Analisis Stabilitas Transien dan Perancangan Pelepasan Beban Sistem Kelistrikan Distrik II PT. Medco E&P Indonesia, Central Sumatera Andy Kurniawan, Ontoseno Penangsang, Adi Soeprijanto Jurusan Teknik Elekto FTI ITS Abstrak - Sebagai perusahaan multinasional, kebutuhan listrik di PT. Medco E&P Indonesia Central Sumatera menjadi kebutuhan yang sangat penting. Dengan sistem operasional yang terus bekerja selama 24 jam sehari, dibutuhkan suplai daya listrik yang cukup dan berkualitas baik. Tegangan dan frekuensi listrik menjadi dua dari sekian banyak faktor yang menentukan kualitas listrik. Untuk itu perlu dilakukan pemodelan terhadap sistem kelistrikan PT. Medco E&P Indonesia Central Sumatera, khususnya Distrik II yang memiliki beban yang besar dan vital. Pada tugas akhir ini, analisis sistem tenaga yang dilakukan difokuskan pada analisa kestabilan transien yang meliputi kestabilan tegangan dan kestabilan frekuensi. Gangguan yang terjadi pada tugas akhir ini adalah gangguan akibat lepasnya pembangkit, motor starting, hubung singkat dan penyalaan beban. Gangguan akibat lepasnya salah satu generator di Distrik II mengakibatkan penurunan tegangan yang sangat besar, mencapai angka 70.64 %. Untuk mengatasi hal ini dibutuhkan tiga tahapan pelepasan beban (load shedding) dengan total beban yang dilepas sebesar 558 kw untuk menaikkan tegangannya hingga 97.32%. Kemudian untuk kasus penyalaan beban besar, juga terjadi penurunan tegangan hingga mencapai angka 85.69 %. Untuk itu diperlukan penggunaan kapasitor bank berkapasitas 500 kvar agar tegangan tetap stabil dan sesuai standar. Kata Kunci : Kestabilan transien, pelepasan beban, kapasitor bank I. PENDAHULUAN ebutuhan listrik dewasa ini semakin meningkat. KListrik merupakan energi yang sangat berpengaruh dalam kehidupan manusia. Oleh karena itu, kualitas listrik yang baik haruslah dipenuhi agar kebutuhan konsumen terpenuhi. Perubahan beban yang bervariatif berdampak pada kestabilan sistem. Jika daya mekanik pada poros penggerak awal tidak dengan segera menyesuaikan dengan besarnya daya elektrik pada beban listrik, maka frekuensi dan tegangan akan bergeser dari posisi normal. Perubahan yang signifikan dapat menyebabkan sistem keluar dari batas stabil. Oleh karena itu, perubahan beban harus diikuti dengan perubahan daya penggerak generator. Hal ini dimaksudkan agar terjadi keseimbangan antara daya beban dan daya suplai. Sehingga frekuensi dan tegangan sistem tetap terjaga pada posisi normal. Permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana sistem kelistrikan di Distrik II PT. Medco E&P Indonesia, Central Sumatera? 2. Bagaimana memodelkan sistem kelistrikan Distrik II PT. Medco E&P Indonesia, Central Sumatera ke dalam software ETAP 4.0? 3. Pengkajian ulang analisis kestabilan transien di Distrik II PT. Medco E&P Indonesia, Central Sumatera dengan memperhatikan respon generator dan bus, yang meliputi respon frekuensi dan tegangan. 4. Pertimbangan karakteristik beban sehingga diperoleh tingkatan load shedding yang handal serta koordinasinya dalam melepaskan beban II. TEORI PENUNJANG A. Stabilitas Sistem Pada sistem tenaga listrik yang stabil terdapat keseimbangan antara daya input mekanis pada prime mover dengan daya output elektris (beban listrik) pada sistem. Dalam kondisi stabil, semua generator berputar pada kecepatan sinkron. Jika sistem terkena gangguan, maka akan terjadi ketidakseimbangan antara daya input mekanis dan daya output elektis. Artinya terjadi perbedaan yang besar antara daya input mekanis dengan daya output elektris pada generator. Perbedaan ini dapat mengakibatkan percepatan pada putaran rotor generator atau sebaliknya. Apabila gangguan tidak segera dihilangkan, maka sistem akan keluar dari batas sinkron akibat percepatan dan perlambatan putaran rotor generator. B. Dinamika Rotor dan Persamaan Ayunan Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin serempak didasarkan pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen putar percepatan (accellerating torque) adalah hasil kali dari momenmomen kelembaman (moment of inertia) rotor dan percepatan sudutnya. Dalam sistem unit-unit MKS dan untuk generator serempak, persamaan ini dapat ditulis dalam bentuk: d 2 m J 2 dt θ = Ta = T m T e (2.1) dimana : J = Momen kelembaman total dari massa rotor dalam kgm 2 Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Page 1
θ m = Pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu sumbu yang diam (stationary),dalam radian mekanis t = Waktu, dalam detik T a = Momen putar percepatan bersih, dalam Nm T m = Momen putar mekanis atau poros (penggerak) yang diberikan oleh penggerak mula dikurangi dengan momen putar perlambatan (retarding) yang disebabkan oleh rugi-rugi perputaran, dalam Nm T e = Momen putar elektris atau elektromagnetis bersih, dalam Nm C. Pelepasan Beban (Load Shedding) Jika terjadi gangguan dalam sistem yang menyebabkan daya yang tersedia tidak dapat melayani beban, misalnya disebabkan oleh adanya unit pembangkit yang trip, maka untuk mencegah terjadinya collapse pada sistem perlu dilakukan pelepasan beban. Kondisi jatuhnya salah satu unit pembangkit dapat dideteksi dengan adanya penurunan frekuensi sistem yang drastis. a. Pelepasan Beban Secara Manual Pelepasan beban manual dilakukan pada saat sistem sistem mengalami defisit tiba tiba akibat gangguan pada unit pembangkit yang beroperasi atau naikknya beban yang diluar perkiraan. Pelepasan beban manual ini dilakukan untuk menghidari pelepasan beban yang lebih besar akibat bekerjanya UFR. Besarnya pelepasan beban manual ditentukan berdasarkan kebutuhan saat itu dan berlaku ke semua unit cabang yang disuplai oleh sistem berdasarkan beban cabang tersebut. b. Pelepasan Beban Secara Otomatis Pelepasan beban otomatis ini terjadi jika terjadi gangguan supply pembangkit yang mengakibatkan sistem mengalami defisit secara tiba tiba dan tidak dapat diseimbangkan dengan Manual Load Shedding. Pelepasan beban otomatis ini bekerja berdasarkan pengaturan setting frekuensi sistem yang menggunakan UFR (Under Frequency Relay) Skema pelepasan beban menurut standar ANSI/IEEE C37.106-1987 ada dua jenis, yakni pelepasan beban menggunakan tiga langkah dan pelepasan beban menggunakan enam langkah. Gambar 2.1 Grafik Perubahan Frekuensi Jika dimisalkan frekuensi menurun mengikuti garis 2, setelah mencapai titik B dilakukan pelepasan tahap pertama sesuai setting frekuensi fb dan seterusnya sampai tahap yang telah ditentukan berdasarkan besarnya perubahan frekuensi. Pada titik G dikatakan telah mencapai keseimbangan atau normal kembali setelah melalui beberapa tahap pelepasan beban. Penurunan frekuensi bisa mengikuti garis 1, garis 2 atau garis 3. Makin besar unit pembangkit yang jatuh yang berarti makin besar daya yang hilang maka frekuensi akan menurun dengan cepat. Selain itu kecepatan menurunnya frekuensi juga tergantung pada besar kecilnya konstanta inersia sistem. Selain penurunan frekuensi, parameter lain yang digunakan pada pelepasan beban adalah tegangan. Secara paralel penurunan daya reaktif akan mengakibatkan penurunan tegangan. Penurunan tegangan ini dapat diatasi dengan melakukan koordinasi peralatan yaitu pelepasan sementara sampai pelepasan total pengatur tegangan, pelepasan pengubah tap pada trafo, pelepasan reaktor shunt dan penghubungan kapasitor ke sistem. Step Tabel 2.1 Skema Load Shedding Tiga Langkah Frequency Percent of Load Trip Point Shedding (%) (Hz) Fixed Time Delay (Cycles) on Relay 1 59.3 10 6 2 58.9 15 6 3 58.5 As required to arrest decline before 58.2 Hz Step Tabel 2.2 Skema Load Shedding Enam Langkah Frequency Percent of Load Trip Point Shedding (%) (Hz) Fixed Time Delay (Cycles) on Relay 1 59.5 10 6 2 59.2 10 6 3 58.8 5 6 4 58.8 5 14 5 58.4 5 14 6 58.4 5 21 III. SISTEM KELISTRIKAN PT. MEDCO E&P INDONESIA, CENTRAL SUMATERA A. Sistem Kelistrikan Distrik II Distrik II memiliki sebuah power plant yang terdiri dari tiga buah generator. Pada kondisi normal, dua dari tiga generator tersebut bersifat normally close, sedangkan sisanya normally open. Seluruh beban di distrik dua disuplai oleh generator-generator ini tanpa suplai dari PLN. Ketiga generator tersebut identik dan masingmasing generator dapat menyuplai hingga 800 kw. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Page 2
Tiga buah generator di distrik dua terletak di Stasiun Pengumpul Minyak (SPM) Merbau. Selain untuk memenuhi kebutuhan listrik di SPM Merbau dan Mess Merbau, daya tersebut juga ditransmisikan ke SPM Kerumutan, SPM Kayu Ara, serta beban-beban lainnya. B. Simulasi a. Mode Operasi TS : Kondisi Operasi Normal B. Single Line Diagram Single line diagram PT. Medco E&P Indonesia Central Sumatera ditunjukkan pada Gambar 3.1 Gambar 4.1 Respon frekuensi CMNS #2 saat mode operasi normal Gambar 3.1 Single Line Diagram Distrik II PT. Medco E&P Indonesia Central Sumatera IV. SIMULASI DAN ANALISA A. Studi Kasus Stabilitas Transien Pada simulasi ini terdapat beberapa studi kasus yang akan dipergunakan, antara lain : a. CMNS #2 trip : Pada kondisi ini CMNS #2 lepas sehingga distrik dua hanya mengandalkan satu pembangkit (CMNS #1) sebagai sumber daya. b. Motor Starting : Pada Kondisi ini dilakukan simulasi penyalaan motor terbesar yang ada di dalam sistem. Hal ini bertujuan untuk melihat pengaruh starting motor terhadap kestabilan transien sistem c. Gangguan hubung singkat : Pada kondisi ini terjadi gangguan hubung singkat pada bus dengan beban motor yang memiliki peran vital dalam proses produksi d. Penyalaan beban besar : Kasus ini berkaitan dengan penyalaan beban besar saat sistem kembali normal setelah kasus CMNS #2 trip. Gambar 4.2 Respon tegangan bus saat mode operasi normal Pada kondisi operasi normal dapat dilihat bahwa frekuensi dan tegangan bus sistem masih dalam keadaan yang stabil, sesuai standar frekuensi 60±1.5% dan standar tegangan 100%(-10/+5). b. Mode Operasi Gen Off : CMNS #2 Delete Gambar 4.3 Respon frekuensi Bus Generator saat CMNS #2 lepas Gambar 4.4 Respon tegangan bus saat CMNS #2 lepas Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Page 3
Saat CMNS #2 lepas terjadi penurunan frekuensi hingga mencapai 94.05 % dari frekuensi nominal. Pada kondisi steady state, frekuensi mencapai 100.01 %. Selain berpengaruh kepada frekuensi, lepasnya CMNS #2 juga berpengaruh pada respon tegangan bus. Respon tegangan saat CMNS #2 lepas, turun secara signifikan. Pada kondisi steady state, tegangan pada Bus MB8, Bus KA35, dan Bus KRT28 berturut-turut mencapai 72.03 %, 71.02 % dan 70.64 %. d. Mode Operasi Gen Off LS 2: CMNS #2 Delete, Load Shedding 1, Load Shedding 2 c. Mode Operasi Gen Off LS 1: CMNS #2 Delete, Load Shedding 1 Gambar 4.7 Respon frekuensi Bus Generator setelah dilakukan LS 2 Gambar 4.5 Respon frekuensi Bus Generator setelah dilakukan LS 1 Gambar 4.8 Respon tegangan bus setelah dilakukan LS 2 Pada mode Gen Off LS 2 ini frekuensi turun hingga mencapai 95 %. Frekuensi kembali ke nilai 100 % pada kondisi steady state. Pada bus MB 8 tegangan pada kondisi steady state mencapai 88.25 %. Untuk tegangan bus KA35 adalah 87.55 %. Sedangkan untuk tegangan di bus KRT28 mencapai 87.01 % Gambar 4.6 Respon tegangan bus setelah dilakukan LS 1 Setelah dilakukan load shedding tahap pertama, penurunan frekuensi tidak sedalam sebelum dilakukan load shedding. Pada mode Gen Off LS 1 ini frekuensi turun hingga mencapai 95 %. Frekuensi kembali ke nilai 100.01 % pada kondisi steady state. Peningkatan tegangan pada setiap bus bervariatif, tetapi pola grafik respon tegangan cenderung sama. Pada kondisi steady state, tegangan pada Bus MB8, Bus KA35, dan Bus KRT28 berturut-turut adalah 79.48 %, 78.33 % & dan 77.97 %. e. Mode Operasi Gen Off LS 3: CMNS #2 Delete, Load Shedding 1, Load Shedding 2, Load Shedding 3 Gambar 4.9 Respon frekuensi Bus Generator setelah dilakukan LS 3 Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Page 4
g. Mode Operasi Short Circuit (SC) : Short Circuit Gambar 4.10 Respon tegangan bus setelah dilakukan LS 3 Setelah dilakukan pelepasan beban tahap ketiga, frekuensi pada kondisi steady state mencapai 100 %. Selain itu kenaikan juga terjadi di ketiga bus. Pada kondisi steady state, besarnya tegangan di Bus MB8, Bus KA35, dan Bus KRT28 berturut-turut adalah 97.32 %, 96.49 % dan 95.91 %. Gambar 4.13 Respon frekuensi bus setelah terjadi hubung singkat f. Mode Operasi MT Start : Motor Start Gambar 4.14 Respon tegangan bus setelah terjadi hubung singkat Gambar 4.11 Respon frekuensi bus setelah dilakukan motor starting Berdasarkan gambar di atas dapat dilihat bahwa gangguan hubung singkat dapat mengakibatkan osilasi yang cukup besar pada frekuensi bus generator. Tetapi osilasi frekuensi ini masih berada dalam batas aman. Grafik tegangan pada Bus KA35 dan Bus KRT28 berhimpitan. Tegangan pada Bus MB8 adalah 48.77 %. Sedangkan tegangan di Bus KA35 dan Bus KRT28 adalah 43.85 % dan 44.01 % pada saat steady state. Gangguan hubung singkat mengakibatkan tegangan bus jatuh ke nilai yang sangat rendah. h. Mode Operasi Short Circuit 2 (SC 2) : Short Circuit, CB Open Gambar 4.12 Respon tegangan bus setelah dilakukan motor starting Pada gambar 4.11 dan gambar 4.12 dapat dilihat bahwa proses penyalaan motor tidak terlalu berpengaruh terhadap respon frekuensi dan respon tegangan. Hal ini karena beban motor tersebut relatif kecil dibandingkan dengan suplai daya yang tersedia. Gambar 4.15 Respon frekuensi bus setelah CB trip Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Page 5
j. Mode Operasi Load Connect 2 : Capasitor Bank ON, CB Close Gambar 4.16 Respon tegangan bus setelah CB trip Pada gambar di atas dapat dilihat bahwa gangguan hubung singkat dapat menyebabkan osilasi pada frekuensi generator. Meskipun demikian, osilasi ini masih berada dalam batas aman. Terjadi voltage sagging dalam kasus SC 2. Terjadi kedip tegangan selama 0.016 detik dengan tegangan terendah 41.79 %. Kedip tegangan ini masih diizinkan karena masih memenuhi standar voltage sagging SEMI F47. Gambar 4.19 Respon frekuensi bus setelah load connect 2 i. Mode Operasi Load Connect : CB Close Gambar 4.20 Respon tegangan bus setelah load connect 2 Pada kasus ini, frekuensi generator mengalami osilasi saat beban dinyalakan. Perubahan frekuensi generator tidak terlalu berpengaruh pada kestabilan sistem. Tegangan minimum adalah 89.42 % yakni tepat pada saat penyalaan beban. Sedangkan tegangan steady state yang didapat mencapai 100 %. Gambar 4.17 Respon frekuensi bus setelah load connect Gambar 4.18 Respon tegangan bus setelah load connect Pada gambar 4.17 menunjukkan respon frekuensi saat beban tersebut dihubungkan kembali. Frekuensi berosilasi sesaat dengan nilai minimum sebesar 98.69 % dan nilai steady state sebesar 100 %. Sedangkan pada respon tegangan, terjadi penurunan tegangan yang cukup dalam pada masing-masing bus. Tegangan Bus MB8, Bus KA35, dan Bus KRT28 pada kondisi steady state adalah 87.15 %, 86.07 % dan 85.69 %. V. PENUTUP A. Kesimpulan Berdasarkan hasil yang didapatkan dari simulasi dan analisis pada tugas akhir ini, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: Lepasnya generator CMNS #2 menyebabkan jumlah beban yang ditanggung pembangkit lebih besar daripada kapasitas pembangkit. Hal ini menyebabkan tegangan bus main station turun hingga mencapai 70.64 %, sehingga dibutuhkan tiga tahapan pelepasan beban untuk mengembalikan tegangan ke dalam batas stabil. Sistem kelistrikan Distrik II PT. Medco E&P Indonesia Central Sumatera sangat handal dalam hal motor starting. Hal ini juga dikarenakan kapasitas motornya relatif kecil bila dibandingkan dengan suplai daya yang tersedia. Arus hubung singkat yang besar di Distrik II PT. Medco E&P Indonesia Central Sumatera menyebabkan kedip tegangan yang besar di daerah gangguan. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Page 6
Capasitor bank berkapasitas 500 kvar diperlukan untuk menyalakan beban yang besar pada masa recovery setelah terjadi gangguan lepas pembangkit. B. Saran Saran yang dapat diberikan untuk perbaikan dan pengembangan simulasi ini adalah sebagai berikut : Mengingat arus hubung singkat yang besar, yang menyebabkan kedip tegangan yang besar di daerah gangguan, maka diperlukan peralatan pemutus yang cepat dan handal Mengaktifkan capasitor bank sebesar 500 kvar sebagai metode alternatif untuk proses penyalaan beban yang besar. DAFTAR PUSTAKA [1] Penangsang, Ontoseno. Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga Listrik 2, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. [2] Marsudi, Djiteng, 2006, Operasi Sistem Tenaga Listrik, Yogyakarta : Graha Ilmu. [3] Robandi, Imam, 2006, Desain Sistem Tenaga Modern, Yogyakarta : Andi. [4] Harwati, Ririn, 2010, Analisis Stabilitas Transien Dan Perancangan Pelepasan Beban Pada Sistem Kelistrikan Pabrik 1 PT. Petrokimia Gresik, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. [5] ANSI/IEEE C37.106-1987, IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants. [6] Saadat, Hadi, 2004, Power System Analysis (Second Edition), McGraw-Hill Education (Asia), Singapore. [7] Putra, D.F.U, 2010, Analisis Kontingensi Sistem Kelistrikan Sulawesi Selatan Dan Barat, Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya. Penulis bernama lengkap Andy Kurniawan. Anak ketiga dari tiga bersaudara. Lahir pada tanggal 10 Juli 1988 di Tanjung Balai Karimun. Mengawali pendidikannya di SDN 002 Tanjung Balai Karimun pada tahun 1994 1999 dan SDN 016 Tampan Pekanbaru pada tahun 1999-2000. Kemudian melanjutkan pendidikan di SMPN 4 Pekanbaru pada tahun 2000-2003. Setelah itu, penulis melanjutkan jenjang pendidikannya di SMAN Plus Propinsi Riau pada tahun 2003 2006. Setelah lulus menyelesaikan pendidikannya di tingkat SMA pada tahun 2006, penulis meneruskan pendidikannya ke jenjang perkuliahan di Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Elektro, bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Semasa perkuliahan, penulis aktif menjalani kegiatan organisasi kampus. Menjadi tim Kesekretariatan dan Data Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro ITS periode 2008-2009. Penulis juga menjadi koordinator Lomba Cipta Elektroteknik Nasional (LCEN) XIV peride 2008-2009. Penulis dapat dihubungi melalui email andykur462@yahoo.com. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Page 7