2 Jurnal SENMI 2010
STUDI PERENCANAAN SISTEM DISTRIBUSI DAYA LISTRIK
BERDASARKAN PERTUMBUHAN BEBAN
BERBASIS BIAYA INVESTASI MINIMUM
Adri Senen
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Bengkalis, Bengkalis – Riau
email : Ad_Senen@Yahoo.com
ABSTRAK
Kebutuhan akan energi listrik yang terus meningkat akan berakibat adanya penambahan
peralatan sistem distribusi, perubahan konstruksi/topologi jaringan, atau penggantian peralatan
sistem distribusi. Setiap perencanaan jaringan distribusi, biaya merupakan salah satu faktor penting
agar jaringan yang direncanakan tidak boros dalam pendanaan (investasi) namun jaringan yang
direncanakan sesuai dengan kriteria yang telah ditentukan dan dapat memenuhi kebutuhan energi
listrik bagi konsumen.
Oleh karena itu diperlukan suatu perencanaan sistem distribusi yang berbasis investasi minimum
serta mampu mengakomodir adanya pertumbuhan beban tiap tahun perencanan. Penelitian ini akan
coba menjawab dan menjembatani permasalahan tersebut. Penulis akan melakukan simulasi
perencanaan jaringan yang tentunya memenuhi kriteria/batasan perencanaan sistem distribusi
antara lain tegangan pada tiap node/bus beban dalam batas yang diizinkan, yaitu : sebesar 97% s.d.
103% dari tegangan nominal untuk kondisi marginal dan 95% s.d. 105% dari tegangan nominal untuk
kondisi kritikal, Kondisi tpembebanan trafo sebesar 90% untuk kondisi marginal dan 100% untuk
kondisi kritikal dan Tidak ada peralatan yang melebihi batas kemampuannya. Perencanaan dimulai
dari kondisi existing (tahun ke-1) dan memperlihatkan perkembangan sistem dari tahun ke tahun,
dalam tulisan ini perencanaan di targetkan sampai 10 tahun kedepan.
Kata kunci :Kebutuhan listrik, pertumbuhan beban, peralatan sistim distribusi, kriteria sistem distribusi
investasi dan perencanaan sistem distribusi
II. TINJAUAN UMUM
2.1. Transformator
2.1. 1. Dasar transformator
Trafo bekerja mengubah tenaga elektrik dari satu level tegangan ke level tegangan yang lain.
Terdiri dari dua pasang coil yang dikopel satu sama lain melalui suatu medan magnet. Persamaan
tegangan trafo berdasarkan jumlah lilitan pada belitan, sbb:
V1 = (
N1
)V2
N2
(1)
Pada kenyataannya, tidak semua fluks yang terkopel diantara belitan namun juga ada leakage flux,
leakage fluks ini akan menyebabkan terjadinya leakage reaktans yang menyebabkan jatuh tegangan di
antara belitan trafo. Leakage reaktans akan meningkat jika tegangan primer yang tinggi, rating kVA
yang besar dan inti yang besar.
2.1.2 Trafo distribusi 3 fasa
Trafo distribusi memiliki rating dari beberapa kVA s.d. beberapa MVA. Ukuran standar trafo
ditunjukan pada tabel 1 di bawah ini Rating lebih kecil dari 50 kVA memiliki impedansi lebih kecil
dari 2%. Rating 750 kVA sampai 2500 kVA memiliki impedansi ± 5.75%. Makin kecil impedansi
maka semakin baik regulasi tegangan transformator.
Konstruksi trafo 3 fasa biasanya berasal dari 3 buah trafo 1 fasa. Arus beban penuh pada tiap fasa
dari trafo 3 fasa adalah seperti ditunjukan pada persamaan 2:
I =
S kVA
S kVA
=
3VL −G ,kV
3VL − L ,kV
(2)
dimana:
SkVA
VL-G, kV
VL-L, kV
= Rating trafo (kVA)
= Rating tegangan Line-ground (kV)
= Rating tegangan Line-Line (kV)
2.1.3. Pembebanan trafo distribusi
Trafo distribusi memberikan keluaran sesuai dengan rating keluarannya, apabila diaplikasikan
pada kondisi berikut:
1. Tegangan sekunder tidak melebihi batas 105% rating. Trafo akan memilki kVA konstan apabila
dioperasikan pada 100% s.d. 105% rating tegangan.
2. Fakor Daya beban (pf) lebih besar dari 80%.
3. Frekuensi lebih besar dari 95% dari rating.
Trafo distrbusi modern memiliki satuan kenaikan sebesar 650C, artinya trafo akan memiliki
ekspektasi umur normal apabila dioperasikan pada temperatur belitan sebesar 650C dan titik terpanas
pada belitan tidak melebihi 800C.
2.1.4. Alokasi pembebanan berdasarkan rating trafo
Jika hanya rating trafo distribusi yang diketahui, maka saluran dapat dibebani berdasarkan
demand yang terukur dan rating kVA trafo. Misalkan node 1 adalah node sumber dengan tegangan
sebesar V1 kV dan asumsikan daya yang terukur di node 1 adalah sebesar P1 kW dan faktor daya
sebesar pf1, node 1 terhubung dengan trafo sebanyak n buah dengan rating sebesar kVAT1,
kVAT2…kVATn maka dapat dihitung kVA pada node 1 sebesar :
kVA = S1 =
P1
pf1
(3)
Faktor alokasi dapat dihitung dengan persamaan
AF =
S1
=
kVAT 1 + kVAT 2 + kVAT 3 + ... + kVATn
S1
n
∑ kVA
i =1
(4)
Ti
Sehingga sekarang alokasi untuk tiap trafo dapat dihitung dengan persamaan berikut:
STi = AF .kVATi
i = 1...n
(5)
2.2. Saluran Udara
2.2.1. Impedansi saluran udara
Saluran udara memiliki resistansi dan reaktansi yang membentuk impedansi. Nilai impedansi ini
berpengaruh terhadap jatuh tegangan, aliran daya, hubung singkat dan rugi-rugi daya. Resistansi dc
berbanding terbalik dengan luas konduktor saluran dan berubah terhadap suhu.
2.2.2. Jatuh tegangan pada saluran udara
Jatuh tegangan pada saluran dapat diaproksimasikan sebesar:
Vdrop = Vs − Vr ≈ I R .R + I X . X
(6)
dimana:
Vdrop = Jatuh tegangan disepanjang saluran (V).
R, X = Resistansi dan reaktansi saluran (Ω)
IR
= Arus saluran yang terjadi akibat aliran daya nyata (A)
IX
= Arus saluran yang terjadi akibat aliran daya reaktif (A)
2.3. Metoda Memperkecil Jatuh Tegangan
Persoalan tegangan (biasanya undervoltage) adalah persoalan yang sering terjadi pada peralatan.
Untuk mengetahui kondisi tegangan, pertama memeriksa sekunder trafo distribusi, jika terjadi jatuh
tegangan pada bagian sekunder, maka langkah selanjutnya adalah memeriksa pembebanan trafo,
pastikan ada atau tidaknya trafo yang overload. Jika permasalahan terjadi pada primer trafo distribusi,
segala sesuatu yang harus diperiksa adalah:
1. Terjadi pembeban tak seimbang, hal ini dapat menyebabkan terjadinya arus fasa yang tinggi dan
akan mengakibatkan jatuh tegangan tinggi.
2. Kapasitor tidak bekerja, menyebabkan faktor daya menjadi turun dan mengakibatkan jatuh
tegangan tinggi.
3. Regulator tidak bekerja, akan menyebabkan jatuh tegangan pada saluran.
Untuk memperkecil terjadinya jatuh tegangan dapat dilakukan dengan beberapa cara antara lain:
meningkatkan pf : peningkatan pf dapat dilakukan dengan pemasangan kapasitor, mengganti saluran
dengan ukuran yang lebih besar, membuat rangkaian setimbang, mengubah sistem satu fasa menjadi
tiga fasa, mengurangi beban dan mengurangi panjang saluran.
2.4. Kapasitor
Telah disebutkan bahwa kapasitor dapat memperkecil jatuh tegangan. Jika suatu sistem memiliki
beban pada pf rendah maka kapasistor akan memberikan energi yang disimpannya ke sistem, saat
beban melepaskan energi sisanya maka kapasitor akan menyerap energi tersebut. Sehingga kapasitor
dengan beban reaktif (pf rendah) saling mempertukarkan daya reaktif satu sama lain.
2.4.1 Rating kapasitor
Unit kapasitor memiliki rating 50 s.d. 500 kVar. Standar IEEE 18 mensyaratkan agara penggunaan
kapasitor tidak melewati limit berikut:
1. 135% nameplate kVAR
2. 110% tegangan rms
3. 135% arus nominal.
2.4.2. Kemampuan kapasitor meningkatkan tegangan
Kapasitor dapat meningkat tegangan. Arus reaktif yang melewati impedansi sistem akan
menyebabkan tegangan menjadi naik sebesar.
Vrise =
QkVAR X L
%
10VkV2 ,l −l
(8)
dimana:
XL
= Impedansi urutan positip sistem dari sumber ke kapasitor (Ω)
VkV,l-l = Tegangan saluran-saluran sistem (kV)
QkVAR = Rating bank 3 fasa (kVAR)
Semakin besar ukuran saluran (diameter) maka impedansi saluran akan makin kecil, dengan
demikian jatuh tegangan yang terjadi juga akan lebih kecil.
III. Metoda
Adapun metoda yang dilakukan adalah :
1. Digunakan metoda coba-coba (heuristic).
2. Hitung aliran daya pada topologi jaringan eksisting untuk mengevaluasi:
a. Profil Tegangan (Magnitud dan sudut) pada tiap node.
b. Aliran daya pada tiap segmen saluran (kW dan kVAR).
c. Total input pada saluran (kW dan kVAR)
3. Evaluasi besar arus vs kapasitas kabel dan jatuh tegangan setiap cabang. Jika arus atau jatuh
tegangan melampaui kriteria yang ditetapkan, lakukan perbaikan saluran (seperti meningkatkan pf
: peningkatan pf dapat dilakukan dengan pemasangan kapasitor, mengganti saluran dengan ukuran
yang lebih besar)
4. Evaluasi kapasitas trafo. Jika pembebanan trafo melampaui kriteria yang ditetapkan, maka
dilakukan perbaikan antara lain :
a. Pemasangan kapasitor
b. Penggantian trafo
c. Mutasi trafo
4. Ulangi langkah 2 sampai 4 untuk tiap tahun perencanaan.
5. Hitung investasi yang dibutuhkan untuk tiap alternative perbaikan jaringan yang dilakukan.
6. Kemudian menentukan besarnya biaya investasi minimum yang diperlukan agar kriteria dapat
dipenuhi
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Kondisi Existing Sistem Distribusi
4.1.1. Topologi jaringan
Adapun topologi jaringan digambarkan seperti pada gambar 1 berikut ini:
Gambar 1. Topologi Jaringan Kasus Uji
4.1.2. Data saluran
Line
L (m)
T(°C)
Line 1
Line 2
Line 3
Line 4
Line 5
Line 6
Line 7
Line 8
4000
5000
3000
2000
1500
1500
2500
2500
75
75
75
75
75
75
75
75
R
X
Y
0.443
0.206
0.443
0.443
0.443
0.443
0.206
0.206
0.3584
0.30109
0.3584
0.3584
0.3584
0.3584
0.30109
0.30109
4.7E-06
5.6E-06
4.7E-06
4.7E-06
4.5E-06
4.7E-06
5.6E-06
5.6E-06
MVAb
100
100
100
100
100
100
100
100
%R
44.3
25.75
33.23
22.15
16.61
16.61
12.88
12.88
%X
35.84
37.64
26.88
17.92
13.44
13.44
18.82
18.82
%Y
0.007441
0.011193
0.005581
0.003721
0.002725
0.002791
0.005597
0.005597
4.1.3. Data trafo
ID
Trafo1
Trafo2
Trafo3
Trafo4
Trafo5
Trafo6
Trafo7
MVA
0.25
0.25
0.4
0.2
0.25
0.35
0.175
Primary
Sec
kV
kV
20
20
20
20
20
20
20
0.38
0.38
0.38
0.38
0.38
0.38
0.38
%Z
X/R
6
4
6
6
6
6
4
5.8
5.8
5.8
5.8
5.8
5.8
5.8
4.2 Hasil Dan Analisa
Analisa pada kasus uji ini menggunakan metoda yang telah diuraikan secara ringkas pada
bagian sebelumnya. Untuk prakiraan beban sampai dengan 10 tahun mendatang. Diasumsikan
pertumbuhan beban adalah sebesar 5% /tahun dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
Fn = (1+0.1)n-1 .Setelah melakukan perhitungan prakiraan beban maka dilakukan perhitungan aliran
daya untuk sepuluh tahun mendatang, dari analisa aliran daya ini akan diketahui profile (arus saluran
tegangan tiap bus) untuk tiap-tiap komponen (bus, saluran dan trafo) pada topologi jaringan yang ada
pada kasus uji.
Analisa aliran daya ini menggunakan program aplikasi etap 4 dengan pemodelan topologi jaringan
seperti pada gambar 1. Hasil dari analisa aliran daya ini hanya akan menampilkan aliran daya pada
main feeder, yang berguna untuk menghitung komponen sistem distribusi (bus dan saluran) yang
berada diluar kriteria yang telah ditentukan sebelumnya. Dari analisa aliran daya didapatkan aliran
daya pada saluran dan resume komponen sistem distribusi radial yang berada diluar kriteria sebagai
seperti pada tabel 5 dan tabel 6 berikut. Sedangkan hasil simulasi keseluruhan dapat dilihat pada
tabel-tabel dibawah ini.
Gambar 4. Analisa aliran daya dengan menggunakan program aplikasi etap 4
Tabel 1. Hasil simulasi rugi-rugi saluran dan jatuh tegangan tahun ke-1
ID
Losses
kW
kVar
Voltage Drop
From
To
%
line1
line2
line3
line6
line4
line5
line7
0.1
1
1
0.2
0
0
0.3
-7.4
-9.7
-4.7
-2.6
-3.7
-2.7
-5.2
100
100
100
99.76
99.72
99.72
99.72
99.93
99.72
99.76
99.69
99.69
99.7
99.62
0.07
0.28
0.24
0.07
0.03
0.02
0.1
line8
0
-5.5
99.62
99.59
0.03
Tabel 2. Hasil simulasi rugi-rugi saluran dan jatuh tegangan tahun ke-10
ID
line1
line2
line3
line6
line4
line5
line7
line8
Losses
Voltage Drop
kW
kVar
From
To
%
0.1
2.4
2.4
0.4
0
0
0.6
0.1
-7.3
-7.6
-3.6
-2.4
-3.6
-2.7
-4.7
-5.4
100
100
100
99.64
99.57
99.57
99.57
99.42
99.9
99.57
99.64
99.53
99.53
99.54
99.42
99.37
0.1
0.43
0.36
0.11
0.04
0.03
0.15
0.05
Dari hasil simulasi aliran daya memperlihatkan bahwa Kapasitas arus kabel sampai 10 tahun
dengan pertumbuhan beban 5 %, ternyata kapasitas arus kabel masih mencukupi (umur diabaikan).
Hal ini dapat dilihat pada total rugi jaringan eksisting sebesar 2.6 Kw dari 1345 Kw atau 0,19 % dan
pada tahun 10 total rugi mencapai 6 Kw dari 2190,86 MVA atau 0,27 %. Jadi total rugi-rugi masih
jauh di bawah 2 %.
Tabel 3. Hasil simulasi pembebanan trafo tahun ke-1
ID
Trafo1
Trafo2
Trafo3
Trafo4
Trafo5
Trafo6
Trafo7
Kapasitas
(MVA)
0.25
0.25
0.4
0.2
0.25
0.35
0.175
Pembebanan
(MVA)
0.122
0.216
0.34
0.098
0.098
0.299
0.147
Presentase
(%)
48.9
86.3
85.1
49
39.1
85.5
83.9
Tabel 4. Hasil simulasi pembebanan trafo tahun ke-10
ID
Trafo1
Trafo2
Trafo3
Trafo4
Trafo5
Trafo6
Trafo7
Kapasitas
(MVA)
0.25
0.25
0.4
0.2
0.25
0.35
0.175
Pembebanan
(MVA)
0.186
0.329
0.517
0.149
0.149
0.461
0.224
Presentase
(%)
74.3
131.6
129.2
74.6
59.4
131.6
127.7
Dari hasil simulasi, didapatkan pofile dan kondisi tiap-tiap komponen berdasarkan batasan atau
kriteria yang telah ditetapkan sebelumnya. Untuk lebih lengkap dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Tabel 5. Resume Profile komponen sistem yang berada di luar kriteria
ID
Bus H0
Bus F0
Bus E0
Bus I0
Bus C0
Bus B0
Bus G0
Trafo2
Trafo3
Trafo6
1
Marginal
Marginal
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
2
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
3
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Aman
Marginal
Aman
Aman
4
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Marginal
Marginal
Aman
Tahun
5
6
Kritis
Kritis
Marginal
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Aman
Kritis
Kritis
Marginal
Kritis
Aman
Aman
7
Kritis
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Kritis
Kritis
Marginal
8
Kritis
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Kritis
Kritis
Marginal
9
Kritis
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Kritis
Kritis
Kritis
10
Kritis
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Kritis
Kritis
Kritis
Dari tabel 5 terlihat beberapa komponen jaringan dan trafo berada di luar criteria yang telah ditetapkan
(kondisi kritis). Oleh karena itu perlu dilakukan perbaikan jaringan dengan beberapa alternatif sebagai
berikut :
Alternatif 1
Berdasarkan hasil simulasi (seperti terlihat pada tabel 3.6) maka sebagai alternatif 1 untuk
mengatasi kondisi kritis tersebut agar trafo tidak mengalami overload maka dapat dilakukan
penggantian trafo. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Pergantian trafo
Old
ID Trafo
Trafo2
Trafo3
Trafo6
Trafo7
( MVA )
0.315
0.4
0.35
0.175
Pembebanan
New
tahun ke 10
( MVA )
( MVA )
0.329
0.4
0.471
0.63
0.44
0.63
0.214
0.25
Total Biaya
Diganti
tahun ke
Harga
( Rp )
34.209.000
51.326.000
51.326.000
27.385.000
164.246.000
4
5
8
5
=
Jadi, besarnya biaya invenstasi yang diperlukan untuk pergantian empat buah trafo pada tahun ke4,5 dan 8 agar sistem dapat berfungsi sesuai dengan kriteria yang telah ditetapkan adalah sebesar Rp.
164.246.000
Alternatif 2
Sebagai alternatif kedua untuk mengatasi kondisi tersebut adalah dengan melakukan
pemasangan kapasitor pada titik –titik beban tertentu, namun tetap dilakukan pergantian trafo. Lihat
tabel berikut:
Pemasangan kapasitor
Harga
Kapasitas
Dipasang
ID
Penempatan
tahun
Kap
(Mvar)
( Rp )
1 Beban2
0.1
4
400.000.000
2 Beban6
0.2
8
800.000.000
Total Biaya
=
1.200.000.000
Pergantian Trafo
ID Trafo
Trafo3
Trafo7
Old
( MVA )
0.4
0.175
Pembebanan
New
tahun ke 10
( MVA )
( MVA )
0.471
0.63
0.214
0.25
Total Biaya
Diganti
tahun ke
5
5
=
Harga
( Rp )
51.326.000
27.385.000
78.711.000
Jadi, besarnya biaya investasi yang dibutuhkan untuk alternatif kedua ini adalah
Rp. 78.711.000 + Rp. 1.200.000.000 = Rp. 79.911.000.000
Alternatif 3
Alternatif lain juga dapat dilakukan dalam rangka manajemen pembebanan trafo, yaitu:
pengantian dan mutasi trafo dimana trafo yang memiki beban kecil dimutasikan ke beban besar dan
begitu sebaliknya seperti ditunjukan pada tabel berikut:
ID
Trafo
Trafo2
Trafo3
Trafo6
Trafo7
Old
( MVA )
0.315
0.4
0.35
0.175
Pembebanan
tahun ke 10
New
( MVA )
( MVA )
0.329
0.4
0.471
0.63
0.44
0.63
0.214
0.35
Total Biaya
Diganti
tahun ke
4
4
5
5
Action
Mutasi dg Trafo 3
new
new
Mutasi dg Trafo 6
=
Harga
( Rp )
0
51326000
51326000
0
102652000
Hasil perhitungan di atas dapat ditentukan besarnya biaya mutasi dan penggantian trafo adalah
sebesar Rp. 102.652.000.
Dari semua alternatif, ternyata alternatif ketiga memberikan biaya investasi minimum yakni
melakukan pergantian dan mutasi trafo.
V. KESIMPULAN
1. Analisa aliran daya dapat memperlihatkan profil peralatan yang berada diluar kriteria, sehingga
memudahkan perencanaan.
2. Jatuh tegangan hanya terjadi pada bus tegangan rendah/sekunder, sehingga untuk memperbaikinya
hanya memerlukan penggantian trafo pada bus tersebut
3. Pembebanan trafo yang tidak merata menyebabkan manajemen trafo tidak efisien.
4. Trafo yang overload dapat diganti, dimutasi, maupun dilakukan pemasangan kapasitor di beban
kemudian dibandingkan besar biaya yang dibutuhkan untuk ketiga alternatif tersebut.
5. Hasil perhitungan menunjukan bahwa biaya investasi minimum untuk sistem tersebut adalah
alternatif ketiga yakni mutasi dan pergantian trafo.
DAFTAR PUSTAKA
[1] HP Schmidt, dkk, Fast Reconfiguration Of Distribution Systems Considering Loss Minimisation,
paper IEEE, 2005
[2] Hugh Rudnick dkk, Reconfiguration Of Electric Distribution System, paper, 1997
[3] Rina Irawati, Analisa Aliran Daya Jaringan Distribusi Radial, paper, SSTE, 2001
[4] William H K, Distributin Sistem Modeling and Analysis, CRC press, 2002
[5] X. Wang, Modern Power System Planning, Mc Graw Hill.
[6] Kersting, W.H, 2002, “Distribution System Modeling and Analysis”, CRC Press, Boca Raton
London New York Washington D.C.
BERDASARKAN PERTUMBUHAN BEBAN
BERBASIS BIAYA INVESTASI MINIMUM
Adri Senen
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Bengkalis, Bengkalis – Riau
email : Ad_Senen@Yahoo.com
ABSTRAK
Kebutuhan akan energi listrik yang terus meningkat akan berakibat adanya penambahan
peralatan sistem distribusi, perubahan konstruksi/topologi jaringan, atau penggantian peralatan
sistem distribusi. Setiap perencanaan jaringan distribusi, biaya merupakan salah satu faktor penting
agar jaringan yang direncanakan tidak boros dalam pendanaan (investasi) namun jaringan yang
direncanakan sesuai dengan kriteria yang telah ditentukan dan dapat memenuhi kebutuhan energi
listrik bagi konsumen.
Oleh karena itu diperlukan suatu perencanaan sistem distribusi yang berbasis investasi minimum
serta mampu mengakomodir adanya pertumbuhan beban tiap tahun perencanan. Penelitian ini akan
coba menjawab dan menjembatani permasalahan tersebut. Penulis akan melakukan simulasi
perencanaan jaringan yang tentunya memenuhi kriteria/batasan perencanaan sistem distribusi
antara lain tegangan pada tiap node/bus beban dalam batas yang diizinkan, yaitu : sebesar 97% s.d.
103% dari tegangan nominal untuk kondisi marginal dan 95% s.d. 105% dari tegangan nominal untuk
kondisi kritikal, Kondisi tpembebanan trafo sebesar 90% untuk kondisi marginal dan 100% untuk
kondisi kritikal dan Tidak ada peralatan yang melebihi batas kemampuannya. Perencanaan dimulai
dari kondisi existing (tahun ke-1) dan memperlihatkan perkembangan sistem dari tahun ke tahun,
dalam tulisan ini perencanaan di targetkan sampai 10 tahun kedepan.
Kata kunci :Kebutuhan listrik, pertumbuhan beban, peralatan sistim distribusi, kriteria sistem distribusi
investasi dan perencanaan sistem distribusi
II. TINJAUAN UMUM
2.1. Transformator
2.1. 1. Dasar transformator
Trafo bekerja mengubah tenaga elektrik dari satu level tegangan ke level tegangan yang lain.
Terdiri dari dua pasang coil yang dikopel satu sama lain melalui suatu medan magnet. Persamaan
tegangan trafo berdasarkan jumlah lilitan pada belitan, sbb:
V1 = (
N1
)V2
N2
(1)
Pada kenyataannya, tidak semua fluks yang terkopel diantara belitan namun juga ada leakage flux,
leakage fluks ini akan menyebabkan terjadinya leakage reaktans yang menyebabkan jatuh tegangan di
antara belitan trafo. Leakage reaktans akan meningkat jika tegangan primer yang tinggi, rating kVA
yang besar dan inti yang besar.
2.1.2 Trafo distribusi 3 fasa
Trafo distribusi memiliki rating dari beberapa kVA s.d. beberapa MVA. Ukuran standar trafo
ditunjukan pada tabel 1 di bawah ini Rating lebih kecil dari 50 kVA memiliki impedansi lebih kecil
dari 2%. Rating 750 kVA sampai 2500 kVA memiliki impedansi ± 5.75%. Makin kecil impedansi
maka semakin baik regulasi tegangan transformator.
Konstruksi trafo 3 fasa biasanya berasal dari 3 buah trafo 1 fasa. Arus beban penuh pada tiap fasa
dari trafo 3 fasa adalah seperti ditunjukan pada persamaan 2:
I =
S kVA
S kVA
=
3VL −G ,kV
3VL − L ,kV
(2)
dimana:
SkVA
VL-G, kV
VL-L, kV
= Rating trafo (kVA)
= Rating tegangan Line-ground (kV)
= Rating tegangan Line-Line (kV)
2.1.3. Pembebanan trafo distribusi
Trafo distribusi memberikan keluaran sesuai dengan rating keluarannya, apabila diaplikasikan
pada kondisi berikut:
1. Tegangan sekunder tidak melebihi batas 105% rating. Trafo akan memilki kVA konstan apabila
dioperasikan pada 100% s.d. 105% rating tegangan.
2. Fakor Daya beban (pf) lebih besar dari 80%.
3. Frekuensi lebih besar dari 95% dari rating.
Trafo distrbusi modern memiliki satuan kenaikan sebesar 650C, artinya trafo akan memiliki
ekspektasi umur normal apabila dioperasikan pada temperatur belitan sebesar 650C dan titik terpanas
pada belitan tidak melebihi 800C.
2.1.4. Alokasi pembebanan berdasarkan rating trafo
Jika hanya rating trafo distribusi yang diketahui, maka saluran dapat dibebani berdasarkan
demand yang terukur dan rating kVA trafo. Misalkan node 1 adalah node sumber dengan tegangan
sebesar V1 kV dan asumsikan daya yang terukur di node 1 adalah sebesar P1 kW dan faktor daya
sebesar pf1, node 1 terhubung dengan trafo sebanyak n buah dengan rating sebesar kVAT1,
kVAT2…kVATn maka dapat dihitung kVA pada node 1 sebesar :
kVA = S1 =
P1
pf1
(3)
Faktor alokasi dapat dihitung dengan persamaan
AF =
S1
=
kVAT 1 + kVAT 2 + kVAT 3 + ... + kVATn
S1
n
∑ kVA
i =1
(4)
Ti
Sehingga sekarang alokasi untuk tiap trafo dapat dihitung dengan persamaan berikut:
STi = AF .kVATi
i = 1...n
(5)
2.2. Saluran Udara
2.2.1. Impedansi saluran udara
Saluran udara memiliki resistansi dan reaktansi yang membentuk impedansi. Nilai impedansi ini
berpengaruh terhadap jatuh tegangan, aliran daya, hubung singkat dan rugi-rugi daya. Resistansi dc
berbanding terbalik dengan luas konduktor saluran dan berubah terhadap suhu.
2.2.2. Jatuh tegangan pada saluran udara
Jatuh tegangan pada saluran dapat diaproksimasikan sebesar:
Vdrop = Vs − Vr ≈ I R .R + I X . X
(6)
dimana:
Vdrop = Jatuh tegangan disepanjang saluran (V).
R, X = Resistansi dan reaktansi saluran (Ω)
IR
= Arus saluran yang terjadi akibat aliran daya nyata (A)
IX
= Arus saluran yang terjadi akibat aliran daya reaktif (A)
2.3. Metoda Memperkecil Jatuh Tegangan
Persoalan tegangan (biasanya undervoltage) adalah persoalan yang sering terjadi pada peralatan.
Untuk mengetahui kondisi tegangan, pertama memeriksa sekunder trafo distribusi, jika terjadi jatuh
tegangan pada bagian sekunder, maka langkah selanjutnya adalah memeriksa pembebanan trafo,
pastikan ada atau tidaknya trafo yang overload. Jika permasalahan terjadi pada primer trafo distribusi,
segala sesuatu yang harus diperiksa adalah:
1. Terjadi pembeban tak seimbang, hal ini dapat menyebabkan terjadinya arus fasa yang tinggi dan
akan mengakibatkan jatuh tegangan tinggi.
2. Kapasitor tidak bekerja, menyebabkan faktor daya menjadi turun dan mengakibatkan jatuh
tegangan tinggi.
3. Regulator tidak bekerja, akan menyebabkan jatuh tegangan pada saluran.
Untuk memperkecil terjadinya jatuh tegangan dapat dilakukan dengan beberapa cara antara lain:
meningkatkan pf : peningkatan pf dapat dilakukan dengan pemasangan kapasitor, mengganti saluran
dengan ukuran yang lebih besar, membuat rangkaian setimbang, mengubah sistem satu fasa menjadi
tiga fasa, mengurangi beban dan mengurangi panjang saluran.
2.4. Kapasitor
Telah disebutkan bahwa kapasitor dapat memperkecil jatuh tegangan. Jika suatu sistem memiliki
beban pada pf rendah maka kapasistor akan memberikan energi yang disimpannya ke sistem, saat
beban melepaskan energi sisanya maka kapasitor akan menyerap energi tersebut. Sehingga kapasitor
dengan beban reaktif (pf rendah) saling mempertukarkan daya reaktif satu sama lain.
2.4.1 Rating kapasitor
Unit kapasitor memiliki rating 50 s.d. 500 kVar. Standar IEEE 18 mensyaratkan agara penggunaan
kapasitor tidak melewati limit berikut:
1. 135% nameplate kVAR
2. 110% tegangan rms
3. 135% arus nominal.
2.4.2. Kemampuan kapasitor meningkatkan tegangan
Kapasitor dapat meningkat tegangan. Arus reaktif yang melewati impedansi sistem akan
menyebabkan tegangan menjadi naik sebesar.
Vrise =
QkVAR X L
%
10VkV2 ,l −l
(8)
dimana:
XL
= Impedansi urutan positip sistem dari sumber ke kapasitor (Ω)
VkV,l-l = Tegangan saluran-saluran sistem (kV)
QkVAR = Rating bank 3 fasa (kVAR)
Semakin besar ukuran saluran (diameter) maka impedansi saluran akan makin kecil, dengan
demikian jatuh tegangan yang terjadi juga akan lebih kecil.
III. Metoda
Adapun metoda yang dilakukan adalah :
1. Digunakan metoda coba-coba (heuristic).
2. Hitung aliran daya pada topologi jaringan eksisting untuk mengevaluasi:
a. Profil Tegangan (Magnitud dan sudut) pada tiap node.
b. Aliran daya pada tiap segmen saluran (kW dan kVAR).
c. Total input pada saluran (kW dan kVAR)
3. Evaluasi besar arus vs kapasitas kabel dan jatuh tegangan setiap cabang. Jika arus atau jatuh
tegangan melampaui kriteria yang ditetapkan, lakukan perbaikan saluran (seperti meningkatkan pf
: peningkatan pf dapat dilakukan dengan pemasangan kapasitor, mengganti saluran dengan ukuran
yang lebih besar)
4. Evaluasi kapasitas trafo. Jika pembebanan trafo melampaui kriteria yang ditetapkan, maka
dilakukan perbaikan antara lain :
a. Pemasangan kapasitor
b. Penggantian trafo
c. Mutasi trafo
4. Ulangi langkah 2 sampai 4 untuk tiap tahun perencanaan.
5. Hitung investasi yang dibutuhkan untuk tiap alternative perbaikan jaringan yang dilakukan.
6. Kemudian menentukan besarnya biaya investasi minimum yang diperlukan agar kriteria dapat
dipenuhi
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Kondisi Existing Sistem Distribusi
4.1.1. Topologi jaringan
Adapun topologi jaringan digambarkan seperti pada gambar 1 berikut ini:
Gambar 1. Topologi Jaringan Kasus Uji
4.1.2. Data saluran
Line
L (m)
T(°C)
Line 1
Line 2
Line 3
Line 4
Line 5
Line 6
Line 7
Line 8
4000
5000
3000
2000
1500
1500
2500
2500
75
75
75
75
75
75
75
75
R
X
Y
0.443
0.206
0.443
0.443
0.443
0.443
0.206
0.206
0.3584
0.30109
0.3584
0.3584
0.3584
0.3584
0.30109
0.30109
4.7E-06
5.6E-06
4.7E-06
4.7E-06
4.5E-06
4.7E-06
5.6E-06
5.6E-06
MVAb
100
100
100
100
100
100
100
100
%R
44.3
25.75
33.23
22.15
16.61
16.61
12.88
12.88
%X
35.84
37.64
26.88
17.92
13.44
13.44
18.82
18.82
%Y
0.007441
0.011193
0.005581
0.003721
0.002725
0.002791
0.005597
0.005597
4.1.3. Data trafo
ID
Trafo1
Trafo2
Trafo3
Trafo4
Trafo5
Trafo6
Trafo7
MVA
0.25
0.25
0.4
0.2
0.25
0.35
0.175
Primary
Sec
kV
kV
20
20
20
20
20
20
20
0.38
0.38
0.38
0.38
0.38
0.38
0.38
%Z
X/R
6
4
6
6
6
6
4
5.8
5.8
5.8
5.8
5.8
5.8
5.8
4.2 Hasil Dan Analisa
Analisa pada kasus uji ini menggunakan metoda yang telah diuraikan secara ringkas pada
bagian sebelumnya. Untuk prakiraan beban sampai dengan 10 tahun mendatang. Diasumsikan
pertumbuhan beban adalah sebesar 5% /tahun dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
Fn = (1+0.1)n-1 .Setelah melakukan perhitungan prakiraan beban maka dilakukan perhitungan aliran
daya untuk sepuluh tahun mendatang, dari analisa aliran daya ini akan diketahui profile (arus saluran
tegangan tiap bus) untuk tiap-tiap komponen (bus, saluran dan trafo) pada topologi jaringan yang ada
pada kasus uji.
Analisa aliran daya ini menggunakan program aplikasi etap 4 dengan pemodelan topologi jaringan
seperti pada gambar 1. Hasil dari analisa aliran daya ini hanya akan menampilkan aliran daya pada
main feeder, yang berguna untuk menghitung komponen sistem distribusi (bus dan saluran) yang
berada diluar kriteria yang telah ditentukan sebelumnya. Dari analisa aliran daya didapatkan aliran
daya pada saluran dan resume komponen sistem distribusi radial yang berada diluar kriteria sebagai
seperti pada tabel 5 dan tabel 6 berikut. Sedangkan hasil simulasi keseluruhan dapat dilihat pada
tabel-tabel dibawah ini.
Gambar 4. Analisa aliran daya dengan menggunakan program aplikasi etap 4
Tabel 1. Hasil simulasi rugi-rugi saluran dan jatuh tegangan tahun ke-1
ID
Losses
kW
kVar
Voltage Drop
From
To
%
line1
line2
line3
line6
line4
line5
line7
0.1
1
1
0.2
0
0
0.3
-7.4
-9.7
-4.7
-2.6
-3.7
-2.7
-5.2
100
100
100
99.76
99.72
99.72
99.72
99.93
99.72
99.76
99.69
99.69
99.7
99.62
0.07
0.28
0.24
0.07
0.03
0.02
0.1
line8
0
-5.5
99.62
99.59
0.03
Tabel 2. Hasil simulasi rugi-rugi saluran dan jatuh tegangan tahun ke-10
ID
line1
line2
line3
line6
line4
line5
line7
line8
Losses
Voltage Drop
kW
kVar
From
To
%
0.1
2.4
2.4
0.4
0
0
0.6
0.1
-7.3
-7.6
-3.6
-2.4
-3.6
-2.7
-4.7
-5.4
100
100
100
99.64
99.57
99.57
99.57
99.42
99.9
99.57
99.64
99.53
99.53
99.54
99.42
99.37
0.1
0.43
0.36
0.11
0.04
0.03
0.15
0.05
Dari hasil simulasi aliran daya memperlihatkan bahwa Kapasitas arus kabel sampai 10 tahun
dengan pertumbuhan beban 5 %, ternyata kapasitas arus kabel masih mencukupi (umur diabaikan).
Hal ini dapat dilihat pada total rugi jaringan eksisting sebesar 2.6 Kw dari 1345 Kw atau 0,19 % dan
pada tahun 10 total rugi mencapai 6 Kw dari 2190,86 MVA atau 0,27 %. Jadi total rugi-rugi masih
jauh di bawah 2 %.
Tabel 3. Hasil simulasi pembebanan trafo tahun ke-1
ID
Trafo1
Trafo2
Trafo3
Trafo4
Trafo5
Trafo6
Trafo7
Kapasitas
(MVA)
0.25
0.25
0.4
0.2
0.25
0.35
0.175
Pembebanan
(MVA)
0.122
0.216
0.34
0.098
0.098
0.299
0.147
Presentase
(%)
48.9
86.3
85.1
49
39.1
85.5
83.9
Tabel 4. Hasil simulasi pembebanan trafo tahun ke-10
ID
Trafo1
Trafo2
Trafo3
Trafo4
Trafo5
Trafo6
Trafo7
Kapasitas
(MVA)
0.25
0.25
0.4
0.2
0.25
0.35
0.175
Pembebanan
(MVA)
0.186
0.329
0.517
0.149
0.149
0.461
0.224
Presentase
(%)
74.3
131.6
129.2
74.6
59.4
131.6
127.7
Dari hasil simulasi, didapatkan pofile dan kondisi tiap-tiap komponen berdasarkan batasan atau
kriteria yang telah ditetapkan sebelumnya. Untuk lebih lengkap dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Tabel 5. Resume Profile komponen sistem yang berada di luar kriteria
ID
Bus H0
Bus F0
Bus E0
Bus I0
Bus C0
Bus B0
Bus G0
Trafo2
Trafo3
Trafo6
1
Marginal
Marginal
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
2
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
Aman
3
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Aman
Marginal
Aman
Aman
4
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Marginal
Marginal
Aman
Tahun
5
6
Kritis
Kritis
Marginal
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Aman
Kritis
Kritis
Marginal
Kritis
Aman
Aman
7
Kritis
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Kritis
Kritis
Marginal
8
Kritis
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Kritis
Kritis
Marginal
9
Kritis
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Aman
Kritis
Kritis
Kritis
10
Kritis
Kritis
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Marginal
Kritis
Kritis
Kritis
Dari tabel 5 terlihat beberapa komponen jaringan dan trafo berada di luar criteria yang telah ditetapkan
(kondisi kritis). Oleh karena itu perlu dilakukan perbaikan jaringan dengan beberapa alternatif sebagai
berikut :
Alternatif 1
Berdasarkan hasil simulasi (seperti terlihat pada tabel 3.6) maka sebagai alternatif 1 untuk
mengatasi kondisi kritis tersebut agar trafo tidak mengalami overload maka dapat dilakukan
penggantian trafo. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Pergantian trafo
Old
ID Trafo
Trafo2
Trafo3
Trafo6
Trafo7
( MVA )
0.315
0.4
0.35
0.175
Pembebanan
New
tahun ke 10
( MVA )
( MVA )
0.329
0.4
0.471
0.63
0.44
0.63
0.214
0.25
Total Biaya
Diganti
tahun ke
Harga
( Rp )
34.209.000
51.326.000
51.326.000
27.385.000
164.246.000
4
5
8
5
=
Jadi, besarnya biaya invenstasi yang diperlukan untuk pergantian empat buah trafo pada tahun ke4,5 dan 8 agar sistem dapat berfungsi sesuai dengan kriteria yang telah ditetapkan adalah sebesar Rp.
164.246.000
Alternatif 2
Sebagai alternatif kedua untuk mengatasi kondisi tersebut adalah dengan melakukan
pemasangan kapasitor pada titik –titik beban tertentu, namun tetap dilakukan pergantian trafo. Lihat
tabel berikut:
Pemasangan kapasitor
Harga
Kapasitas
Dipasang
ID
Penempatan
tahun
Kap
(Mvar)
( Rp )
1 Beban2
0.1
4
400.000.000
2 Beban6
0.2
8
800.000.000
Total Biaya
=
1.200.000.000
Pergantian Trafo
ID Trafo
Trafo3
Trafo7
Old
( MVA )
0.4
0.175
Pembebanan
New
tahun ke 10
( MVA )
( MVA )
0.471
0.63
0.214
0.25
Total Biaya
Diganti
tahun ke
5
5
=
Harga
( Rp )
51.326.000
27.385.000
78.711.000
Jadi, besarnya biaya investasi yang dibutuhkan untuk alternatif kedua ini adalah
Rp. 78.711.000 + Rp. 1.200.000.000 = Rp. 79.911.000.000
Alternatif 3
Alternatif lain juga dapat dilakukan dalam rangka manajemen pembebanan trafo, yaitu:
pengantian dan mutasi trafo dimana trafo yang memiki beban kecil dimutasikan ke beban besar dan
begitu sebaliknya seperti ditunjukan pada tabel berikut:
ID
Trafo
Trafo2
Trafo3
Trafo6
Trafo7
Old
( MVA )
0.315
0.4
0.35
0.175
Pembebanan
tahun ke 10
New
( MVA )
( MVA )
0.329
0.4
0.471
0.63
0.44
0.63
0.214
0.35
Total Biaya
Diganti
tahun ke
4
4
5
5
Action
Mutasi dg Trafo 3
new
new
Mutasi dg Trafo 6
=
Harga
( Rp )
0
51326000
51326000
0
102652000
Hasil perhitungan di atas dapat ditentukan besarnya biaya mutasi dan penggantian trafo adalah
sebesar Rp. 102.652.000.
Dari semua alternatif, ternyata alternatif ketiga memberikan biaya investasi minimum yakni
melakukan pergantian dan mutasi trafo.
V. KESIMPULAN
1. Analisa aliran daya dapat memperlihatkan profil peralatan yang berada diluar kriteria, sehingga
memudahkan perencanaan.
2. Jatuh tegangan hanya terjadi pada bus tegangan rendah/sekunder, sehingga untuk memperbaikinya
hanya memerlukan penggantian trafo pada bus tersebut
3. Pembebanan trafo yang tidak merata menyebabkan manajemen trafo tidak efisien.
4. Trafo yang overload dapat diganti, dimutasi, maupun dilakukan pemasangan kapasitor di beban
kemudian dibandingkan besar biaya yang dibutuhkan untuk ketiga alternatif tersebut.
5. Hasil perhitungan menunjukan bahwa biaya investasi minimum untuk sistem tersebut adalah
alternatif ketiga yakni mutasi dan pergantian trafo.
DAFTAR PUSTAKA
[1] HP Schmidt, dkk, Fast Reconfiguration Of Distribution Systems Considering Loss Minimisation,
paper IEEE, 2005
[2] Hugh Rudnick dkk, Reconfiguration Of Electric Distribution System, paper, 1997
[3] Rina Irawati, Analisa Aliran Daya Jaringan Distribusi Radial, paper, SSTE, 2001
[4] William H K, Distributin Sistem Modeling and Analysis, CRC press, 2002
[5] X. Wang, Modern Power System Planning, Mc Graw Hill.
[6] Kersting, W.H, 2002, “Distribution System Modeling and Analysis”, CRC Press, Boca Raton
London New York Washington D.C.