STUDI PERENCANAAN SISTEM DISTRIBUSI DAYA LISTRIK BERDASARKAN PERTUMBUHAN BEBAN BERBASIS BIAYA INVESTASI MINIMUM Adri Senen Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Bengkalis, Bengkalis – Riau email :
[email protected]
ABSTRAK Kebutuhan akan energi listrik yang terus meningkat akan berakibat adanya penambahan peralatan sistem distribusi, perubahan konstruksi/topologi jaringan, atau penggantian peralatan sistem distribusi. Setiap perencanaan jaringan distribusi, biaya merupakan salah satu faktor penting agar jaringan yang direncanakan tidak boros dalam pendanaan (investasi) namun jaringan yang direncanakan sesuai dengan kriteria yang telah ditentukan dan dapat memenuhi kebutuhan energi listrik bagi konsumen. Oleh karena itu diperlukan suatu perencanaan sistem distribusi yang berbasis investasi minimum serta mampu mengakomodir adanya pertumbuhan beban tiap tahun perencanan. Penelitian ini akan coba menjawab dan menjembatani permasalahan tersebut. Penulis akan melakukan simulasi perencanaan jaringan yang tentunya memenuhi kriteria/batasan perencanaan sistem distribusi antara lain tegangan pada tiap node/bus beban dalam batas yang diizinkan, yaitu : sebesar 97% s.d. 103% dari tegangan nominal untuk kondisi marginal dan 95% s.d. 105% dari tegangan nominal untuk kondisi kritikal, Kondisi tpembebanan trafo sebesar 90% untuk kondisi marginal dan 100% untuk kondisi kritikal dan Tidak ada peralatan yang melebihi batas kemampuannya. Perencanaan dimulai dari kondisi existing (tahun ke-1) dan memperlihatkan perkembangan sistem dari tahun ke tahun, dalam tulisan ini perencanaan di targetkan sampai 10 tahun kedepan. Kata kunci :Kebutuhan listrik, pertumbuhan beban, peralatan sistim distribusi, kriteria sistem distribusi investasi dan perencanaan sistem distribusi
II. TINJAUAN UMUM 2.1. Transformator 2.1. 1. Dasar transformator Trafo bekerja mengubah tenaga elektrik dari satu level tegangan ke level tegangan yang lain. Terdiri dari dua pasang coil yang dikopel satu sama lain melalui suatu medan magnet. Persamaan tegangan trafo berdasarkan jumlah lilitan pada belitan, sbb:
V1 = (
N1 )V2 N2
(1)
Pada kenyataannya, tidak semua fluks yang terkopel diantara belitan namun juga ada leakage flux, leakage fluks ini akan menyebabkan terjadinya leakage reaktans yang menyebabkan jatuh tegangan di antara belitan trafo. Leakage reaktans akan meningkat jika tegangan primer yang tinggi, rating kVA yang besar dan inti yang besar. 2.1.2 Trafo distribusi 3 fasa Trafo distribusi memiliki rating dari beberapa kVA s.d. beberapa MVA. Ukuran standar trafo ditunjukan pada tabel 1 di bawah ini Rating lebih kecil dari 50 kVA memiliki impedansi lebih kecil dari 2%. Rating 750 kVA sampai 2500 kVA memiliki impedansi ± 5.75%. Makin kecil impedansi maka semakin baik regulasi tegangan transformator. Konstruksi trafo 3 fasa biasanya berasal dari 3 buah trafo 1 fasa. Arus beban penuh pada tiap fasa dari trafo 3 fasa adalah seperti ditunjukan pada persamaan 2:
I =
S kVA S kVA = 3VL −G ,kV 3VL − L ,kV
(2)
dimana: SkVA VL-G, kV VL-L, kV
= Rating trafo (kVA) = Rating tegangan Line-ground (kV) = Rating tegangan Line-Line (kV)
2.1.3. Pembebanan trafo distribusi Trafo distribusi memberikan keluaran sesuai dengan rating keluarannya, apabila diaplikasikan pada kondisi berikut: 1. Tegangan sekunder tidak melebihi batas 105% rating. Trafo akan memilki kVA konstan apabila dioperasikan pada 100% s.d. 105% rating tegangan. 2. Fakor Daya beban (pf) lebih besar dari 80%. 3. Frekuensi lebih besar dari 95% dari rating. Trafo distrbusi modern memiliki satuan kenaikan sebesar 650C, artinya trafo akan memiliki ekspektasi umur normal apabila dioperasikan pada temperatur belitan sebesar 650C dan titik terpanas pada belitan tidak melebihi 800C. 2.1.4. Alokasi pembebanan berdasarkan rating trafo Jika hanya rating trafo distribusi yang diketahui, maka saluran dapat dibebani berdasarkan demand yang terukur dan rating kVA trafo. Misalkan node 1 adalah node sumber dengan tegangan sebesar V1 kV dan asumsikan daya yang terukur di node 1 adalah sebesar P1 kW dan faktor daya sebesar pf1, node 1 terhubung dengan trafo sebanyak n buah dengan rating sebesar kVAT1, kVAT2…kVATn maka dapat dihitung kVA pada node 1 sebesar :
kVA = S1 =
P1 pf1
(3)
Faktor alokasi dapat dihitung dengan persamaan
AF =
S1 = kVAT 1 + kVAT 2 + kVAT 3 + ... + kVATn
S1 n
∑ kVA i =1
(4)
Ti
Sehingga sekarang alokasi untuk tiap trafo dapat dihitung dengan persamaan berikut:
STi = AF .kVATi
i = 1...n
(5)
2.2. Saluran Udara 2.2.1. Impedansi saluran udara Saluran udara memiliki resistansi dan reaktansi yang membentuk impedansi. Nilai impedansi ini berpengaruh terhadap jatuh tegangan, aliran daya, hubung singkat dan rugi-rugi daya. Resistansi dc berbanding terbalik dengan luas konduktor saluran dan berubah terhadap suhu. 2.2.2. Jatuh tegangan pada saluran udara Jatuh tegangan pada saluran dapat diaproksimasikan sebesar: Vdrop = Vs − Vr ≈ I R .R + I X . X (6) dimana: Vdrop = Jatuh tegangan disepanjang saluran (V). R, X = Resistansi dan reaktansi saluran (Ω) IR = Arus saluran yang terjadi akibat aliran daya nyata (A) IX = Arus saluran yang terjadi akibat aliran daya reaktif (A) 2.3. Metoda Memperkecil Jatuh Tegangan Persoalan tegangan (biasanya undervoltage) adalah persoalan yang sering terjadi pada peralatan. Untuk mengetahui kondisi tegangan, pertama memeriksa sekunder trafo distribusi, jika terjadi jatuh tegangan pada bagian sekunder, maka langkah selanjutnya adalah memeriksa pembebanan trafo, pastikan ada atau tidaknya trafo yang overload. Jika permasalahan terjadi pada primer trafo distribusi, segala sesuatu yang harus diperiksa adalah:
1. Terjadi pembeban tak seimbang, hal ini dapat menyebabkan terjadinya arus fasa yang tinggi dan akan mengakibatkan jatuh tegangan tinggi. 2. Kapasitor tidak bekerja, menyebabkan faktor daya menjadi turun dan mengakibatkan jatuh tegangan tinggi. 3. Regulator tidak bekerja, akan menyebabkan jatuh tegangan pada saluran. Untuk memperkecil terjadinya jatuh tegangan dapat dilakukan dengan beberapa cara antara lain: meningkatkan pf : peningkatan pf dapat dilakukan dengan pemasangan kapasitor, mengganti saluran dengan ukuran yang lebih besar, membuat rangkaian setimbang, mengubah sistem satu fasa menjadi tiga fasa, mengurangi beban dan mengurangi panjang saluran. 2.4. Kapasitor Telah disebutkan bahwa kapasitor dapat memperkecil jatuh tegangan. Jika suatu sistem memiliki beban pada pf rendah maka kapasistor akan memberikan energi yang disimpannya ke sistem, saat beban melepaskan energi sisanya maka kapasitor akan menyerap energi tersebut. Sehingga kapasitor dengan beban reaktif (pf rendah) saling mempertukarkan daya reaktif satu sama lain. 2.4.1 Rating kapasitor Unit kapasitor memiliki rating 50 s.d. 500 kVar. Standar IEEE 18 mensyaratkan agara penggunaan kapasitor tidak melewati limit berikut: 1. 135% nameplate kVAR 2. 110% tegangan rms 3. 135% arus nominal. 2.4.2. Kemampuan kapasitor meningkatkan tegangan Kapasitor dapat meningkat tegangan. Arus reaktif yang melewati impedansi sistem akan menyebabkan tegangan menjadi naik sebesar.
Vrise =
QkVAR X L % 10VkV2 ,l −l
(8)
dimana: XL = Impedansi urutan positip sistem dari sumber ke kapasitor (Ω) VkV,l-l = Tegangan saluran-saluran sistem (kV) QkVAR = Rating bank 3 fasa (kVAR) Semakin besar ukuran saluran (diameter) maka impedansi saluran akan makin kecil, dengan demikian jatuh tegangan yang terjadi juga akan lebih kecil. III. Metoda Adapun metoda yang dilakukan adalah : 1. Digunakan metoda coba-coba (heuristic). 2. Hitung aliran daya pada topologi jaringan eksisting untuk mengevaluasi: a. Profil Tegangan (Magnitud dan sudut) pada tiap node. b. Aliran daya pada tiap segmen saluran (kW dan kVAR). c. Total input pada saluran (kW dan kVAR) 3. Evaluasi besar arus vs kapasitas kabel dan jatuh tegangan setiap cabang. Jika arus atau jatuh tegangan melampaui kriteria yang ditetapkan, lakukan perbaikan saluran (seperti meningkatkan pf : peningkatan pf dapat dilakukan dengan pemasangan kapasitor, mengganti saluran dengan ukuran yang lebih besar) 4. Evaluasi kapasitas trafo. Jika pembebanan trafo melampaui kriteria yang ditetapkan, maka dilakukan perbaikan antara lain : a. Pemasangan kapasitor b. Penggantian trafo c. Mutasi trafo 4. Ulangi langkah 2 sampai 4 untuk tiap tahun perencanaan. 5. Hitung investasi yang dibutuhkan untuk tiap alternative perbaikan jaringan yang dilakukan. 6. Kemudian menentukan besarnya biaya investasi minimum yang diperlukan agar kriteria dapat dipenuhi
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Kondisi Existing Sistem Distribusi 4.1.1. Topologi jaringan Adapun topologi jaringan digambarkan seperti pada gambar 1 berikut ini:
Gambar 1. Topologi Jaringan Kasus Uji 4.1.2. Data saluran Line
L (m)
T(°C)
Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Line 5 Line 6 Line 7 Line 8
4000 5000 3000 2000 1500 1500 2500 2500
75 75 75 75 75 75 75 75
R
X
Y
0.443 0.206 0.443 0.443 0.443 0.443 0.206 0.206
0.3584 0.30109 0.3584 0.3584 0.3584 0.3584 0.30109 0.30109
4.7E-06 5.6E-06 4.7E-06 4.7E-06 4.5E-06 4.7E-06 5.6E-06 5.6E-06
MVAb 100 100 100 100 100 100 100 100
%R 44.3 25.75 33.23 22.15 16.61 16.61 12.88 12.88
%X 35.84 37.64 26.88 17.92 13.44 13.44 18.82 18.82
%Y 0.007441 0.011193 0.005581 0.003721 0.002725 0.002791 0.005597 0.005597
4.1.3. Data trafo ID Trafo1 Trafo2 Trafo3 Trafo4 Trafo5 Trafo6 Trafo7
MVA 0.25 0.25 0.4 0.2 0.25 0.35 0.175
Primary
Sec
kV
kV 20 20 20 20 20 20 20
0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38
%Z
X/R
6 4 6 6 6 6 4
5.8 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8 5.8
4.2 Hasil Dan Analisa Analisa pada kasus uji ini menggunakan metoda yang telah diuraikan secara ringkas pada bagian sebelumnya. Untuk prakiraan beban sampai dengan 10 tahun mendatang. Diasumsikan pertumbuhan beban adalah sebesar 5% /tahun dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
E D C A B b G IN T S X
A
E T D C S U B N A G
N R U L A i(t,D b G T IS X E V
i(t b S g n u ,iH .0 1 t=
.0 1 t= ib H g n u
k id ya 0 1 t=
d kti= a
1 0 ya
i lsa e S
e S
e lsa i
(= 3 1 4 Il.2 b t),V
Fn = (1+0.1)n-1 .Diagram alir untuk menghitung prakiraan beban dapat dilihat pada gambar dibawah. Setelah melakukan perhitungan prakiraan beban maka dilakukan perhitungan aliran daya untuk sepuluh tahun mendatang, dari analisa aliran daya ini akan diketahui profile (arus saluran tegangan tiap bus) untuk tiap-tiap komponen (bus, saluran dan trafo) pada topologi jaringan yang ada pada kasus uji. Adapun diagram alir aliran daya dapat digambarkan sebagai berikut
Gambar 2. Diagram alir untuk menghitung prakiraan beban
Gambar 3. Diagram alir untuk menghitung prakiraan beban
Analisa aliran daya ini menggunakan program aplikasi etap 4 dengan pemodelan topologi jaringan seperti pada gambar 1. Hasil dari analisa aliran daya ini hanya akan menampilkan aliran daya pada main feeder, yang berguna untuk menghitung komponen sistem distribusi (bus dan saluran) yang berada diluar kriteria yang telah ditentukan sebelumnya. Dari analisa aliran daya didapatkan aliran daya pada saluran dan resume komponen sistem distribusi radial yang berada diluar kriteria sebagai seperti pada tabel 5 dan tabel 6 berikut. Sedangkan hasil simulasi keseluruhan dapat dilihat pada tabel-tabel dibawah ini.
Gambar 4. Analisa aliran daya dengan menggunakan program aplikasi etap 4
Tabel 1. Hasil simulasi rugi-rugi saluran dan jatuh tegangan tahun ke-1 ID
Losses kW
Voltage Drop
kVar
From
To
%
line1 line2 line3 line6 line4 line5 line7
0.1 1 1 0.2 0 0 0.3
-7.4 -9.7 -4.7 -2.6 -3.7 -2.7 -5.2
100 100 100 99.76 99.72 99.72 99.72
99.93 99.72 99.76 99.69 99.69 99.7 99.62
0.07 0.28 0.24 0.07 0.03 0.02 0.1
line8
0
-5.5
99.62
99.59
0.03
Tabel 2. Hasil simulasi rugi-rugi saluran dan jatuh tegangan tahun ke-10 ID line1 line2 line3 line6 line4 line5 line7 line8
Losses
Voltage Drop
kW
kVar
From
To
%
0.1 2.4 2.4 0.4 0 0 0.6 0.1
-7.3 -7.6 -3.6 -2.4 -3.6 -2.7 -4.7 -5.4
100 100 100 99.64 99.57 99.57 99.57 99.42
99.9 99.57 99.64 99.53 99.53 99.54 99.42 99.37
0.1 0.43 0.36 0.11 0.04 0.03 0.15 0.05
Dari hasil simulasi aliran daya memperlihatkan bahwa Kapasitas arus kabel sampai 10 tahun dengan pertumbuhan beban 5 %, ternyata kapasitas arus kabel masih mencukupi (umur diabaikan). Hal ini dapat dilihat pada total rugi jaringan eksisting sebesar 2.6 Kw dari 1345 Kw atau 0,19 % dan pada tahun 10 total rugi mencapai 6 Kw dari 2190,86 MVA atau 0,27 %. Jadi total rugi-rugi masih jauh di bawah 2 %. Tabel 3. Hasil simulasi pembebanan trafo tahun ke-1 ID Trafo1 Trafo2 Trafo3 Trafo4 Trafo5 Trafo6 Trafo7
Kapasitas (MVA) 0.25 0.25 0.4 0.2 0.25 0.35 0.175
Pembebanan (MVA) 0.122 0.216 0.34 0.098 0.098 0.299 0.147
Presentase (%) 48.9 86.3 85.1 49 39.1 85.5 83.9
Tabel 4. Hasil simulasi pembebanan trafo tahun ke-10 ID Trafo1 Trafo2 Trafo3 Trafo4 Trafo5 Trafo6 Trafo7
Kapasitas (MVA) 0.25 0.25 0.4 0.2 0.25 0.35 0.175
Pembebanan (MVA) 0.186 0.329 0.517 0.149 0.149 0.461 0.224
Presentase (%) 74.3 131.6 129.2 74.6 59.4 131.6 127.7
Dari hasil simulasi, didapatkan pofile dan kondisi tiap-tiap komponen berdasarkan batasan atau kriteria yang telah ditetapkan sebelumnya. Untuk lebih lengkap dapat dilihat pada tabel dibawah ini : Tabel 5. Resume Profile komponen sistem yang berada di luar kriteria ID Bus H0 Bus F0 Bus E0 Bus I0 Bus C0 Bus B0 Bus G0 Trafo2 Trafo3 Trafo6
1 Marginal Marginal Aman Aman Aman Aman Aman Aman Aman Aman
2 Marginal Marginal Marginal Marginal Aman Aman Aman Aman Aman Aman
3 Kritis Marginal Marginal Marginal Marginal Aman Aman Marginal Aman Aman
4 Kritis Marginal Marginal Marginal Marginal Marginal Aman Marginal Marginal Aman
Tahun 5 6 Kritis Kritis Marginal Kritis Marginal Marginal Marginal Marginal Marginal Marginal Marginal Marginal Aman Aman Kritis Kritis Marginal Kritis Aman Aman
7 Kritis Kritis Marginal Marginal Marginal Marginal Aman Kritis Kritis Marginal
8 Kritis Kritis Marginal Marginal Marginal Marginal Aman Kritis Kritis Marginal
9 Kritis Kritis Marginal Marginal Marginal Marginal Aman Kritis Kritis Kritis
10 Kritis Kritis Marginal Marginal Marginal Marginal Marginal Kritis Kritis Kritis
Dari tabel 5 terlihat beberapa komponen jaringan dan trafo berada di luar criteria yang telah ditetapkan (kondisi kritis). Oleh karena itu perlu dilakukan perbaikan jaringan dengan beberapa alternatif sebagai berikut : Alternatif 1 Berdasarkan hasil simulasi (seperti terlihat pada tabel 3.6) maka sebagai alternatif 1 untuk mengatasi kondisi kritis tersebut agar trafo tidak mengalami overload maka dapat dilakukan penggantian trafo. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada tabel dibawah ini : Pergantian trafo ID Trafo Trafo2 Trafo3 Trafo6 Trafo7
Old ( MVA ) 0.315 0.4 0.35 0.175
Pembebanan New tahun ke 10 ( MVA ) ( MVA ) 0.329 0.4 0.471 0.63 0.44 0.63 0.214 0.25 Total Biaya
Diganti tahun ke 4 5 8 5 =
Harga ( Rp ) 34.209.000 51.326.000 51.326.000 27.385.000 164.246.000
Jadi, besarnya biaya invenstasi yang diperlukan untuk pergantian empat buah trafo pada tahun ke4,5 dan 8 agar sistem dapat berfungsi sesuai dengan kriteria yang telah ditetapkan adalah sebesar Rp. 164.246.000 Alternatif 2 Sebagai alternatif kedua untuk mengatasi kondisi tersebut adalah dengan melakukan pemasangan kapasitor pada titik –titik beban tertentu, namun tetap dilakukan pergantian trafo. Lihat tabel berikut: Pemasangan kapasitor ID Penempatan Kap 1 Beban2 2 Beban6
Kapasitas (Mvar) 0.1 0.2 Total Biaya
Dipasang tahun 4 8 =
Harga ( Rp ) 400.000.000 800.000.000 1.200.000.000
Pergantian Trafo Old
ID Trafo Trafo3 Trafo7
( MVA ) 0.4 0.175
Pembebanan New tahun ke 10 ( MVA ) ( MVA ) 0.471 0.63 0.214 0.25 Total Biaya
Diganti tahun ke 5 5 =
Harga ( Rp ) 51.326.000 27.385.000 78.711.000
Jadi, besarnya biaya investasi yang dibutuhkan untuk alternatif kedua ini adalah Rp. 78.711.000 + Rp. 1.200.000.000 = Rp. 79.911.000.000 Alternatif 3 Alternatif lain juga dapat dilakukan dalam rangka manajemen pembebanan trafo, yaitu: pengantian dan mutasi trafo dimana trafo yang memiki beban kecil dimutasikan ke beban besar dan begitu sebaliknya seperti ditunjukan pada tabel berikut: ID Trafo Trafo2 Trafo3 Trafo6 Trafo7
Old ( MVA ) 0.315 0.4 0.35 0.175
Pembebanan tahun ke 10 New ( MVA ) ( MVA ) 0.329 0.4 0.471 0.63 0.44 0.63 0.214 0.35 Total Biaya
Diganti tahun ke 4 4 5 5
Action Mutasi dg Trafo 3 new new Mutasi dg Trafo 6 =
Harga ( Rp ) 0 51326000 51326000 0 102652000
Hasil perhitungan di atas dapat ditentukan besarnya biaya mutasi dan penggantian trafo adalah sebesar Rp. 102.652.000. Dari semua alternatif, ternyata alternatif ketiga memberikan biaya investasi minimum yakni melakukan pergantian dan mutasi trafo. V. KESIMPULAN 1. Analisa aliran daya dapat memperlihatkan profil peralatan yang berada diluar kriteria, sehingga memudahkan perencanaan. 2. Jatuh tegangan hanya terjadi pada bus tegangan rendah/sekunder, sehingga untuk memperbaikinya hanya memerlukan penggantian trafo pada bus tersebut 3. Pembebanan trafo yang tidak merata menyebabkan manajemen trafo tidak efisien. 4. Trafo yang overload dapat diganti, dimutasi, maupun dilakukan pemasangan kapasitor di beban kemudian dibandingkan besar biaya yang dibutuhkan untuk ketiga alternatif tersebut. 5. Hasil perhitungan menunjukan bahwa biaya investasi minimum untuk sistem tersebut adalah alternatif ketiga yakni mutasi dan pergantian trafo.
DAFTAR PUSTAKA [1] HP Schmidt, dkk, Fast Reconfiguration Of Distribution Systems Considering Loss Minimisation, paper IEEE, 2005 [2] Hugh Rudnick dkk, Reconfiguration Of Electric Distribution System, paper, 1997 [3] Rina Irawati, Analisa Aliran Daya Jaringan Distribusi Radial, paper, SSTE, 2001 [4] William H K, Distributin Sistem Modeling and Analysis, CRC press, 2002 [5] X. Wang, Modern Power System Planning, Mc Graw Hill. [6] Kersting, W.H, 2002, “Distribution System Modeling and Analysis”, CRC Press, Boca Raton London New York Washington D.C.
