BAB II DASAR TEORI. Sekelompok pusat listrik dan pusat beban (Gardu Induk) yang dihubungkan satu

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI Sistem Tenaga Listrik Sekelompok pusat listrik dan pusat beban (Gardu Induk) yang dihubungkan satu sama lain oleh saluran transmisi dan melayani beban pada bagian sistem distribusi disebut dengan sistem tenaga listrik. Dalam sistem tenaga listrik terdapat beberapa analisis yang umumnya dilakukan, yaitu : a) Analisis aliran daya. Analisis ini adalah untuk menganalisis sistem dalam keadaan normal, untuk mendapatkan nilai tegangan, arus, aliran daya aktif dan reaktif pada sistem tenaga listrik dalam kondisi beban tertentu. b) Analisis hubung singkat. Analisis ini adalah analisis yang mempelajari pengaruh arus gangguan hubung singkat yang mungkin mengalir pada setiap cabang di dalam sistem (di jaringan distribusi, transmisi, trafo tenaga atau dari pembangkit) sewaktu gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi di dalam sistem tenaga listrik. c) Analisis stabilitas sistem. Analisis ini adalah analisis yang mempelajari keadaan sistem dimana terjadi pergeseran besaran listrik berupa frekuensi, tegangan dan arus pada beberapa pembangkit yang dihubungkan oleh jaringan sewaktu terjadi perubahan. 6

2 Studi Aliran Daya Studi aliran daya merupakan studi untuk mempelajari aliran daya dalam suatu sistem tenaga listrik dari suatu titik ke titik yang lain. Tujuan dari studi ini dilakukan untuk perencanaan dan perancangan kondisi optimal dari sistem dan juga untuk perencanaan perluasan sistem ke masa yang akan datang. Hasil yang diperoleh dari studi aliran daya dalam sistem tenaga listrik adalah : a) Profil tegangan pada setiap gardu induk dan unit pembangkit dalam sistem tenaga listrik. b) Gambaran aliran daya yang terjadi dalam saluran transmisi, baik besar daya aktif dan daya reaktif. c) Besarnya daya yang dibangkitkan oleh setiap unit pembangkit. d) Rugi rugi dalam sistem. Besaran besaran yang ingin didapatkan melalui studi aliran daya, didapatkan pada tiap tiap bus dalam sistem tenaga listrik. Dalam studi aliran daya terdapat pengklasifikasian bus ke dalam tiga jenis bus, antara lain a) Bus referensi (slack bus) Dalam bus referensi besar tegangan dan sudut fasa diketahui, dan merupakan sudut referensi bagi tegangan pada sistem tenaga listrik. Bus referensi berfungsi untuk menyuplai kekurangan daya aktif (P) dan daya reaktif (Q) pada sistem. Biasanya bus yang dijadikan sebagai bus referensi adalah bus pembangkit yang terbesar. 7

3 b) Bus beban Pada bus ini daya aktif dan daya reaktif diketahui, sedangkan tegangan dan sudut fasa tidak diketahui dan dihitung. Pada bus ini tidak terdapat unit pembangkit. c) Bus generator Pada bus ini daya aktif dan tegangan diketahui, sedangkan daya reaktif dan sudut fasa tegangan tidak diketahui dan harus dihitung. Bus generator disebut juga controlled bus dimana pada bus ini pembangkit menyuplai daya kepada beban lokal dan juga beban disepanjang saluran transmisi. Jaringan Listrik Sumatera Bagian Utara Jaringan listrik merupakan suatu sistem kelistrikan, yang dimulai dari pembangkitan sampai pada penyaluran listrik kepada pelanggan. Sumatera Bagian Utara terdiri dari dua provinsi, yaitu provinsi Nangroe Aceh Darussalam dan provinsi Sumatera Utara. Dimana kedua provinsi ini dijadikan dalam satu jaringan kelistrikan untuk saling berhubungan baik dalam bidang pembangkitan, maupun masalah penanganan beban. Ada beberapa jenis pembangkit yang terdapat di SUMBAGUT, antara lain : PLTA, PLTU, PLTG, PLTGU, PLTD dan PLTP. Seluruh pembangkit akan saling terkoneksi untuk memenuhi permintaan beban yang ada di SUMBAGUT. Masalah permintaan beban tersebut harus direncanakan untuk jangka panjang maupun jangka pendek, agar nantinya seluruh permintaan beban benar benar dapat terpenuhi. Pada saluran transmisi SUMBAGUT, tegangan yang digunakan adalah 150 kv dan pada 8

4 saluran distribusinya menggunakan tegangan 20 kv, serta frekuensinya adalah 50 Hz. Pada Lampiran 1, mengenai diagram satu garis pentransmisian energi SUMBAGUT, ditunjukkan pada gambar adanya 45 bus yang ada di SUMBAGUT yang terdiri dari bus generator dan bus beban. Kelistrikan SUMBAGUT belakangan ini sering terjadi pemadaman bergilir yang dilakukan PLN, ini diakibatkan kekurangan daya dan tidak adanya energi cadangan yang dimiliki SUMBAGUT sebagi backup, jikalau ada pembangkit yang harus dinonaktifkan akibat harus mendapatkan perawatan maupun masalah perbaikan dan lain - lain. Masalah inilah yang muncul belakangan ini, sehingga sudah waktunya adanya perencanaan pembangunan pembangkit baru untuk memenuhi permintaan dan usaha untuk mengefektifkan penggunaan energi yang ada, agar tidak ada energi yang terbuang percuma secara berlebihan. Pembangkit Tenaga Listrik Pengiriman energi yang paling ekonomis, mudah dan aman adalah dengan mengirimkannya dengan menggunakan energi listrik. Enegi primer baik berbentuk bahan bakar, hidro, panas dan lain lain diubah ke dalam bentuk energi listrik[1]. Pembangkit listrik konvensional yang ada saat ini antara lain[1] : a. Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) b. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) c. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) d. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) e. Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) f. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN); (belum ada di Indonesia) 9

5 Secara umum semua pembangkit energi listrik memiliki prinsip yang sama dalam menghasilkan energi listrik, dimana pembedanya adalah dalam proses mengubah energi awalnya (primer) ke dalam bentuk energi mekanis. Kemudian energi mekanis akan memutar turbin yang dikopel dengan generator dan dengan prinsip elektromagnetik, energi tersebut diubah ke dalam bentuk energi listrik. Namun ada beberapa jenis pembangkit yang tidak mengubah energi primer ke dalam energi mekanik, melainkan mengubahnya ke dalam bentuk kimia yang dapat menghasilkan energi listrik. SUMBAGUT memiliki beberapa jenis pembangkit konvensional yang ada. Berikut ini akan dijelaskan dari jenis jenis pembangkit tersebut : Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). PLTU adalah pembangkit yang mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap panas/kering. Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO (Marine Fuel Oil) untuk start up awal. Pada Tabel 2.1 ditampilkan PLTU yang ada di SUMBAGUT. Tabel 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Uap di SUMBAGUT NAMA JUMLAH NO LOKASI KAPASITAS PEMBANGKIT UNIT 1 PLTU Sicanang Belawan,,Sumatera Utara MW PLTU Labuhan 2 Sibolga,Sumatera Utara MW Angin 3 PLTU NAGAN R SIGLI, ACEH 2 200MW 10

6 Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG). PLTG merupakan sebuah pembangkit energi listrik yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya. Pada Tabel 2.2 ditampilkan PLTG yang terdapat di SUMABGUT. Tabel 2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Gas di SUMBAGUT NO NAMA JUMLAH LOKASI PEMBANGKIT UNIT KAPASITAS 1 PLTG Paya Pasir Belawan, Sumatera Utara 5 90,482 MW 2 PLTG Glugur Glugur, Sumatera Utara 5 32,650 MW Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU). PLTGU merupakan kombinasi PLTG dengan PLTU. Dalam operasinya, unit turbin gas dapat dioperasikan terlebih dahulu untuk menghasilkan daya listrik sementara gas buangnya berproses untuk menghasilkan uap dalam ketel pemanfaat gas buang. Kira-kira 6 (enam) jam kemudian, setelah uap dalam ketel uap cukup banyak, uap dialirkan ke turbin uap untuk menghasilkan daya listrik. PLTGU yang ada di Sumatera Utara adalah PLTGU sicanang yang memiliki 2 unit pembangkit dengan kapasitas 314,58 MW. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD). PLTD adalah Pembangkit listrik yang menggunakan mesin diesel sebagai penggerak mula (prime mover). Prime mover merupakan peralatan yang 11

7 mempunyai fungsi menghasilkan energi mekanis yang diperlukan untuk memutar rotor generator. Mesin diesel sebagai penggerak mula PLTD berfungsi menghasilkan tenaga mekanis yang dipergunakan untuk memutar rotor generator. PLTD yang ada di Sumatera Utara adalah PLTD TITI KUNING yang terletak di Titi kuning medan johor Medan. PLTD titi kuning memiliki 6 unit pembangkit dengan kapasitas 24,849 MW. Sementara PLTD di daerah Aceh adalah PLTD Leung Bata ditambah PLTD sewaan berkapasitas 197,7 MW dan juga PLTD Cot Trueng berkapasitas 19 MW. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). PLTA adalah pembangkit listrik yang bekerja dengan cara merubah energi air yang mengalir (dari bendungan atau air terjun) menjadi energi mekanik (dengan bantuan turbin air) dan dari energi mekanik menjadi energi listrik (dengan bantuan generator). Kemudian energi listrik tersebut dialirkan melalui jaringan-jaringan yang telah dibuat, hingga akhirnya energi listrik tersebut sampai kepada konsumen. Pada Tabel 2.3 ditampilkan PLTA yang ada di SUMBAGUT. Tabel 2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Air di SUMBAGUT NO NAMA PEMBANGKIT LOKASI JUMLAH UNIT KAPASITAS 1 PLTA SIGURA-GURA Porsea, Sumatera Utara MW 2 PLTA ASAHAN I Asahan, Sumatera Utara MW 3 PLTA SIPANSIPAHORAS Sibolga, Sumatera Utara 2 50 MW 4 PLTA LAU RENUN Dairi, Sumatera Utara 2 82 MW 5 PLTA TANGGA Asahan, Sumatera Utara MW 12

8 Smart Grid Smartgrid adalah suatu konsep dimana pada umumnya bertujuan untuk mengaplikasikan teknologi dan kemajuannya dalam bidang tenaga listrik untuk meningkatkan keandalan, meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya. Salah satu ciri dari smart grid adalah memungkinkan adanya aliran dua arah atas listrik dan informasi untuk menciptakan sebuah jaringan penyebaran energi listrik yang terdistribusi secara luas dan terotomasi [2]. Ada beberapa bagian penting pembentukan suatu konsep smartgrid, yaitu [3] : a. Bagian Sistem Tenaga Bagian ini adalah bagian yang ingin dijadikan menjadi suatu konsep pintar dan otomatis. Dimana sistem tenaga listrik sudah menjadi suatu kebutuhan di jaman sekarang, sehingga peningkatan kualitas dan efisiensi dari sistem listrik ini harus diperhatikan. Bagian - bagian dari sistem tenaga listrik adalah pembangkit, pentransmisian dan pendistribusian sampai kepada konsumen. b. Bagian Sistem Komunikasi Bagian ini merupakan sistem yang digunakan untuk saling berkomunikasi, untuk saling menyampaikan dan menerima data oleh si operator dan peralatan listrik. Dalam konsep smart grid dibutuhkan sistem komunikasi yang cepat dan akurat atau secara realtime, sehingga kontrol otomatis maupun manual yang akan dilakukan nantinya akan berjalan dengan baik dan tepat. c. Bagian Sistem Kontrol Bagian sistem kontrol merupakan suatu bagian yang berfungsi untuk mengontrol operasi dari sistem tenaga listrik, dengan mempertimbangkan 13

9 suatu besaran maupun parameter dari sistem tenaga listrik. Sehingga dibuat suatu rencana operasi yang telah dikonsep dengan peralatan cerdas, dimana peralatan tersebut dapat dikontrol baik secara manual maupun otomatis. Gabungan dari ketiga sistem ini akan menjadikan suatu sistem kelistrikan dengan konsep smartgrid. Secara sederhana Gambar 2.1 menunjukkan diagram alir dari sistem smartgrid. Gambar 2.1 Diagram Alur Konsep Smartgrid Jaringan Tenaga Listrik Secara umum ada beberapa manfaat yang dapat diperoleh dari konsep smartgrid, dalam sistem tenaga listrik, hal itu antara lain adalah : 1. Mengetahui aliran daya secara cepat, dengan menggunakan komunikasi data yang cepat dan akurat. 2. Mengetahui secara langsung jumlah beban pelanggan, sehingga dapat direncanakan besar pembangkitan daya yang harus dipenuhi. 14

10 3. Melakukan pengontrolan secara otomatis. 4. Dapat merencanakan optimasi terhadap jaringan listrik tersebut. 5. Memiliki sistem proteksi yang handal dan baik. 6. Adanya bagian panel monitoring seperti SCADA, untuk melakukan monitoring secara langsung dari sistem kelistrikan. 7. Dalam penggunaan pembangkit energi terbarukan, maka penggunaannya dapat diatur dan dapat mengurangi efek emisi karbon dan lebih ramah lingkungan. Komunikasi Data dan Jaringan Komputer Sistem smartgrid adalah sistem yang mendukung terjadinya komunikasi dua arah, yang bertujuan untuk monitoring dan melakukan pengontrolan jaringan listrik. Sistem telekomunikasi jarak jauh dan cepat merupakan sistem yang dibutuhkan untuk menciptakan konsep ini. Dengan menggunakan komunikasi data yang didukung perangkat yang canggih dan cepat, maka informasi dapat dikirimkan dengan sebaik mungkin. Jaringan komputer merupakan pilihan terbaik untuk menciptakan sistem komunikasi smartgrid jaringan listrik di Sumatera Bagian Utara. a) Komunikasi Data Komunikasi data adalah kegiatan untuk memindahkan informasi dari suatu tempat ke tempat yang lain, sehingga dibutuhkan suatu alat komunikasi untuk mendukung terjadinya proses tukar menukar data tersebut. Berdasarkan cara 15

11 pengiriman pesan, komunikasi dibagi atas dua jenis, yaitu sistem satu arah (simplex) dan sistem dua arah (duplex). Sistem satu arah merupakan sistem yang hanya mengirimkan pesan, tanpa harus mendapat respon dari penerima pesan. Sedangkan sistem dua arah adalah sistem komunikasi yang mengirimkan pesan kepada penerima, dan penerima juga memberikan respon kepada pengirim pesan [4]. Komunikasi data yang baik dan benar, harus memiliki beberapa elemen yang dibutuhkan untuk melakukan komunikasi, elemen elemen tersebut adalah sebagai berikut [5] : Source Source merupakan peralatan yang menghasilkan data untuk nantinya ditransmisikan. Transmitter Transmitter adalah peralatan yang mengirimkan pesan dari sumber data, dimana untuk pengiriman data jarak jauh biasanya data yang dihasilkan oleh sumber akan diubah ke dalam sinyal elektromagnetik, agar nantinya data tersebut dapat ditransmisikan melalui sistem transmisi tersebut. Transmission System Transmission System adalah media transmisi yang digunakan untuk menghubungkan antara sumber informasi sampai kepada tujuan pengiriman. Receiver Receiver adalah peralatan yang menerima sinyal dari transmission system dan mengubahnya ke dalam bentuk yang dapat dibaca atau dimengerti oleh peralatan penerima. 16

12 Destination Destination adalah peralatan yang menerima data dari receiver. Source Transmitter Transmission System Receiver Destination Gambar 2.2 Blok Diagram Sistem Komunikasi Data Gambar 2.2 menunjukkan secara sederhana bagaimana hubungan antara elemen elemen yang mendukung komunikasi data. Dalam pengiriman data saat ini, pengiriman informasi juga dilakukan dengan cara mengubah sinyal analog ke dalam bentuk sinyal digital yang biasanya berbentuk text code, seperti data binary. Hal ini dilakukan karena sinyal digital memiliki keuntungan saat ditransmisikan, yaitu karena sinyal digital berbentuk text code seperti angka biner yang hanya terdiri dari 0 dan 1, sehingga sinyal digital tidak terlalu terpengaruh terhadap gangguan gangguan pada saat pentransmisian data [5]. Alat yang mengubah sinyal analog ke dalam bentuk sinyal digital disebut dengan codec atau yang sekarang banyak dikenal dengan nama modem. Media transmisi juga merupakan elemen yang sangat penting dalam komunikasi. Media transmisi dibagi dua jenis, yaitu melalui kawat atau kabel dan tanpa kabel. Beberapa jenis media komunikasi menggunakan kawat, antara lain kabel koaxial, twisted pair dan serat optik. Sedangkan untuk jenis tanpa kabel (wireless) biasanya menggunakan frekuensi dari 1 GHz sampai dengan 40 17

13 GHZ atau biasa disebut microwave frequencies. Peralatan yang mendukung komunikasi wireless ini, antara lain antena, radio dan satelit. b) Jaringan Komputer Jaringan komputer merupakan gabungan dari beberapa komputer, yang dapat saling terhubung dan bertukar informasi dengan menggunakan suatu sistem komunikasi. Hal ini dilakukan agar dapat berkomunikasi baik dalam area yang besar maupun kecil dengan cepat, maupun penggunaan peralatan atau perangkat yang dapat digunakan secara bersama sama. Bentuk dari jaringan ini disebut dengan topologi jaringan, dimana ada beberapa jenis topologi jaringan yang digunakan saat ini, antara lain : a. Topologi Linear Bus Topologi ini menghubungkan setiap komputer ke dalam suatu media transmisi yang biasanya menggunakan kabel. Seluruh informasi akan disalurkan melalui satu saluran transmisi, sehingga kemungkinan tabrakan informasi dapat terjadi pada jenis topologi ini. b. Topologi Star Topologi ini memiliki satu titik pusat yang disebut dengan hub atau router, dimana seluruh komputer terhubung secara radial kepada hub. Semua informasi akan melalui hub pertama kali agar sampai kepada komputer yang lain. Topologi ini biasanya menggunakan kabel twisted pair, koaxial dan serat optik. 18

14 c. Topologi Tree Topologi ini merupakan kombinasi dari topologi linear bus dengan topologi star. Topologi ini terdiri dari beberapa topologi star yang dihubungkan dengan kabel utama untuk menghubungkan seluruh komputer. d. Topologi Ring Topologi ini biasanya membutuhkan hub khusus yaitu Multistation Acess Unit dan adapter ethernet. Jaringan komputer dapat dihubungkan oleh beberapa media transmisi, antara lain kabel dan tanpa kabel. Jaringan ini dapat berupa LAN (local area network), WAN (wide area network) dan jaringan internet. LAN biasanya digunakan pada area yang kecil seperti sebuah gedung perkantoran, bedanya dengan jaringan WAN area jaringannya lebih luas daripada LAN. Sedangkan internet merupakan suatu jaringan yang sangat luas, dimana bisa dikatakan gabungan dari beberapa personal computer ataupun LAN yang dihubungan dalam satu jaringan WAN, kemudian beberapa jaringan WAN tersebut dihubungkan satu sama lain. Pada jaman sekarang provider komunikasilah yang memberikan layanan ini agar seluruh perangkat dapat terhubung. Jaringan komputer menggunakan sebuah aturan prosedur komunikasi yang disebut dengan protokol. Protokol berfungsi untuk mengontrol komunikasi dan transfer data dari beberapa komputer yang tergabung di dalamnya. Suatu protokol secara umum terdiri dari tujuh lapisan, yang memiliki fungsi yang berbeda beda, yaitu : 19

15 a. Lapisan pertama (Phisical) untuk mendefenisikan standart fisis jalur komunikasi, seperti arus, tegangan konektor dan teknik modulasi. b. Lapisan kedua (Data Link) untuk membagi data ke dalam format paket yang sudah ditentukan untuk dikirimkan nantinya. c. Lapisan ketiga (Network) untuk menentukan alur pengiriman data dari sebuah terminal ke terminal lainnya. d. Lapisan keempat (Transport) untuk menjaga jalur komunikasi bebas gangguan, serta memeriksa urutan data. e. Lapisan kelima (Session) untuk menerjemahkan alamat pengirim dan penerima, serta menentukan saat mengirim ataupun mengakhiri pengiriman. f. Lapisan keenam (Presentation) untuk menerjemahkan data yang akan dikirim ke dalam kode kode yang telah ditetapkan. g. Lapisan ketujuh (Aplication) untuk menangani penggunaan program utilitas untuk jaringan komunikasi data. Power Meter dan Remote Terminal Unit (RTU) Power meter adalah peralatan listrik yang dapat mengukur dan menunjukkan kualitas listrik, yaitu data tegangan, arus dan daya dari sistem yang diukur. Power meter ini akan mengubah sinyal analog besaran besaran listrik ke dalam data yang dapat dibaca oleh sebuah perangkat komputer. RTU adalah suatu alat yang terdiri dari suatu power meter yang dapat membaca besaran listrik, dapat dikontrol dan memberi sinyal kontrol. Selain itu RTU 20

16 memiliki aplikasi dalam hal menyimpan data dari event yang terjadi, dan juga memiliki aplikasi dalam sistem komunikasi. Pengoperasian sistem kontrol RTU hampir sama dengan pengaturan PLC (Programable Logic Control). Sehingga secara umum fungsi dari RTU adalah : a. Telemetering untuk mengukur besaran besaran listrik pada sistem atau peralatan yang diukur. b. Telesignal untuk memberikan informasi dari peralatan dan sistem, melalui saluran komunikasi. c. Telekontrol untuk melakukan pengontrolan terhadap peralatan peralatan yang dikontrol. RTU Dalam konsep smartgrid, RTU merupakan alat yang paling dibutuhkan dan memiliki beberapa fungsi, terutama dalam pengontrolan sehingga operasi dalam konsep smartgrid dapat dilaksanakan dengan baik. Secara sederhana blok diagram dari RTU sederhana adalah seperti gambar berikut ini : Gambar 2.3 Blok Diagram RTU sederhana 21

17 Besaran listrik dideteksi oleh alat ukur, kemudian rectifier mengubah besaran tersebut dalam bentuk besaran yang lebih kecil. Kemudian mikrokontroler akan mengubah sinyal analog menjadi digital, agar nantinya data dapat ditransmisikan melalui sistem telekomunikasi yang ada [6]. 22