1 Strategi Interkoneksi Suplai Daya 2 di PT Ajinomoto Indonesia, Mojokerto Factory Surya Adi Purwanto, Hadi Suyono, dan Rini Nur Hasanah Abstrak PT. Ajinomoto Indonesia, Mojokerto Factory adalah perusahaan yang bergerak dalam bidang produksi monosodium glutamate atau yang lebih sering dikenal dengan MSG. Sumber tenaga listrik PT. Ajinomoto Indonesia, Mojokerto Fakory berasal dari dua buah PLTGU ( Listrik Tenaga Gas dan Uap) serta dari PLN yang dihubungkan secara paralel. Transmisi tenaga listrik dari sumber menuju beban yang letaknya berjauhan serta dengan jangkauan daerah penyaluran yang luas menyebabkan terjadinya rugi-rugi saluran, sehingga pengoperasian yang terus menerus akan dapat mengakibatkan stabilitas keadaan mantapnya terganggu dengan kemungkinan kondisi terburuk teerjadinya kegagalan sistem atau bahkan black out yang dapat mempengaruhi proses produksi MSG. Kestabilan frekuensi dan kestabilan putaran rotor sangat berpengaruh pada saat dilakukan interkoneksi ataupun pada saat terjadi gangguan pada sumber. Standar IEEE mensyaratkan besarnya frekuensi ±1% dari frekuensi referensi, yaitu 50-Hz untuk di Indonesia. Menurut standart SPLN frekuensi yang dipergunakan di Indonesia berkisar antara 49,5 50,5 Hz. Apabila terjadi kelebihan daya pembangkitan frekuensi akan turun dan sebaliknya apabila terjadi kekurangan daya pembangkitan atau kelebihan beban frekuensi akan naik. Dengan dilakukannya strategi interkoneksi suplai daya pada saat interkoneksi dapat membuat sistem menjadi lebih bagus dalam mempertahankan keadaan mantapnya, dapat dilihat sengan semakin lamanya waktu pemutusan kritis, selain itu dengan melakukan penyebaran pembebanan pembangkit dan pelepasan beban pada saat terjadi gangguan pembangkit serta pelepasan pembangkit saat gangguan pada beban dapat menyebabkan frekuensi masih dalam batas yang diijinkan. Index Terms stabilitas sistem daya, interkoneksi, frekuensi, sudut rotor S I. PENDAHULUAN UMBER tenaga listrik PT. Ajinomoto Indonesia, Mojokerto Factory berasal dari dua buah PLTGU ( Listrik Tenaga Gas dan Uap) serta dari PLN yang dihubungkan secara paralel. Transmisi tenaga listrik dari sumber menuju beban yang letaknya berjauhan serta dengan jangkauan daerah penyaluran yang luas menyebabkan terjadinya rugi-rugi saluran, sehingga pengoperasian yang terus-menerus akan mengakibatkan stabilitas keadaan mantapnya terganggu. Gangguan pada sistem transmisi akan menyebabkan terjadinya perubahan pada sudut (osilasi) rotor Surya Adi Purwanto adalah dari Program Sarjana Strata-1 Jurusan Teknik Elektro Universitas Brawijaya Malang (e-mail: surya_adi_3il@ yahoo.co.id). Hadi Suyono dan Rini Nur Hasanah merupakan staf pengajar di Jurusan Teknik Elektro Universitas Brawijaya Malang (e-mail: hadis@ub.ac.id; rini.hasanah@ub.ac.id) generator, yang selanjutnya akan menyebabkan terjadinya perubahan tegangan, arus, frekuensi dan sudut daya[1]. Apabila gangguan tidak segera diperbaiki maka kondisi terburuk adalah sistem tenaga menjadi gagal atau black out yang dapat mempengaruhi proses produksi MSG. Dalam skripsi ini dilakukan penelitian terhadap kestabilan sistem daya, dengan titik berat pengamatan pada parameter frekuensi dan sudut rotor. Sesuai dengan standar IEEE [2], besarnya frekuensi yang diperbolehkan adalah ±1% dari frekuensi referensi, yaitu sebesar 50-Hz untuk di Indonesia. Menurut standart SPLN frekuensi yang dipergunakan di Indonesia berkisar antara 49,5 50,5 Hz. Apabila terjadi kelebihan daya pembangkitan maka frekuensi akan turun dan sebaliknya apabila terjadi kekurangan daya pembangkitan atau kelebihan beban maka frekuensi akan naik. Untuk melakukan simulasi aliran daya dalam penelitian ini digunakan software PSS@E (Power System Simulator for Engineering), dengan tampilan maksimum jumlah bus terbatas pada 50 bus. Simulasi bertujuan untuk mengetahui kondisi kestabilan keadaan mantap (steady-state) sistem kelistrikan PT. Ajinomoto dan PT. Ajinex pada saat terjadi gangguan di pembangkit dan beban baik sebelum atau pun setelah terjadinya interkoneksi. A. Analisis Aliran Daya II. TINJAUAN PUSTAKA Studi aliran daya merupakan hal penting dalam desain dan perencanaan pengembangan sistem daya guna menentukan operasi terbaik pada sistem. Keterangan utama yang diperoleh dari sebuah studi aliran daya adalah besar dan sudut fasa tegangan, daya reaktif, daya aktif yang dibangkitkan generator dan daya aktif dan reaktif yang mengalir pada setiap saluran/cabang. Studi ini juga digunakan untuk mengevaluasi sistem tenaga listrik terhadap pengaruh kondisi pembebanan yang berbeda. Studi-studi seperti hubung singkat, stabilitas, pembebanan ekonomis juga memerlukan studi aliran daya terlebih dahulu. Pada setiap titik/bus suatu sistem tenaga listrik dapat diperoleh nilai daya aktif (P), daya reaktif (Q), tegangan (E), dan sudut fasa tegangan (θ). Jadi pada setiap bus terdapat empat besaran yaitu P, Q, E dan θ. Di dalam studi aliran daya, dua dari keempat besaran itu diketahui, dan dua yang lain perlu dicari. Berdasarkan hal tersebut, bus-bus dibedakan menjadi tiga jenis yaitu bus beban, bus generator, dan bus berayun (slack bus) [3].
2 B. Persamaan Sistem Aliran Daya Persamaan untuk sistem tenaga listrik dapat dinyatakan dalam bentuk admitansi sebagai berikut [4]: I bus = Y bus V bus (1) dengan, I bus : matriks arus pada setiap bus Y bus : matriks admitansi V bus : matriks tegangan pada setiap bus Persamaan berikut digunakan untuk perhitungan daya di masing-masing bus [3], S p = V p I p * (2) dengan, S p : Daya aktif pada bus p V p : Tegangan pada bus p I p : Arus pada saluran bus p Selain untuk menentukan besaran daya pada tiap bus, analisis aliran daya juga digunakan untuk menentukan besar kerugian daya yang hilang pada saluran transmisi selama proses penyaluran daya dari pembangkit ke pusat beban. Perhatikan saluran yang terhubung antara bus p dan q pada Gb. 1. Arus saluran I pq diukur pada bus p dan dianggap positif untuk arah p ke q, dapat ditulis sebagai berikut [5]: I p = I pq + I p0 = y pq (V p V q ) + y p0 V p (3) dengan, I pq : Arus pada bus p I L : Arus pada saluran antara bus p dan bus q I p0 : Arus pada saluran half line charging y pq : Admitansi saluran antara bus p dan bus q y p0 : Admitansi pada saluran half line charghing V p : Tegangan bus p V q : Tegangan bus q Gb. 2. Jenis-jenis gangguan hubung singkat [3]. D. Klasifikasi Stabilitas Sistem Daya Ketidakstabilan sistem daya didapatkan dalam berbagai bentuk dan dipengaruhi oleh berbagai faktor. Analisis masalah stabilitas, termasuk identifikasi faktor-faktor penting yang berkontribusi terhadap ketidakstabilan dan perancangan metode untuk meningkatkan stabilitas operasi dapat difasilitasi oleh klasifikasi stabilitas ke dalam kategori yang tepat sesuai dengan yang ditunjukkan pada Gb. 3. Hal tersebut didasarkan pada pertimbangan sebagai berikut [4]: a. Sifat fisik dari ketidakstabilan yang dihasilkan terkait dengan parameter ketidakstabilan pada sistem utama yang dapat diamati. b. Ukuran gangguan dapat menunjukkan metode yang paling tepat untuk perhitungan dan prediksi stabilitas. c. Perangkat, proses, dan rentang waktu yang harus dipertimbangkan dalam rangka menentukan stabilitas. Gb. 1. Model saluran transmisi untuk penghitungan aliran daya [5]. C. Stabilitas Sistem Daya Stabilitas sistem daya didefinisikan sebagai sifat sistem yang memungkinkan generator bergerak sinkron dalam sistem dan bereaksi terhadap gangguan dalam keadaan kerja normal serta kembali ke kondisi kerja semula (keseimbangan) bila keadaan menjadi normal kembali [4]. Dengan kata lain, stabilitas sistem daya merupakan kemampuan suatu sistem tenaga listrik atau bagian komponennya untuk mempertahankan sinkronisasi dan keseimbangan dalam sistem. Berdasarkan sifat dan besarnya gangguan, masalah stabilitas dalam sistem tenaga listrik dibedakan menjadi stabilitas keadaan mantap (steady-state ) dan stabilitas peralihan (transient) [3]. Dalam suatu operasi sistem daya, ada kalanya sistem mengalami gangguan hubung singkat yang dapat menyebabkan sistem tidak beroperasi secara seimbang. Adapun jenis-jenis gangguan hubung singkat pada sistem tiga fasa ditunjukkan pada Gb. 2. Gb. 3. Klasifikasi stabilitas sistem daya [4]. E. Program Komputer Digital untuk Studi Stabilitas Program komputer digital masa kini untuk studi stabilitas berkembang dari dua kebutuhan dasar [1], yaitu: a. Keperluan untuk mempelajari sistem yang sangat besar yang saling berhubungan dengan jumlah mesin yang sangat banyak, b. Kebutuhan untuk melukiskan mesin dan sistem pengaturannya berkaitan dengan model yang lebih terperinci Dalam melakukan analisis terhadap stabilitas terdapat suatu tipe waktu simulasi [1] yang dapat ditunjukkan pada Gb. 4.
3 Gb. 4. Estimasi waktu gangguan pada analisis stabilitas [4]. III. METODOLIGI PENELITIAN Metodologi penelitian memberikan gambaran urutan langkah-langkah yang dilaksanakan untuk mencapai tujuan penyusunan penelitian. Langkah-langkah pengerjaan metode penelitian pada skripsi ini digambarkan sesuai sengan diagram alir pada Gb. 5. (a) (b) Gb. 6. Diagram alir untuk sistem (a) sebelum interkoneksi dan (b) setelah interkoneksi. Gb. 5. Diagram alir secara keseluruhan. Data-data yang digunakan adalah data primer yang diperoleh langsung melalui pengukuran/pengambilan data di perusahaan dan data sekunder yang bersumber dari buku referensi, jurnal, serta pustaka lain yang relevan dengan tema penelitian skripsi. Proses simulasi stabilitas sistem didasarkan pada diagram alir yang ditunjukkan pada Gb. 6a dan Gb. 6b berturut-turut untuk keadaan sebelum dan setelah interkoneksi. Simulasi dilakukan dengan terlebih dahulu membuat pemodelan sistem, yang dilanjutkan dengan proses simulasi stabilitas sistem daya. Pengamatan dilakukan terhadap parameter sudut rotor dan frekuensi pada kondisi gangguan sebelum dan setelah interkoneksi, waktu pemutusan kritis, serta skenario pelepasan beban dan pembangkit pada kondisi interkoneksi. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Permodelan Sistem Sistem daya dimodelkan secara sederhana dan disesuaikan dengan keperluan perhitungan dan simulasi. Dalam operasi penuh, PT. Ajinomoto mengoperasikan sumber catu dari PLN dan Generator secara terus menerus. Dengan menggunakan software PSSE yang jumlah maksimal busnya terbatas sebanyak 50 bus, maka untuk memodelkan sistem di PT. Ajinomoto hanya digunakan 26 bus (Gb. 7), sedangkan di PT. Ajinek digunakan 24 bus (Gb. 8). Untuk kondisi setelah interkoneksi (Gb. 9) bus generator PLN Ajinomoto ditetapkan sebagai slack bus, bus pembangkit lainnya sebagai bus generator (P-V bus), dan 46 bus lainnya sebagai bus beban (P-Q bus). Gb. 7. Permodelan PT. Ajinomoto dengan menggunakan PSSE
4 hasil simulasi aliran daya tersaji pada Tabel 3. Hasil simulasi aliran daya antar saluran interkoneksi yang terlampir pada Tabel 4 dan Gb. 10. TABEL 3 HASIL SIMULASI ALIRAN DAYA DI PT. AJINOMOTO Parameter Daya Beban Rugirugi P (MW) 30,7968 30,4981 0,2987 Q (MVAR) 16,4949 14,7709 1,7240 Gb. 8. Permodelan PT. Ajinex dengan menggunakan PSSE TABEL 4 HASIL SIMULASI ALIRAN DAYA ANTAR SALURAN KONDISI INTERKONEKSI Dari Ke P (MW) Q (MVAR) PLN Ajinomoto PLTGU Ajinomoto 0,3-1,1 PLN Ajinomoto PLN Ajinex - 0,9-2,7 PLTGU PLTGU Ajinex 0,4 0,1 Ajinomoto PLTGU Ajinex PLN Ajinex - 0,7 0,6 Gb. 9. Permodelan interkoneksi PT. Ajinomoto dan PT. Ajinex dengan menggunakan PSSE B. Hasil Simulasi Aliran Daya Dalam melakukan simulasi aliran daya pada sistem PT. Ajinomoto di definisikan bahwa bus sumber PLN merupakan slack bus dengan tegangan dasar 3,45 kv dan daya dasar 18 MVA dan bus generator menjadi PV bus (generator bus) dengan daya maksimum 7,65 MW dan 3,71 MVAR. Data hasil simulasi aliran daya tersaji pada Tabel 1. Pada sistem PT. Ajinex, bus sumber PLN jugaditetapkan sebagai slack bus dengan tegangan dasar 3,45 kv dan daya dasar 12 MVA dan bus generator menjadi PV-bus (generator bus) dengan daya maksimum 6,75 MW dan 3,27 MVAR. Data hasil simulasi aliran daya tersaji pada Tabel 2. TABEL 1 HASIL SIMULASI ALIRAN DAYA DI PT. AJINOMOTO Parameter Daya Beban Rugirugi P (MW) 20,846 20,6105 0,2355 Q (MVAR) 11,445 9,9821 1,4629 TABEL 2 HASIL SIMULASI ALIRAN DAYA DI PT. AJINEX Parameter Daya Beban Rugirugi P (MW) 10,0245 9,8877 0,1368 Q (MVAR) 5,1563 4,7888 0,3675 Untuk simulasi kondisi setelah interkoneksi, bus sumber PLN PT. Ajinomoto ditetapkan sebagai slack bus dengan tegangan dasar 3,45 kv dan daya dasar 18 MVA, sedangkan bus generator PT. Ajinomoto, PLTGU PT. Ajinex, dan sumber PLN PT. Ajinex sebagai PV-bus (generator bus) dengan daya maksimum masing-masing adalah 7,65 MW dan 3,71 MVAR, 6,75 MW dan 3,27 MVAR, 10,8 MW dan 5,23 MVAR. Data Gb. 10. Hasil simulasi aliran daya antar saluran kondisi interkoneksi C. Hasil Simulasi Stabilitas Sistem Daya Setelah Interkoneksi Pada kondisi interkoneksi, stabilitas sudut rotor yang akan ditinjau adalah sudut rotor dari bus PLN PT. Ajinomoto, bus Generator PT. Ajinomoto, Bus PLN PT. Ajinex, dan bus Generator PT. Ajinex. Hasil simulasi stabilitas sudut rotor pada sistem ditunjukkan pada Gb. 15, sedangkan stabilitas frekuensi ditunjukkan pada Gb. 16. (a) (b) Gb. 15. Grafik sudut rotor = f(t) dengan gangguan (a) bus Generator (b) bus Beban 2F kondisi setelah interkoneksi
5 (a) (b) Gb. 16. Grafik frekuensi = f(t) dengan gangguan (a) bus Generator (b) bus Beban 2F kondisi setelah interkoneksi D. Skenario Pelepasan dan Beban 1) Skenario Pelepasan Untuk dapat mengetahui nilai sudut rotor dan frekuensi apabila terjadi pelepasan pada salah satu pembangkit yang bekerja pada PT. Ajinomoto Indonesia, Mojokerto Factory yang terjadi akibat gangguan permanen pada pembangkit tersebut yang mengakibatkan bus pembangkit mengalami pelepasan total, maka dilakukan simulasi untuk memperkirakan kestabilan sistem interkoneksi, dengan melakukan pelepasan setelah 1 detik sampai 20 detik pada PLN PT. Ajinomoto, Generator PT. Ajinomoto, PLN PT. Ajinex, dan Generator PT. Ajinex. TABEL 8 SKENARIO PELEPASAN PEMBANGKIT Pgen (MW) Maks Pgen (MW) Sebelum b) Pembuangan Beban Pgen (MW) Setelah PLN PT. Ajinomoto 18,0000 14,7968 9,78220 PLTGU PT. Ajinomoto 8,50000 5,50000 6,37500 PLN PT. Ajinex 12,0000 6,00000 9,00000 PLTGU PT. Ajinex 7,50000 4,50000 5,62500 Gb. 19. Grafik frekuensi = f(t) Generator dengan skenario pelepasan pada kondisi setelah interkoneksi dengan daya baru Pelepasan beban yang diijinkan adalah 15% dari beban total, diamana beban total sebesar 30,4981 MW, sehingga beban maksimum dapat dilepas sebesar 4,574715 MW. Pelepasan beban dilakukan dengan melepas satu atau lebih beban yang dirasa tidak terlalu penting dalam proses produksi, tetapi dengan syarat bahwa bus 4F, bus 7F, bus 8F PT. Ajinomoto dan bus 2F, bus 4F, bus 6F PT. Ajinex tidak boleh dilepas dikarenakan beban beban pada bus tersebut merupakan beban beban penting dan tidak boleh berhenti beroperasi apabila terjadi gangguan. Gb. 18. Grafik frekuensi = f(t) Generator dengan skenario pelepasan pada kondisi setelah interkoneksi Dari hasil grafik pada Gb. 18 dapat dilihat bahwa setelah terjadi pelepasan pembangkit pada PLN PT. Ajinomoto nilai frekuensi turun sampai dengan 49,35 Hz, sedangkan toleransi frekuensi dikatakan steady state adalah 49,5 50,5 Hz. Oleh karena itu diperlukan suatu strategi dalam menyiasatinya, yang pada skripsi ini dilakukan diantaranya dengan penyebaran pembebanan pembangkit dan pembuangan beban. a) Penyebaran Pembebanan Daya yang diberikan pada pembangkit PLTGU PT. Ajinomoto, PLN PT. Ajinex, dan PLTGU PT. Ajinex sebelumnya berkisar antara 50 % - 64,7 % dari daya maksimum pembangkit. Dengan menaikan daya yang diberikan oleh pembangkit PLTGU PT. Ajinomoto, PLN PT. Ajinex, dan PLTGU PT. Ajinex sampai dengan 75 % dari daya maksimum pembangkit, maka didapatkan grafik hasil yang ditunjukkan pada Gb. 22 dengan melakukan gangguan pada yang sama seperti sebelumnya. Gb. 20. Grafik frekuensi = f(t) Skenario pelepasan beban satu atau lebih dengan gangguan pada Generator PT. Ajinomoto kondisi setelah interkoneksi 2) Skenario Pelepasan Beban Sebelum dilakukan gangguan pada 0 1 detik frekuensi akan mengalami lonjakan sampai dengan 50,038 Hz. Pada saat dilakukan gangguan dan terjadi pelepasan setelah 1 detik, maka frekuensi pada semua akan mengalami pelonjakan nilai frekuensi.
6 Gb. 21. Grafik frekuensi = f(t) dengan pelepasan Beban pada kondisi interkoneksi Dari hasil grafik Gb. 21 dapat dilihat bahwa setelah terjadi pelepasan beban pada Beban 2F nilai frekuensi naik sampai dengan 50,896 Hz, sedangkan toleransi frekuensi dikatakan steady state adalah 49,5 50,5 Hz. Oleh karena itu diperlukan suatu strategi dalam menyiasatinya, pada skripsi ini, diantaranya adalah pelepasan pembangkit. a) Pelepasan Setelah dilakukan gangguan pada Beban 2F frekuensi akan naik sampai diluar batas steady state yaitu 49,5 50,5 Hz. Setelah dilakukan pelepasan maka nilai frekuensi akan kembali lagi dalam batas steady state. Sehingga sistem dapat terus berjalan sampai dengan perbaikan dan penyambungan kembali Beban 2F. dan frekuensi generator yang dapat kembali pada keadaan steady state setelah mengalami gangguan yang terjadi sesuai estimasi waktu gangguan pada analisis stabilitas. 2. Pada kondisi interkoneksi, sistem daya di PT. Ajinomoto Indonesia, Mojokerto Factory memiliki keadaan dimana pada saat terjadi pelepasan atau pun Beban terbesar pada sistem, maka sistem akan mengalami gangguan, untuk membuat kondisi steady state pada pelepasan terbesar (PLN PT. Ajinomoto) dilakukan 2 metode yaitu dengan cara penyebaran pembebanan pembangkit dan pembuangan beban, sedangkan untuk pelepasan Beban terbesar (Beban 2F) dilakukan metode pelepasan. 3. Generator yang dilengkapi dengan Turbine Governor dapat kembali ke kondisi sinkron lebih cepat dibandingkan generator yang tidak dilengkapi dengan Turbine Governor, sedangkan Automatic Voltage Regulator tidak berpengaruh terhadap stabilitas sudut rotor dan frekuensi generator. 4. Pada kondisi interkoneksi waktu pemutusan kritis generator lebih lama apabila dibandingkan dengan waktu pemutusan kritis generator pada kondisi sebelum interkoneksi B. Saran Dengan diketahuinya stabilitas sistem daya di PT. Ajinomoto Indonesia, Mojokerto Factory pada kondisi interkoneksi, maka perlu dilakukan sebuah analisis dan kajian lebih mendalam mengenai penerapan interkoneksi sistem daya oleh perusahaan. Selain itu juga dapat dilakukan pembahasan menagenai koordinasi rele pengaman, sehingga apabila pada sistem daya tersebut dilakukan interkoneksi atau pun terjadi gangguan dapat menghasilkan analisis yang lebih terperinci dengan hasil yang lebih optimal. REFERENCES Gb. 21. Grafik frekuensi = f(t) dengan pelepasan Beban 2F setelah itu melepas pada kondisi interkoneksi V. PENUTUP A. Kesimpulan Pada penelitian ini dapat diambil beberapa kesimpulan yang meliputi: 1. Pada kondisi sebelum interkoneksi, sistem daya di PT. Ajinomoto Indonesia, Mojokerto Factory masih dalam kondisi stabil. Hal tersebut terlihat dari kondisi sudut rotor [1] Natarajan, Ramasamy. 2002. Computer-Aided Power System Analysis. New York : Marcel Dekker, Inc. [2] IEEE-CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions. 2004. Definition and Classification of Power System Stability. IEEE Transactions on Power Systems. [3] Grainger, John J. & Stevenson, William D. 1994. Power Sistem Analysis. Singapore : Mcgraw-Hill. [4] Kundur, P. 1994. Power System Stability and Control. New York : McGraw-Hill. [5] Nugroho Ir., AD, MT. 2008. Optimasi Load Tap Changing Transformer Menggunakan Algoritma Genetika Guna Meminimalisasi Rugi Daya Transmisi. Tugas Akhir. Semarang: Jurusan Teknik Elektro Universitas Dipanegoro.