JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) Analisis Minimalisasi Rugi Jaringan pada Desain Smartgrid menggunakan Pembangkitan Tersebar

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (214) Analisis Minimalisasi Rugi Jaringan pada Desain Smartgrid menggunakan Pembangkitan Tersebar Rahmat Bagus Ardhiansyah, Ontoseno Penangsang, dan Heri Suryoatmojo Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya bagusardhiansyah99@gmail.com, zenno_379@yahoo.com,heri@ee.its.ac.id Abstrak Pengembangan strategi pengendalian untuk meminimalkan kerugian jaringan dan menjamin keseimbangan aliran daya reaktif dengan menggunakan pembangkit listrik tersebar. Sebagai pelanggan ritel biasanya tidak memiliki pilihan di mana mereka berada di sepanjang feeder, tampaknya tidak adil jika hanya beberapa dari mereka menanggung semua beban dan tanggung jawab untuk kenaikan tegangan. Dengan adanya teknologi baru, yang mampu melakukan komunikasi dan pengolahan data dengan cepat,sistem kontrol baru akan diusulkan dengan menggabungkan kontrol terpusat dan lokal klasik. Maka perlu dilakukan sebuah analisis terhadap jaringan yang akan diimplementasikan secara riil dalam sebuah simulasi sehingga dapat diketahui bentuk aliran daya reaktif pada sebuah sistem. Bagian utama dari analisis ini adalah aliran daya reaktif, yang memperkirakan penurunan tegangan menggunakan permodelan jaringan. Solusi yang ditawarkan yakni mengenai rasio daya reaktif terhadap daya aktif pada sebuah sistem. Jaringan yang digunakan adalah jaringan distribusi radial tegangan menengah yang sebenarnya yang mencakup area yang luas dengan beragam pengumpan dan dengan demikian memberikan hasil yang relatif umum.. Adapun hasil simulasi dilakukan dengan MATLAB lalu dibandingkan dengan ETAP sebagai referensi, didapatkan error sebesar 5 12% terhadap rugi jaringan yang didapatkan. Dalam melakukan penentuan pembangkitan yang optimal, maka digunakanlah loss sensitivity factor. Kata kunci: Daya Reaktif, Jaringan Distribusi Radial Tegangan Menengah, dan Loass Sensitivity Factor. I. PENDAHULUAN Sistem pembangkitan listrik yang telah tersedia terhubung dari sebuah pembangkit ke pelanggan melalui sebuah saluran transmisi, dimana nantinya menuju ke saluran distribusi terlebih dahulu sebelum sampai kepada pelanggan. Namun seiring perkembangan jaman, banyak inovasi - inovasi baru dalam pembangkitan listrik dalam skala kecil dan tersebar [1]. Diantaranya pembangkitan menggunakan photovoltaic dan pembangkit tenaga angin skala kecil. kebutuhan listrik skala kecil dapat dibantu dengan adanya pembangkit pembangkit tersebut yang dibangun secara tersebar. Namun dalam perkembangannya nanti, akan timbul masalah baru yakni menyinkronisasikan kerja antara sistem pembangkit lama dan sistem pembangkit baru. Maka dari itu perlulah dilakukan sebuah analisa terhadap penggabungan model dari smartgrid ke sebuah sistem pembangkitan lama. Dalam sebuah pembangkitan tentunya akan timbul rugi-rugi sepanjang saluran transmisi maupun distribusi. Dengan adanya smartgrid, maka dilakukan sebuah pembelajaran terhadap minimalisasi rugi-rugi yang terjadi pada sebuah saluran dengan menggunakan pengontrolan tegangan pada sebuah sistem yang telah diasumsikan. Nantinya akan kita ketahui apakah pembangkitan tersebar pada sebuah smartgrid dapat mengurangi nilai rugi rugi yang terjadi pada sebuah sistem pembangkitan. Diharapkan nantinya dapat meminimalisasi kerja trafo dalam melakukan tap changing. Secara umum, terdapat banyak metode lama yang dgunakan untuk menyelesaikan aliran daya, diantaranya Gauss Seidel, Newton Raphson dan Fast Decoupled. Metode tersebut kurang menguntungkan jika diimplementasikan pada jaringan distribusi radial. Hal ini dikarenakan metode yang telah disebutkan di atas mengacu penyelesaian aliran daya untuk jaringan distribusi mesh. Selain itu rasio R/X yang tinggi menyebabkan kondisi yang kurang menguntungkan untuk metode lama dalam menyelesaikan persamaan aliran daya [6]. Ditawarkanlah aliran daya yang mengadopsi metode forward sweep dan backward sweep untuk system jaringan distribusi radial yang seimbang menggunakan matrik Injection to Branch Current (BIBC) dengan nilai 1 dan sebagai identifikasi hubungan bus i dan bus j dan matrik Branch Current to Voltage (BCBV) dengan nilai dari impedansi masing-masing saluran serta matrik Distribution Load Flow (DLF) yang merupakan hasil dari perkalian BIBC dengan BCBV. Dengan metode ini tidak diperlukan koefisien pengali matriks dan penyusunan formasi dari matrik BIBC, BCBV dan DLF. hal yang diperlukan adalah nilai diagonal matrik DLF dari nilai impedansi saluran[4]. II. TEORI PENUNJANG A. Loss Sensitivity Factor Rugi rugi daya aktif pada jaringan sistem tenaga listrik di representasikan dengan persamaan 1, disebut juga dengan exact loss formula [2], (1) Dimana; N (2), (3) : tegangan pada bus i th : impedansi [Z bus ] matriks : daya aktif diinjeksikan pada bus : daya reaktif diinjeksikan pada bus : jumlah bus

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (214) III. METODOLOGI PENELITIAN A. Tipe Pembangkit Tersebar Pembangkit tersebar dapat dibagi menjadi 4 jenis berdasarkan karakteristik kemampuan tiap pembangkit dalam mengirim daya aktif dan daya reaktif, sehingga diklasifikasikan seperti dibawah; 1) Tipe 1 : kemampuan menginjeksi daya aktif saja. 2) Tipe 2 : kemampuan menginjeksi daya reaktif saja. 3) Tipe 3 : kemampuan menginjeksi daya aktif dan daya reaktif. 4) Tipe 4 : kemampuan menginjeksi daya aktif namun mengkonsumsi daya reaktif. Fotovoltaik, mikro turbin, dan Fuel cell yang dibantu dengan converter dan inverter dapat digunakan sebagai contoh yang baik untuk Tipe 1. Tipe 2 dapat berupa kompensator sinkron seperti turbin gas. Tipe 3 berupa unit pembangkit tersebar yang berbasis pada mesin sinkron seperti cogeneration, turbin gas dan lain-lain. Untuk Tipe 4 digunakan generator tipe induksi seperti pembangkit tenaga angin[3]. B. Penentuan Pembangkitan Optimal a = (sign) tan (cos -1 (PF DG )), maka daya reaktif yang dibangkitkan dapat diekspresikan dengan; Q DGi = ap DGi Dimana; Sign = +1: DG menginjeksi daya reaktif Sign = -1 : DG mengkonsumsi daya reaktif PF DG = power factor dari pembangkit tersebar 2. Tipe 2 PF DG =, a =. Maka dari persamaan 6 diatas dapat direduksi menjadi persamaan dibawah; (8) 3. Tipe 3 < PF DG < 1, sign = +1 dan a adalah konstan. Untuk mencari P DG, maka dimasukkan nilai parameter dengan persamaan 6 4. Tipe 4 < PF DG < 1, sign = -1 dan a adalah konstan. Untuk mencari P DG, maka dimasukkan nilai parameter dengan persamaan 6 C. Perancangan Software Start Input P, Q measurement Run Power Flow Loss Sensitivity Diketahui sebuah persamaan; (4) (5) Optimal Sizing of DG Active Power and Reactive Power Power faktor dari pembangkit tersebar berdasarkan pada kondisi operasi dan tipe dari pembangkit tersebar.ketika nilai power factor diberikan maka pembangkitan optimal dari pembangkit tersebar untuk tiap tiap bus guna meminimalisasi rugi jaringan dapat ditemukan dalam beberapa cara sesuai masing masing kondisi; (6) 1. Tipe 1 PF DG = 1, a =. Maka persamaan 6 diatas dapat direduksi menjadi persamaan dibawah; (7).95 Pu < V < 1.5 Pu tan φ baru untuk DG Output P, Q baru untuk DG End Y N Gambar 1. Diagram alir perancangan software. Untuk melakukan simulasi terhadap pembangkitan optimal tiap-tiap unit pembangkit tersebar, maka diperlukan program untuk menggambarkan kondisi yang telah ditentukan. Dibuatlah program aliran daya BIBC dan BCBV berbasis MATLAB guna memudahkan dalam melakukan analisis terhadap dampak pembangkitan yang menminimalisasi rugi-rugi yang timbul pada jaringan menggunakan persamaan loss sensitivity factor yang telah

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (214) dijelaskan sebelumnya, dimana hasil simulasi nantinya akan dibandingkan dengan program yang telah diakui, yakni ETAP. Kemudian dihitung berapa error yang timbul terhadap perhitungan yang telah dilakukan pada 2 software yang berbeda dimana sasarannya merupakan jaringan distribusi radial untuk tegangan menengah. Dibuatlah diagram alur perancangan program yang dapat dilihat pada Gambar 1. IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS A. Uji coba sistem Pengujian sistem dilakukan pada 2 jenis jaringan distribusi tegangan menengah 3 bus 11 KV [5] dan jaringan distribusi menengah 1 bus 2 KV[11].Kedua jaringan tersebut merupakan jaringan distribusi radial tegangan menengah. Hal ini dilakukan guna melakukan validasi terhadap persamaan analisis dari pembangkitan tersebar yang optimal serta melakukan penentuan letak pembangkitan guna memperoleh rugi jaringan yang paling minimal. Perangkat lunak yang digunakan dalam studi kasus ini adalah MATLAB dalam melakukan analisis aliran daya, perhitungan rugi jaringan yang timbul serta pembangkitan optimal dari pembangkit tersebar. Dalam makalah ini dilakukan pengujian terhadap pembangkitan tipe 1 dan tipe 3. B Studi kasus simulasi Untuk mensimulasikan optimasi pembangkitan guna memperoleh rugi jaringan yang paling minimal pada jaringan distribusi radial maka digunakan kasus kasus untuk mempermudah analisis, diantaranya disebutkan pada Tabel 1; Tabel 1 Study case simulasi Case Keterangan 1 Semua jaringan pada keadaan normal 2 Penyulang kaliasin mengalami overload 3 Optimalisasi pembangkit tipe 1 4 Optimalisasi pembangkit tipe 3 (Pf =,9) C. Optimalisasi Pembangkit Tipe 1 pada kasus 3 Gambar 2 dan Gambar 3 dibawah menunjukkan hasil pembangkitan tersebar yang optimal dengan PF = 1 untuk tiap bus dari kondisi awal yang telah ditentukan dimana kondisi tersebut didapatkan dari hasil run loadflow sehingga tegangan pada bus berada diluar syarat,95 Pu < Vbus < 1,5 Pu. Gambar 2. Optimasi Pembangkitan pada jaringan 3 bus, PF=1 Gambar 3. Optimasi Pembangkitan pada jaringan 1 bus, PF=1 Setelah penentuan optimasi pembangkitan dilakukan maka dilakukan pengujian terhadap tiap bus guna menentukan lokasi pembangkitan yang paling efektif, sehingga diperoleh nilai rugi jaringan yang paling minimal, Tabel 2 dibawah menjelaskan rugi jaringan yang diperoleh setelah pembangkitan optimal dilakukan pada lokasi yang tepat Tabel 2 Hasil Simulasi kasus -3 Jumlah Pembangkitan Daya Terbangkit Q DG (MVAR) P DG Rugi Jaringan (KW) (MW) ,68 342, ,3 571,9

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (214) D. Optimalisasi Pembangkit tipe 3 pada kasus 4 Gambar 4 dan Gambar 5 dibawah menunjukkan hasil pembangkitan tersebar yang optimal dengan PF =,9 untuk tiap bus dari kondisi awal yang telah ditentukan. PDG (MW) dan QDG( MVAR) Pdg Qdg Gambar 4. Optimasi Pembangkitan pada jaringan 3 bus, PF=,9 Tabel 3 Hasil Simulasi kasus -4 Daya Terbangkit Jumlah P Pembangkitan DG Q DG (MVAR) Rugi Jaringan (KW) (MW) ,97 2,89 18, ,22 9,31 534,599 Dengan demikian, melakukan pembangkitan dengan menentukan nilai PF sebesar.9 memperbesar kemungkinan dalam mendapatkan rugi jaringan yang lebih kecil. dapat dibandingkan dari Tabel 3 dan Tabel 2, dimana untuk sistem dengan 3 bus memiliki selisih rugi jaringan sebesar 161,83 KW dan untuk sistem dengan 1 bus memiliki selisih rugi jaringan sebesar 36,491 KW. Total Losses (KW) BUS PF = 1 PF = Gambar 6 Perbandingan total rugi jaringan pada sistem 3 bus PDG (MW) Total Losses (KW) BUS P F Gambar 5. Optimasi Pembangkitan pada jaringan 1 bus, PF=,9 Setelah penentuan optimasi pembangkitan dilakukan maka dilakukan pengujian terhadap tiap bus guna menentukan lokasi pembangkitan yang paling efektif, sehingga diperoleh nilai rugi jaringan yang paling minimal, Tabel 3 dibawah menjelaskan rugi jaringan yang diperoleh setelah pembangkitan optimal dilakukan pada lokasi yang tepat Gambar 7 Perbandingan total rugi jaringan pada sistem 1 bus Gambar 6 dan Gambar 7 merupakan hasil dari perbandingan dari studi kasus 3 dan studi kasus 4 setelah dilakukan injeksi daya aktif pada tiap bus dengan PF = 1 dan PF =,9.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (214) V. PENUTUP A. Kesimpulan Berdasarkan hasil yang didapatkan dari perhitungan dan analisis pada tugas akhir ini, dapat disimpulkan bahwa Permasalahan yang ditimbulkan akibat adanya kontingensi berupa overload yang menyebabkan undervoltage dapat diatasi dengan merekonfigurasi penyulang, melepaskan beban yang berlebihan dan melakukan pembangkitan pada titik-titik tertentu. Dalam melakukan pembangkitan perlu dilakukan optimalisasi guna mengetahui di titik mana pembangkitan dapat dilakukan sehingga mendapatkan rugi-rugi jaringan yang paling minimal. Optimalisasi pembangkit dari tiap tipe sangatlah berbeda, tergantung dari karakteristik pembangkitnya masing-masing.. Untuk memperoleh kondisi undervoltage pada jaringan distribusi radial skala besar lebih mudah dibanding jaringan distribusi radial skala kecil, meskipun tergantung pada besarnya beban yang ditanggung sebuah jaringan distribusi, jaringan distribusi radial skala besar menawarkan kondisi yang lebih bermacam macam dibanding jaringan distribusi radial skala kecil. Untuk pembangkitan yang optimal guna memperoleh rugi-rugi jaringan yang paling minimal, maka tegangan bus yang diinjeksi daya aktif dan daya reaktif dijaga di nominal 1 pu, tanpa mempengaruhi bus yang lainnya. B. Saran Saran yang dapat diberikan untuk perbaikan dan pengembangan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : Program optimalisasi ini dibuat guna membantu proses penyelesaian perhitungan analisis untuk Tugas Akhir kali ini Pada program optimalisasi di Tugas Akhir ini telah memiliki tampilan yang baik dan pengoperasiannya mudah, namun dalam melakukan pencarian terhadap lokasi pembangkitan yang optimal masih dilakukan secara manual, dengan menambahkan sebuah metode algoritma tertentu guna mempercepat proses pencarian lokasi pembangkitan, hal tersebut sangatlah dianjurkan guna mempermudah user dalam melakukan analisis jaringan distribusi radial skala besar dengan pengoperasian yang lebih sederhana. DAFTAR PUSTAKA [1] Marko Kolenc *, Igor Papič and Boštjan Blažič. Minimization of Losses in Smart Grids Using Coordinated Voltage Control, Energies 212, 5, [2] Satish Kansal*, B.B.R. Sai, Barjeev Tyagi, Vishal Kumar, Optimal placement of distributed generation in distributed network,international Journal of Engineering, Science, and Technology Vol 3, no 3, 211,pp [3] Duong Quoc Hung, Nadarajah Mithulananthan, Member IEEE, and R.C. Bansal, Senior Member IEEE, Analytical Expressions for DG Allocation in Primary Distribution Networks, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol-25, No 3, September 21. [4] K. Prakash and M. Sydulu, Topological and Primitive Impedance based Load Flow Method for Radial and Weakly Meshed Distribution Systems,Iranian Journal of Electrical and Computer Engineering, Vol 1, No. 1, Winter-Spring 211. [5] Ulas Eminoglu, M. Hakan Hocauglu*, A new power flow method for radial distribution systems including voltage dependent load models, Science direct- Electric Power Systems Research 76(25) [6] Makwana Nirbhaykumar Navinchandra, Load Flow Analysis of Radial and Weakly Meshed Distribution System,Master of Engineering Thesis, Thapar University, July 212. [7] Francesco Marra, Y Tarek Fawzy, Thorsten Bulo and Bostjan Blazic, Energy Storage for Voltage Support in Low-Voltage Grids with High Penetration of Photovoltaic,European Comission in the 7 th Framework Programme (FP7), No.TREN /FP7EN / /METAPV. [8] Saadat, Hadi, Power System Analysis (Second Edition), McGraw-Hill Education (Asia),Singapura, 24. [9] Kothari, DP, Modern Power System Analysis,3 rd, Tata McGraw Hill, New Delhi, 25. [1] Penangsang,Ontoseno, Analisis Aliran Daya, ITS Press, Surabaya, 212 [11] Prasetiyo, Edwin Rozzaq, Rekonfigurasi Penyulang Akibat Kontoingensi Pada Jaringan Distribusi dengan Metode Binary Interger Programming, Jurnal Teknik POMITS Vol. 1, No. 1, (214)1-6 RIWAYAT HIDUP PENULIS Rahmat Bagus Ardhiansyah dilahirkan di Gresik pada 29 November 199 Riwayat Pendidikan: SD NU 1 Trate,Gresik ( ) SMP Negeri 2 Kebomas (23-26) SMA Negeri 1 Gresik (26-29) D3 T. Elektro Industri PENS - ITS (29-212) Pada tahun 212 penulis melanjutkan studi Lintas Jalur di Jurusan Teknik Elektro ITS dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga