BAB III KEANDALAN SISTEM TENAGA LISTRIK

Transkripsi

1 BAB III KEANDALAN SISTEM TENAGA LISTRIK 3.1 Keandalan Sistem Tenaga Listrik Semua pelanggan energi listrik pastinya menginginkan agar pasokan listrik yang mereka terima sesuai dengan kebutuhan dan memenuhi batas-batas operasi tertentu. Hal ini dikarenakan kualitas penyuplaian listrik yang diterima oleh pelanggan akan mempengaruhi kenyamanan dan produktifitas usaha mereka baik secara langsung ataupun secara tidak langsung. Akan tetapi, berbagai gangguan yang teradi pada sistem tenaga listrik adakalanya mengganggu suplai energi listrik ke arah pusat-pusat beban yang ada. Gangguan ini sendiri dapat didefinisikan sebagai keadaan dari suatu komponen ketika komponen tersebut tidak dapat melakukan fungsi yang diharapkan karena beberapa keadian yang langsung berhubungan dengan komponen tersebut. Gangguan ini mungkin saa menyebabkan interupsi pelayanan ke konsumen ataupun tidak. Hal ini tergantung pada konfigurasi sistem [8]. Faktor-faktor yang dapat menyebabkan gangguan diantaranya adalah masalah cuaca, komponen sistem listrik, operasi sistem, dan faktor-faktor lainnya. Gangguan secara umum dapat dibedakan menadi gangguan terpaksa dan gangguan teradwal. Gangguan terpaksa adalah gangguan yang disebabkan oleh kondisi darurat yang berhubungan langsung dengan komponen yang mengharuskan komponen tersebut dikeluarkan dari sistem secara cepat, baik secara otomatis ataupun segera setelah operasi pensaklaran dapat dilakukan, atau suatu gangguan yang disebabkan oleh operasi yang salah dari peralatannya atau dari kesalahan manusia. Gangguan teradwal adalah gangguan yang teradi ketika suatu komponen dengan sengaa dikeluarkan dari sistem pada suatu waktu tertentu, biasanya hal ini dilakukan untuk tuuan konstruksi, pemeliharaan atau perbaikan.

2 Salah satu solusi yang dapat dilakukan untuk mengatasi masalah gangguan di atas adalah dengan meningkatkan kemampuan sistem untuk beroperasi dengan kondisi operasi tertentu yang diharapkan. Kemampuan sistem tenaga untuk memenuhi kebutuhan konsumen dengan kondisi operasi tertentu ini disebut dengan keandalan sistem tenaga. Secara umum keandalan adalah peluang dari suatu peralatan untuk beroperasi seperti yang direncanakan dengan baik dalam suatu selang waktu tertentu dan berada pada suatu kondisi operasi tertentu. Dalam suatu sistem tenaga konsep keandalan ini mencakup semua aspek yang berhubungan dengan kemampuan sistem tenaga untuk memenuhi kebutuhan konsumen dengan kondisi operasi tertentu. Suatu gangguan yang teradi dapat menyebabkan teradinya interupsi/penyelaan. Interupsi/penyelaan adalah lepasnya satu atau lebih konsumen dari suatu sistem dan ini merupakan akibat dari gangguan satu atau lebih komponen, hal ini bergantung pada konfigurasi sistem. Interupsi ini ada dua enis, yaitu interupsi terpaksa dan interupsi teradwal. Interupsi terpaksa adalah interupsi yang disebabkan oleh gangguan terpaksa, sedangkan interupsi teradwal adalah interupsi yang disebabkan oleh gangguan teradwal. Kemungkinan pelanggan tidak terfasilitasi dengan baik dapat dikurangi dengan meningkatkan investasi selama fasa perencanaan, fasa operasi atau keduanya. Akan tetapi, investasi yang berlebihan akan menyebabkan biaya operasi yang berlebihan pula dan hal ini akan menggambarkan struktur tarif yang ada. Efek positifnya sistem akan sangat andal walaupun batasan ekonomi diabaikan. Sedangkan, investasi yang kurang akan mengarahkan pada situasi yang berkebalikan. Di sisi yang lain, batasan ekonomi dan keandalan yang kompetitif dapat menimbulkan kesulitan dalam mengambil keputusan manaerial baik mengenai fasa perencanaan ataupun fasa operasi. ntuk mendapatkan suatu tingkat keandalan tertentu maka diperlukan biaya tambahan tertentu pula. Grafik penambahan keandalan dengan meningkatknya investasi/biaya dapat digambarkan sebagai berikut [9] :

3 Gambar 3.1 Peningkatan Biaya Keandalan Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa peningkatan investasi tidaklah linear terhadap peningkatan keandalan. Semakin besar nilai keandalan, dengan biaya investasi yang sama, nilai peningkatan keandalannya akan semakin menurun. Dengan demikian, untuk mendapatkan suatu tingkat keandalan yang tinggi maka akan diperlukan suatu biaya investasi yang tinggi pula. Hubungan antara keandalan dan ekonomi dapat dinilai dengan cara membandingkan biaya (biaya investasi yang diperlukan untuk mendapatkan suatu tingkat keandalan tertentu) dengan manfaat dari adanya keandalan tersebut (keuntungan yang didapat oleh konsumen atau masyarakat). Kapasitas yang berlebih dalam hal pembangkitan energi dan fasilitas aringan telah dibangun dengan tuuan menamin kecukupan dan kontinuitas suplai daya pada saat teradinya kegagalan dan gangguan terpaksa atau teradinya pelepasan fasilitas untuk pemeliharaan teradwal biasa. Tingkat kelebihan ini haruslah sesuai dengan kebutuhan dimana suplai haruslah seekonomis mungkin. Yang menadi pertanyaan adalah berapakah kelebihan yang harus disiapkan dan harganya berapa? Dalam rangka peningkatan keandalan dari suatu sistem tenaga listrik pihak-pihak yang terkait haruslah bekerasama. Kerasama ini dapat dilakukan pada suatu bentuk kelompok daya tertentu. Setiap kelompok terbentuk secara unik karena perbedaan kebutuhan dan desain sistem dari masing-masing anggota yang

4 termasuk ke dalam kelompok tersebut. Tingkat perencanaan dan operasi bersama dalam suatu kelompok daya dapat bervariasi, mulai dari bentuk perencanaan yang fleksibel untuk suatu transfer daya tertentu hingga bentuk perencanaan dan operasi yang terkoordinasi untuk melengkapi operasi yang terintegrasi [8]. Istilah keandalan dan ketersediaan didefinisikan dalam dua hal yang terpisah namun saling berkaitan. Keandalan menggambarkan keamanan dari suatu sistem dan penghindaran teradinya suatu gangguan pada sistem, sedangkan ketersediaan berhubungan dengan kapasitas sistem yang mencukupi untuk menyuplai permintaan energi listrik konsumen. Dalam hal ini ketersediaan adalah hal khusus dari keandalan suatu sistem tenaga listrik. 3.2 Indeks Keandalan Tingkat keandalan dari suatu sistem tenaga perlu dikuantifikasikan untuk memberikan gambaran kemampuan suatu sistem tenaga dalam menyuplai energi listrik kepada konsumen. ntuk menggambarkan tingkat keandalan secara kuantitatif ini maka dilakukan apa yang disebut dengan evaluasi keandalan sistem tenaga. Selain berguna bagi konsumen karena mendapatkan informasi mengenai kemampuan sistem tenaga yang mereka gunakan, evaluasi keandalan sistem tenaga ini uga sangat bermanfaat bagi pihak yang melakukan perencanaan atau pengembangan suatu sistem tenaga. Indeks keandalan merupakan suatu ukuran performansi yang sesuai yang telah digunakan di masa lampau untuk menyediakan suatu indikasi performansi sistem. Performansi (unuk kera) sendiri didefinisikan sebagai kriteria kegagalan/keberhasilan dari suatu peralatan/sistem dalam melakukan tugasnya. Indeks keandalan secara kuantitatif didefinisikan sebagai perbandingan dari am konsumen total per tahun dikurangi am konsumen terinterupsi total per tahun dengan am konsumen total per tahun. am konsumen total per tahun - am konsumen terinterupsi total per tahun Indeks _ Keandalan= am konsumen total per tahun

5 3.3 Konsep Dasar Keandalan Komponen-komponen yang ada pada sistem tenaga listrik tidak bisa secara kontinu sepanang waktu beroperasi dikarenakan berbagai faktor. Sebuah komponen pada suatu sistem tenaga listrik adakalanya berada pada keadaan beroperasi atau pada keadaan tidak beroperasi. Keadaan keadaan tersebut dapat kita istilahkan dengan istilah state up untuk keadaan beroperasi dan state down untuk keadaan tidak beroperasi dan dimodelkan dengan gambar berikut [10] : Gambar 3.2 Model Dua Keadaan Suatu Komponen dimana : m = durasi komponen beroperasi (TTF) r = durasi perbaikan komponen (TTR) Dari gambar di atas, selang waktu antara T0 dan T1, T2 dan T3, T4 dan T5, serta T6 dan T7 menggambarkan waktu beroperasinya komponen dan dimodelkan dengan state up. Durasi dari state up disebut Time To Failure (TTF). Sedangkan selang waktu antara T1 dan T2, T3 dan T4, T5 dan T6, serta T7 dan T8 menggambarkan waktu perbaikan dari komponen dimana komponen tidak

6 beroperasi dan dimodelkan dengan state down. Durasi dari state down disebut Time To Repair (TTR). Apabila pada suatu rentang waktu pengamatan tertentu teradi n kali kegagalan ( diasumsikan teradi n kali siklus ) dari suatu komponen, maka nilai waktu hidup rata-rata (MTTF / Mean Time To Failure) adalah : dimana : m m i n i= 1 MTTF = m = n = waktu hidup rata-rata (waktu menuu kegagalan rata-rata) = waktu hidup / waktu menuu kegagalan yang diamati untuk siklus ke-i = umlah siklus total n m i Sedangkan nilai waktu perbaikan rata-rata (MTTR / Mean Time To Repair) nya adalah : dimana : r r i n i= 1 MTTR = r = n = waktu perbaikan rata-rata n = waktu perbaikan yang diamati untuk siklus ke-i = umlah siklus total r i Selain MTTF dan MTTR, uga didefinisikan MTBF (Mean Time Between Failures) yaitu waktu rata-rata antar kegagalan : MTBF = MTTF + MTTR Hubungan antara lau kegagalan (λ) dengan MTTF adalah sebagai berikut : MTTF = m = 1 / λ Sedangkan hubungan antara lau perbaikan (µ) dengan MTTR adalah : MTTR = r = 1/µ

7 Dari kedua hubungan di atas maka dapat ditentukan ketersediaan (availability / A) dan ketidaksediaan (unavailability / ) sebagai berikut : S [p Time] Availability (Ketersediaan) = A = S [p Time] + S [Down Time] Dan = = m m f = = m + r T λ 1 1 λ µ = λ = µ + λ µ + λ λ µ λ µ S [Down Time] navailability (Ketidaktersediaan) = = S [p Time] + S [Down Time] = = r r f = = r + m T µ 1 1 µ µ λ = = λ + µ λ + µ µ λ µ λ Dimana : m = waktu menuu kegagalan rata-rata = MTTF = 1 / λ r = waktu perbaikan rata-rata = MTTR = 1 / µ m + r = waktu rata-rata antar kegagalan = MTBF = T = 1 f f T = frekuensi siklus = 1 T = waktu siklus = 1 f Nilai penumlahan ketersediaan (availability / A) dan ketidaksediaan (unavailability / ) adalah : µ λ µ + λ A + = + = = 1 µ + λ λ + µ µ + λ

8 3.4 Sistem Transmisi dan Pembangkitan Komposit Salah satu hal yang paling mendasar dalam suatu perencanaan sistem daya adalah penentuan besarnya kapasitas pembangkit yang dibutuhkan untuk mendapatkan aminan yang cukup baik dalam pemenuhan permintaan beban. Hal lain yang harus diperhatikan adalah pengembangan suatu aringan transmisi yang sesuai untuk mengirimkan energi yang dihasilkan ke titik beban konsumen [9]. Suatu aringan transmisi dapat kita bagi menadi dua bagian yaitu transmisi bulk (aringan transmisi luas) dan fasilitas distribusi. Ikatan di antara dua bagian ini dalam hal evaluasi keandalan dapat diakomodir dengan menggunakan indeks titik beban dimana indeks ini menempatkan sistem transmisi bulk sebagai indeks keandalan masukan untuk sistem distribusi. ntuk mengirimkan energi yang dihasilkan ke arah titik beban, fasilitas transmisi bulk harus mampu menaga kecukupan level tegangan, batas termal rangkaian, dan uga batas kestabilan sistem. Model yang dipergunakan untuk menggambarkan kemampuan transmisi bulk menyangkut evaluasi statis dan dinamis. Evaluasi statis, disebut pula evaluasi adequacy (kecukupan), adalah evaluasi dalam hal kemampuan sistem untuk memenuhi permintaan beban sistem sedangkan evaluasi dinamis, disebut pula evaluasi security (keamanan), adalah evaluais dalam hal kemampuan sistem untuk merespon teradinya suatu kontingensi. Keseluruhan masalah mengenai perkiraan adequacy (kecukupan) dari pembangkitan dan transmisi bulk untuk menyediakan suplai daya yang sesuai pada terminal titik beban disebut dengan evalusi keandalan sistem komposit. Contoh perhitungan keandalan suatu konfigurasi aringan adalah sebagai berikut: Diketahui suatu konfigurasi aringan sederhana terdiri dari 2 pusat pembangkit, tiga saluran transmisi, dan satu titik beban 110 MW. Kurva beban dianggap berupa garis lurus dengan faktor beban (load factor) sebesar 1 dimana beban rata-rata dianggap sama dengan beban puncak.

9 Setiap unit pembangkit pada pusat pembangkit dan saluran transmisi pada konfigurasi aringan ini memiliki karakteristik nilai keandalannya masing-masing. Pada kasus ini, elemen transmisi diasumsikan memiliki batasan kapasitas tertentu. Gambar konfigurasi aringannya adalah sebagai berikut : G1 1 G Load Gambar 3.3 Konfigurasi Jaringan Sederhana Diketahui data pembangkit dan saluran transmisi sebagai berikut : Pusat Pembangkit Jumlah nit Tabel 3.1 Data Pembangkit Kapasitas (MW) A λ ( f / yr) µ ( r / yr) Total Saluran Terhubung dari & ke Tabel 3.2 Data Saluran Transmisi λ r R X B / 2 Rating on MVA Base Bus Bus ( f / yr ) (h) ( Ω ) ( Ω ) (mhos) (MVA) (p.u)

10 Konfigurasi aringan ketika beroperasi normal dan ketika teradi kontingensi dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 3.4 Konfigurasi Jaringan Pada Kondisi Tertentu Probabilitas ketidakcukupan kapasitas pada setiap konfigurasi dapat ditemukan setelah melakukan studi aliran daya dengan menggunakan model pengaturan pembebanan yang sesuai. Ada beberapa teknik pencarian solusi yang memungkinkan yang dapat digunakan dalam

11 kasus ini. Hal yang harus diperhatikan adalah bahwa setiap pendekatan melibatkan teknik pemodelan yang berbeda sehingga dapat memberikan hasil perhitungnan indeks keandalan titik beban yang berbeda pula. Dari data transmisi di atas, dapat kita peroleh nilai availability dan unavailability dari saluran transmisi sebagai berikut : Saluran r (h) Tabel 3.3 Statistik Saluran Transmisi µ d (r/day) 24 r µ y (r/year) 365 µ d λ (f/year) A µ µ + λ 1 A Probabilitas dan frekuensi teradinya kondisi tertentu pada konfigurasi aringan di atas terlihat pada tabel sebagai berikut : Tabel 3.4 Probabilitas Kondisi Saluran Transmisi Kondisi Gangguan (state) Saluran ,2 6 1,3 7 2,3 8 1,2,3 Probabilitas Nilai Probabilitas A1 A2 A3 1 A2 A3 A1 2 A3 A1 A A3 1 A2 3 A Tabel 3.5 Frekuensi Kondisi Saluran Transmisi Ko ndi si Gangguan Saluran Departure Rate Departure Rate (Nilai Awalan) (occ/year) Nilai Probabilitas Frekuensi Kegagalan ( DR P) λ1 + λ2 + λ µ y1 + λ2 + λ λ 1 + µ y 2 + λ λ1 + λ 2 + µ y

12 5 1,2 6 1,3 7 2,3 8 1,2,3 µ y1 + µ y2 + λ µ y1 + λ 2 + µ y λ 1 + µ y 2 + µ y µ + µ + µ y1 y2 y3 Tabel 3.6 Kondisi nit Pembangkit pada Pusat Pembangkit 1 Kondisi (state) Jumlah nit yang Terganggu Probabilitas A 1 A 4 A 6 A 4 A Nilai Probabilitas Departure Rate µ 4λ µ 3λ µ 2λ µ 1λ µ 0λ Departure Rate (Nilai Awalan) (occ/year) Tabel 3.7 Kondisi nit Pembangkit pada Pusat Pembangkit 2 Kondisi (state) Jumlah nit yang Terganggu Probabilitas A 1 A 2 A Nilai Probabilitas Departure Rate µ + 2λ µ + 1λ µ + 0λ Departure Rate (Nilai Awalan) (occ/year) Apabila kita umlahkan, maka umlah komponen yang ada pada sistem konfigurasi aringan tersebut ada 9 buah komponen/elemen. Komponenkomponen tesebut antara lain : 3 buah saluran transmisi, 4 buah unit pembangkit (pada pusat pembangkit 1), dan 2 buah unit pembangkit (pada pusat pembangkit 2). Jika kondisi (state) kesembilan komponen/elemen tersebut dievaluasi secara bersamaan maka akan terbentuk 9 2 = 512 kondisi (state) yang harus dihitung probabilitas dan frekuensinya. Hal ini akan cukup memberatkan apabila perhitungan dilakukan secara manual karena semakin banyak komponen/elemen yang terlibat di dalam suatu sistem/konfigurasi aringan maka semakin banyak pula kondisi (state) yang harus dievaluasi. Oleh karena itu maka diperlukan pembatasan umlah kondisi (state) dengan cara memilih kontingensi mana saa yang akan dimasukan ke dalam daftar perhitungan.

13 ntuk mendapatkan daftar kondisi kontingensi mana saa yang akan dievaluasi, dapat kita lakukan dengan cara mengabaikan kontingensi-kontingensi yang memiliki probabilitas keadian yang kurang dari nilai tertentu. Misalnya pada kasus ini, kontigensi yang akan dievaluasi maksismal melibatkan 2 buah komponen/elemen. Sedangkan pada Tugas Akhir ini, karena umlah komponen yang dievaluasi cukup banyak, maka kontigensi yang akan dievaluasi melibatkan 1 buah komponen/elemen untuk menyederhanakan perhitungan dengan nilai probabilitas yang masih cukup presisi. Hasil perhitungan nilai probabilitas dan frekuensi konfigurasi aringan diperlihatkan pada tabel 3.8. Tabel 3.8 Nilai Kondisi (State) Sistem Kon disi G1 Gangguan Elemen 3 G1,G1 4 G1,G2 5 G1,L1 6 G1,L2 7 G1,L3 8 G2 9 G2,G2 10 G2,L1 11 G2,L2 12 G2,L3 13 L1 14 L1,L2 15 L1,L3 16 L2 17 L2,L3 18 L3 Probabilitas Probabilitas Departure Rate ( L + G + G ) 1 2 Frekuensi (ke/thn) ( DR P) AL 0 AG 1 0 AG AL 0 G1 1 AG AL 0 G1 2 AG AL 0 G1 1 G L1 G1 1 AG L2 G1 1 AG L3 G1 1 AG AL 0 AG 1 0 G AL 0 AG 1 0 G L1 AG 1 0 G L2 AG 1 0 G L3 AG 1 0 G L1 AG 1 0 AG L1, L2 AG 1 0 AG L1, L3 AG 1 0 AG L2 AG 1 0 AG L2, L3 AG 1 0 AG A A L3 G1 0 G

14 Dalam suatu konfigurasi aringan yang lebih praktis ada beberapa titik beban yang harus dievaluasi dan setiap titik beban tersebut memiliki perbedaan nilai indeks keandalan. Parameter dasar dari indeks keandalan ini adalah nilai probabilitas dan frekuensi. Selain indeks probabilitas dan frekuensi ada beberapa indeks tambahan lain yang dapat diperoleh dari nilai indeks ini. Indeks titik-titik beban dapat pula diumlahkan untuk mendapatkan indeks sistem. Perhitungan indeks pada Tugas Akhir ini dihitung untuk level faktor beban 100% dan dievaluasi pada basis satu tahun. Penerapan model ini disebut dengan nilai teranualisasi (annualized values). Beberapa contoh nilai basis indeks titik beban teranualisasi diantaranya adalah : Probability of failure (Kemungkinan teradinya kegagalan) Expected frequency of failure (Perkiraan frekuensi kegagalan) Expected number of load curtailments (Perkiraan umlah kekurangan beban) Expected load curtailed (Perkiraan kekurangan beban) Expected energy not supplied (Perkiraan energi tidak tersuplai) Indeks-indeks tersebut dapat kita hitung sebagai berikut : = Probability of failure Qk P PK = Frequency of failure Fk FPK Dimana : : Kondisi gangguan pada aringan P F : Probabilitas adanya gangguan : Frekuensi teradinya gangguan P K : Probabilitas beban pada bus K melebihi daya maksimum yang dapat disuplai pada bus tersebut ketika teradi gangguan

15 Expected number of load curtailments = x, y F Dimana x : Menggambarkan semua kontingensi yang menghasilkan overload saluran / berkurangnya suplai daya dimana hal tersebut dapat diatasi dengan mengurangi beban pada bus K y : Menggambarkan semua kontingensi yang menyebabkan terisolasinya bus K Expected load curtailed = LK F MW x, y Dimana : L K : Kekurangan daya pada bus K untuk mengatasi overload saluran / berkurangnya suplai daya ketika teradi kontigensi atau tidak tersuplainya beban pada suatu bus K yang terisolasi karena teradinya kontingensi Expected energy not supplied = LK DKF MWh x, y Dimana : LK P 8760 MWh x, y D K : Durasi (dalam am) dari kekurangan daya yang timbul karena gangguan atau durasi (dalam am) dari kekurangan daya pada suatu bus K yang terisolasi karena gangguan D K P = 8760 F

16 Indeks titik beban dari konfigurasi aringan di atas dapat dihitung dengan menggunakan indeks-indeks basis titik beban. Perhitungan ini memerlukan studi aliran daya aktual untuk menentukan pembebanan saluran dan rugi-rugi saluran di setiap keadian kontingensi. Perhitungan indeks keandalan pada kasus ini memakai asumsi nilai faktor daya sebesar 0.95 dan rugi-rugi saluran ketika teradi kontingensi sebesar 5 MW. Pada Kasus Sistem Garver yang akan dianalisis pada Tugas Akhir ini diasumsikan besar rugi-rugi saluran untuk mengatasi kekurangan daya pada titik beban ketika teradi kontingensi dirata-ratakan sebesar 2 MW. Perhitungan nilai basis indeks titik beban diperlihatkan pada tabel berikut ini :

17 Tabel 3.9 Nilai Indeks Titik Beban Kondisi (State) Gangguan Elemen Probabilitas P Frekuensi F (ke/thn) Ketersediaan Kapasitas (MW) P K D K (am) P 8760 F L K (MW) F ELC (MW) L K NLC F P K EENS (MWh) ELC D K , G G1,G , , , , G1,G , ,8537 0, , G1,L , G1,L , , , , G1,L , ,3548 0, , G , ,2769 6, ,859 9 G2,G , ,8005 0, , G2,L , , , , G2,L , ,9273 0, , G2,L , , , , L , L1,L , , , , L1,L , , , , L , ,183 4, , L2,L , , , , L , ,5304 2, ,1524 Jumlah , ,127