwalan dengan metode modified unit decommitment
11
Gambar 5. Topologi Sistem Jawa - Bali
Gambar 6. Single Line Diagram Sistem Jawa - Bali
12
Tabel 1. Parameter Pembangkit Thermal
No.
No. Unit
A
B
C
MaxCap (MW)
MinCap (MW)
MUT (h)
MDT (h)
Biaya tanpa beban ($/h)
Status awal
Harga bahan bakar ($/MCal)
Biaya start up ($/kWh)
PT. INDONESIA POWER 1.
Unit 1
388143.98
1306.00
6.18100
381.00
240.00
24
24
12.08
24
.004259
20.13
2.
Unit 2
388143.98
1306.00
6.18100
381.00
240.00
24
24
12.08
24
0.004259
20.13
3.
Unit 3
388143.98
1306.00
6.18100
381.00
240.00
24
24
12.08
24
0.004259
20.13
4.
Unit 4
388143.98
1306.00
6.18100
381.00
240.00
24
24
12.08
24
0.004259
20.13
5.
Unit 5
561.00
7.92
0.00156
579.00
340.00
48
48
18.12
24
0.004259
30.20
6.
Unit 6
561.00
7.92
0.00156
579.00
340.00
48
48
18.12
24
0.004259
30.20
7.
Unit 7
737.00
10.98
2.10100
508.00
150.00
24
24
2.09
24
0.009616
3.48
8.
Unit 8
737.00
10.98
2.10100
508.00
150.00
24
24
3.03
24
0.009616
5.04
9.
Unit 9
660.80
25.92
0.00413
55.00
30.00
2
2
0.00
24
0.000005
0.00
10.
Unit 10
660.80
25.92
0.00413
55.00
30.00
2
2
0.00
24
0.000005
0.00
11.
Unit 11
660.80
25.92
0.00413
55.00
30.00
2
2
0.00
24
0.000005
0.00
12.
Unit 12
650.70
28.12
0.00209
50.00
20.00
2
2
0.00
24
0.008960
0.00
13.
Unit 13
650.70
28.12
0.00209
50.00
20.00
2
2
0.00
24
0.008960
0.00
14.
Unit 14
650.70
28.12
0.00209
50.00
20.00
2
2
0.00
24
0.008960
0.00
15.
Unit 15
451.01
22.10
0.00200
55.00
37.50
2
2
0.00
24
0.000003
0.00
16.
Unit 16
260.00
20.00
0.00980
50.00
25.00
24
12
2.79
24
0.009616
4.65
17.
Unit 17
260.00
20.00
0.00980
50.00
25.00
24
12
2.79
24
0.009616
4.65
18.
Unit 18
78.00
7.97
0.00480
200.00
100.00
24
12
4.55
24
0.009616
7.68
19.
Unit 19
696.03
877.00
1.92000
400.00
150.00
24
12
2.45
24
0.005771
1.36
20.
Unit 20
696.25
877.00
1.92000
400.00
150.00
24
12
2.45
24
0.005771
4.05
Lanjutan Tabel 1. Parameter Pembangkit Thermal
No.
No. Unit
A
B
C
MaxCap (MW)
MinCap (MW)
MUT (h)
MDT (h)
Biaya tanpa beban ($/h)
Status awal
Harga bahan bakar ($/MCal)
Biaya start up ($/kWh)
PT. PEMBANGKITAN JAWA BALI 1.
Unit 1
251800.0
2600
4.8000
508.00
150.00
4
4
3.97
24
0.009616
6.61
2.
Unit 2
375800.0
1968
9.7620
100.00
40.00
10
10
1.14
24
0.009616
1.90
3.
Unit 3
375800.0
1968
9.7620
100.00
40.00
10
10
1.14
24
0.009616
1.90
4.
Unit 4
303100.0
9.26
4.4000
100.00
70.00
10
10
4.55
24
0.009616
7.68
5.
Unit 5
303100.0
9.26
4.4000
100.00
70.00
10
10
4.55
24
0.009616
6.
Unit 6
388144.17
1306.15
6.1800
400.00
150.00
48
24
12.00
24
0.009616
7.
Unit 7
6000.00
2136.00
5.2800
100.00
40.00
48
48
1.14
24
0.005771
1.67
8.
Unit 8
6000.00
2136.00
5.2800
100.00
40.00
48
48
1.14
24
0.005771
1.67
9.
Unit 9
78.00
7.60
0.00200
200.00
50.00
48
48
4.54
24
0.009636
7.58
10.
Unit 10
914.3642
5.44
1.13780
550.00
250.00
48
1.97
24
0.009636
3.28
11.
Unit 11
998.8195
4.70
0.00240
550.00
250.00
48
1.97
24
0.009636
3.28
12.
Unit 12
955.8401
4.70
0.00201
550.00
250.00
48
1.97
24
0.009636
3.28
0.5 0.5 0.5
7.68 20.0
13
Tabel 2. Unit-unit yang mengalami shut down dengan UD
Hari/tanggal
No. Unit
Nama Unit
32 PLTGU Gresik # B1
Minggu, 4 Januari 2009
Senin, 5 Januari 2009
31
PLTGU Gresik # B1
Periode waktu
Lama shutdown
00.00 - 17.30, 21.30 - 22.00, 22.30 - 23.00, 23.30 - 24.00
19 jam
00.00 - 18.00, 21.00 - 24.00
21 jam
26
PLTU Paiton #2
00.00 s/d 24.00
24 jam
27
PLTU Gresik #1
00.00 s/d 24.00
24 jam
28
PLTU Gresik #1
00.00 s/d 24.00
24 jam
32
PLTGU Gresik # B1
00.00 - 07.30
7,5 jam
31
PLTGU Gresik # B1
00.00 - 08.00 11.30 – 12.30
9 jam
28
PLTU Gresik #1
00.00 - 08.00, 11.00 – 13.00, 21.30 – 24.00
13,5 jam
27
PLTU Gresik #1
00.00 - 08.00, 11.00 – 13.00, 21.30 – 24.00
13,5 jam
00.00 - 08.00, 11.00 – 13.00, 14.30 – 15.00, 15.30 – 16.00, 21.30 – 24.00
14,5 jam
26
PLTU Paiton #2
23
PLTU M. Karang #2
21.00 – 24.00
3 jam
22
PLTU M. Karang #1
20.00 – 24.00
4 jam
21
PLTU M. Karang #B1
20.00 – 22.00
2 jam
Tabel 3. Unit-unit yang mengalami shut down dengan MUD
Hari/tanggal
No. Unit
Nama Unit
32 PLTGU Gresik # B1
Minggu, 4 Januari 2009
31
PLTGU Gresik # B1
Periode waktu
Lama shutdown
00.00 - 17.30, 21.30 - 22.00, 22.30 - 23.00, 23.30 - 24.00
19 jam
00.00 - 18.00, 21.00 - 24.00
21 jam
26
PLTU Paiton #2
00.00 s/d 24.00
24 jam
27
PLTU Gresik #1
00.00 s/d 24.00
24 jam
28
PLTU Gresik #1
00.00 s/d 24.00
24 jam
32
PLTGU Gresik # B1
00.00 - 07.30
7,5 jam
31
PLTGU Gresik # B1
00.00 - 08.00 11.30 – 12.30
9 jam
28
PLTU Gresik #1
00.00 - 08.00, 11.00 – 13.00, 21.30 – 24.00
13,5 jam
27
PLTU Gresik #1
00.00 - 08.00, 11.00 – 13.00, 21.30 – 24.00
13,5 jam
00.00 - 08.00, 11.00 – 13.00, 14.30 – 15.00, 15.30 – 16.00, 21.30 – 24.00
14,5 jam
Senin, 5 Januari 2009 26
PLTU Paiton #2
23
PLTU M. Karang #2
21.00 – 24.00
3 jam
22
PLTU M. Karang #1
20.00 – 24.00
4 jam
21
PLTU M. Karang #B1
20.00 – 22.00
2 jam
14
Daya pembangkitan tiap unit (MW)
Perbandingan pembebanan tiap unit PLN dengan Unitcom Beban (5586 MW) 700 600 500 400 300 200 100 0
PLN Unitcom
1
3
5
7
9
11 13
15 17 19 21 23 25 27 29 31
Unit Pembangkit
Daya Pembebanan tiap Unit (MW)
Perbandingan Pembebanan tiap Unit PLN dengan UD Beban (5586 MW) 700 600 500 400 300 200 100 0
PLN Decom
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Unit Pembangkit
Daya pembangkitan tiap Unit (MW)
Perbandingan Pembebanan tiap Unit PLN dengan MUD Beban (5586 MW) 700 600 500 400 300 200 100 0
PLN Modif
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Unit Pembangkit
Daya Pembangkitan tiap Unit (MW)
Perbandingan Pembebanan tiap Unit PLN dengan Unitcom Beban ( 7087 MW ) 700 600 500 400 300 200 100 0
PLN Unitcom
1
3
5
7
9
11
13 15 17 19
21 23
25 27 29 31
Unit Pembangkit
15
Daya pembangkitan tiap Unit (MW)
Perbandingan Pembebanan Tiap Unit PLN dengan UD Beban ( 7087 MW) 700 600 500 400 300 200 100 0
PLN Decom
1
3
5
7
9
11
13
15 17
19
21
23
25
27 29
31
Unit Pembangkit
Daya pembangkitan tiap unit (MW)
Perbandingan pembebanan tiap Unit PLN dengan MUD Beban ( 7087 MW) 700 600 500 400 300 200 100 0
PLN Modif
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Unit Pembangkit
Tabel 4. Perbandingan Biaya operasional antara Unit Commitment, Unit Decommitment, dan Modified Unit Decommitment Periode Minggu-Senin, 45 Januari 2009
Metode Penjadwalan
Total Biaya Operasi Minggu, 4 Januari 2009
Total Biaya Operasi Senin, 5 Januari 2009
($)
(Rp)
($)
(Rp)
Unit Commitment
485.881,24
4.615.871.780,00
692.179,15
6.575.701.925,00
Unit Decommitment
438.198,97
4.162.890.215,00
673.051,06
6.393.985.070,00
Penghematan
47.682,27
452.981.565,00
19.128,09
181.716.855,00
Modified Unit Decommitment
438.205,53
4.162.952.535,00
673.104,52
6.394.492.940,00
Penghematan
47.675,71
452.919.245,00
19.074,63
181.208.985,00
Keterangan: 1 $ US = Rp. 9.500,-
16
Kesimpulan •
•
•
•
Penjadwalan pembangkit dengan UC, UD dan MUD dapat digunakan untuk penyelesaian dalam rangka memperoleh kombinasi penjadwalan pembangkit yang relatif feasible. Dari 32 unit yang beroperasi dan dilakukan penjadwalan dengan ke-tiga metode penjadwalan, pada Unit Decommitment dan Modified Unit Decommitment dimungkinkan dilakukan proses decommitting sebanyak 3 unit PLTU selama 24 jam dan 2 PLTGU selama 18 dan 21 jam untuk shutdown pada hari minggu, dan 6 PLTU selama 2 – 13,5 jam dan 2 PLTGU selama 7,5 – 9 jam untuk shutdown pada hari senin. Bila dibandingkan dengan penjadwalan metode UC , dihasilkan penghematan biaya sebasar Rp. 452,98 juta dengan UD dan Rp. 452,92 juta dengan MUD pada penjadwalan Minggu 4 Januari 2009. Penghematan sebesar RP. 181,7 juta dengan UD dan Rp. 181,2 juta dengan MUD pada penjadwalan Senin, 5 Januari 2009. Berdasarkan hasil pengurangan total biaya operasional, unit decommitment merupakan metode yang paling efisien dari ke-tiga metode penjadwalan. Dari analisis simulasi penjadwalan yang dilakukan memberi kontribusi kepada PLN bahwa metode UC, UD dan MUD dapat dipertimbangkan oleh PLN dipakai untuk penjadwalan dengan tujuan menghemat biaya operasi pembangkit.
17
