Chapter II

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik
Berdasarkan sistem tenaga listrik konvensional, energi listrik dibangkitkan
pada pusat pembangkit dengan daya yang besar. Kemudian dinaikkan
tegangannya menjadi tegangan tinggi, tegangan ekstra tinggi, dan tegangan ultra
tinggi melalui transformator step-up untuk ditransmisikan. Selanjutnya tegangan
diturunkan kembali menjadi tegangan menengah melalui transformator step-down
untuk didistribusikan pada pusat beban, dan tegangannya diturunkan kembali
menjadi tegangan rendah melalui transformator distribusi agar dapat digunakan
oleh konsumen akhir.
Sistem distribusi tenaga listrik merupakan bagian dari sistem tenaga listrik
yang dimulai dari transformator step-down pada gardu induk jaringan transmisi
sampai pada konsumen akhir. Sistem distribusi dibagi menjadi dua bagian yaitu
distribusi primer dan distribusi sekunder. Jaringan distribusi yang dimulai dari
transformator step-down pada gardu induk jaringan transmisi sampai pada
transformator distribusi disebut jaringan distribusi primer. Sedangkan jaringan
distribusi yang dimulai dari transformator distribusi sampai pada konsumen akhir
disebut jaringan distribusi sekunder. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada
Gambar 2.1 [4].
4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2. 1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik
2.1.1 Sistem Distribusi Primer
Sistem distribusi primer dapat berupa Saluran Udara Tegangan Menengah
(SUTM) dan Saluran Kabel Tegangan Menengah (SKTM) baik hantaran udara
maupun di bawah tanah. Ada berbagai macam tipe jaringan dari sistem distribusi
primer [5].
2.1.1.1 Jaringan Distribusi Radial
Bentuk jaringan ini merupakan yang paling sederhana, banyak digunakan
dan murah. Dinamakan radial karena jaringan ditarik secara radial dari suatu titik
sumber jaringan dan dibagi ke dalam bentuk cabang pada setiap beban. Akibat
percabangan tersebut, arus yang mengalir pada setiap saluran tidaklah sama.
Adapun kelebihan dan kelemehan dari jaringan distribusi radial adalah:
 Kelebihan:
o Bentuknya sederhana
5
Universitas Sumatera Utara
o Biaya investasi yang relatif murah
 Kelemahan:
o Jatuh tegangan dan rugi-rugi daya relatif besar
o Kontinuitas pelayanan tidak handal, karena antara titik sumber
dan tidak beban hanya ada satu saluran. Sehingga jika terjadi
gangguan pada saluran tersebut maka seluruh beban sesudah
titik gangguan akan mengalami pemadaman secara total.
Untuk meminimumkan gangguan, pada jaringan radial ini dilengkapi
dengan
peralatan
pengaman
berupa
fuse,
sectionalizer,
recloser,
dan
disconnecting switch. Peralatan tersebut berfungsi untuk membatasi daerah yang
terkena gangguan. Jaringan tipe radial ini mempunyai beberapa bentuk
modifikasi, antara lain:
a. Jaringan Distibusi Radial Pohon
Jaringan distribusi radial pohon terdiri dari satu saluran utama untuk
melayani beban kemudian dibagi menjadi beberapa cabang (lateral), dan cabang
ini akan dibagi lagi menjadi beberapa cabang (sublateral). Tipe jaringan distribusi
radial pohon dapat dilihat pada Gambar 2.2.
6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2. 2 Jaringan Radial Tipe Pohon
b.
Jaringan Distribusi Radial Tie dan Switch Pemisah
Jaringan distribusi radial tipe tie and switch pemisah digunakan sebagai
modifikasi lanjutan dari tipe jaringan distribusi radial yang digunakan untuk
pemulihan layanan yang cepat. Hal ini dilakukan dengan cara mengalihkan bagian
penyulang yang tidak terganggu ke penyulang utama yang berdekatan. Gangguan
ini dapat diisolasi dengan membuka peralatan pengaman pada setiap bagian
penyulang yang terganggu. Jaringan distribusi radial tipe tie and switch pemisah
dapat dilihat pada Gambar 2.3.
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2. 3 Jaringan Radial Tipe Tie dan Switch Pemisah
c.
Jaringan Distribusi Radial dengan Tipe Pusat Beban
Jaringan distribusi radial tipe ini menggunakan express feeder sebagai
penyulang utama yang langsung menuju pusat beban, kemudian melalui pusat
beban disebar dengan menggunakan back feeder secara radial. Pada penyulang
express feeder ini tidak ada hubungan ke penyulang lain atau lateral. Jaringan
distribusi radial dengan tipe pusat beban dapat dilihat pada Gambar 2.4.
8
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2. 4 Jaringan Distribusi Radial dengan Tipe Pusat Beban
d.
Jaringan Distribusi Radial dengan Pembagian Phase Area
Pada jaringan distribusi radial dengan tipe pembagian phase area ini,
masing-masing fasa melayani area yang berbeda. Jaringan seperti ini dapat
menyebabkan ketiga fasa menjadi tidak seimbang bila diterapkan pada daerah
yang baru dan tidak merata pembagian bebannya. Oleh karenanya jaringan ini
cocok untuk daerah yang bebannya stabil dan jika ada penambahan beban maka
pembagiannya harus dapat diatur merata dan seimbang pada setiap fasanya.
Jaringan distribusi radial dengan tipe pembagian phase area dapat dilihat pada
Gambar 2.5.
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2. 5 Jaringan Distribusi Radial Tipe Phase Area
2.1.1.2 Jaringan Distribusi Loop
Pada jaringan distribusi loop, jaringan distribusinya membentuk ring,
dimana beban dilayani oleh dua buah jalur paralel dari gardu induk menuju beban.
Umumnya, ukuran penghantar penyulang loop dibuat sama sepanjang loop. Hal
ini dimaksudkan agar penghantar dapat memikul beban pada saat ditambahkan
beban bagian dari bagian loop yang lain.
Gangguan pada penyulang utama akan menyebabkan breaker penyulang
membuka, breaker akan tetap membuka sampai gangguan dihilangkan dari kedua
arah saluran. Jaringan distribusi loop menguntungkan untuk melayani beban
dimana keandalan menjadi hal yang sangat penting. Sebagai tambahan untuk
10
Universitas Sumatera Utara
jaringan distribusi loop, umumnya digunakan normally open lateral loop. Jaringan
distribusi loop dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2. 6 Jaringan Distribusi Loop
2.1.1.3 Jaringan Distribusi Net
Jaringan distribusi net merupakan sistem penyaluran tenaga listrik yang
dilakukan secara terus menerus oleh dua atau lebih penyulang pada gardu-gardu
dari berbagai pusat pembangkit tenaga listrik yang bekerja secara paralel. Jaringan
ini berbentuk jaring-jaring yang merupakan gabungan antara jaringan distribusi
radial dan loop.
Jaringan distribusi net ini mempunyai lebih banyak saluran alternatif,
sehingga jika terjadi gangguan pada salah satu penyulang maka sistem dengan
cepat akan menggantikan dengan penyulang yang lain untuk membantu daerah
yang terganggu tersebut. Dengan demikian kontinuitas penyaluran tenaga listrik
sangat terjamin. Jaringan distribusi net dapat dilihat pada Gambar 2.7.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2. 7 Jaringan Distribusi Net
Adapun kelebihan yang dimiliki dari jaringan distribusi net (jaring-jaring)
ini adalah:
 Kontinuitas penyaluran yang sangat terjamin.
 Kualitas tegangan yang baik dan rugi-rugi daya yang kecil.
 Lebih fleksibel dalam mengikuti perkembangan dan pertumbuhan
beban bila dibandingkan dengan jaringan distribusi lain.
Sedangkan kelemahan yang dimiliki oleh jaringan distribusi net (jaringjaring) ini adalah:
12
Universitas Sumatera Utara
 Memerlukan koordinasi perencanaan yang teliti dan rumit sebelum
pelaksanaan.
 Memerlukan biaya investasi yang cukup besar.
 Diperlukan tenaga ahli yang terampil dalam pengoperasian.
2.1.1.4 Jaringan Distribusi Spindle
Jaringan distribusi spindle merupakan pengembangan dari sistem jaringan
distribusi sebelumnya yang bertujuan untuk meningkatkan keandalan dan kualitas
sistem. Salah satu bentuk jaringan distribusi spindle yang populer adalah jaringan
spindle yang terdiri dari 6 penyulang dalam keadaan berbeban (working feeder)
dan satu penyulang dalam keadaan tanpa beban (express feeder). Express feeder
ini berfungsi sebagai cadangan pada saat terjadi gangguan pada salah satu working
feeder dan juga berfungsi untuk memperkecil jatuh tegangan pada jaringan
distribusi. Jaringan distribusi spindle ditunjukkan pada Gambar 2.8.
13
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2. 8 Jaringan Distribusi Spindle
2.1.2 Sistem Distribusi Sekunder
Sistem distribusi sekunder berfungsi menyalurkan energi listrik dari
transformator distribusi ke konsumen akhir. Pada sistem distribusi sekunder
bentuk saluran yang sering digunakan adalah saluran distribusi radial. Sistem
distribusi sekunder biasa disebut dengan jaringan distribusi tegangan rendah yang
terhubung langsung dengan konsumen, seperti yang terlihat pada Gambar 2.1.
14
Universitas Sumatera Utara
Besar tegangan untuk jaringan distribusi sekunder ini adalah 127/220 Volt
untuk sistem lama dan 220/380 Volt untuk sistem yang baru, serta 440/550 Volt
untuk keperluan industri.
2.2 Distributed Generation (DG)
Kebutuhan akan energi dari tahun ke tahun semakin meningkat seiring
dengan pertumbuhan ekonomi. Oleh sebab itu, energi terbarukan menjadi prioritas
utama untuk memenuhi kebutuhan akan energi listrik. Energi terbarukan adalah
energi yang dihasilkan dari sumber energi alami yang dapat diperbarui secara
terus-menerus bila dikelola dengan baik dan tidak akan pernah habis.
Studi yang dilakukan oleh Electric Power Research Institute (EPRI)
mengindikasikan bahwa pada tahun 2010, 25% dari pembangkit listrik baru
berasal dari pembangkit distributed generation, begitu juga dengan studi yang
dilakukan oleh Natural Gas Foundation menyimpulkan bahwa hal tersebut lebih
tinggi lagi mencapai 30%.
2.2.1 Definisi Distributed Generation
Sebutan dan definisi Distributed Generation (DG) pada berbagai negara
berbeda-beda. Distributed generation dapat didefinisikan sebagai pembangkit
tenaga listrik dengan skala kecil yang ditempatakan pada sisi beban dan
diinterkoneksikan pada jaringan distribusi.
Dewan kerja CIGRE mendefinisikan DG adalah unit pembangkit listrik
yang membangkitkan maksimum tenaga listrik 50 MW - 100 MW, dan biasanya
diinterkoneksikan pada jaringan distribusi tidak pada stasiun pusat pembangkit
tenaga listrik. IEEE mendefinisikan DG sebagai pembangkit yang menghasilkan
15
Universitas Sumatera Utara
energi listrik dengan kapasitas yang lebih kecil dibandingkan pusat-pusat
pembangki konvensional dan dapat diinterkoneksikan hampir pada semua titik
sistem tenaga listrik. Sedangkan IEA mendefinisikan DG sebagai unit yang
menghasilkan energi listrik pada sisi beban atau jaringan distribusi, dimana energi
listrik tersebut langsung disuplai ke beban [6].
2.2.2 Rating Distributed Generation
Kapasitas maximum pembangkitan energi listrik yang dapat dihasilkan
distributed generation seringkali dijadikan pedoman untuk mendefinisikannya.
Berdasrkan kapasitas maximum pembangkitan yang dapat dihasilkan, distributed
generation dapat dibedakan menjadi empat bagian, seperti yang diperlihatkan
pada Tabel 2.1 [7].
Tabel 2. 1 Jenis Distributed Generation Berdasarkan Kapasitas Pembangkitan
Jenis Distributed
Generation
Micro
Small
Medium
Large
Kapasitas Pembangkitan
Distributed Generation
~ 1 kW < 5 kW
5 kW < 5 MW
5 MW < 50 MW
50 MW < ~ 300 MW
2.2.3 Teknologi Distributed Generation
Ada begitu banyak teknologi dari distributed generation, DG dapat
dibedakan berdasarkan energi utama yang digunakan, yaitu sebagai berikut [2]:
2.2.3.1 Internal Combustion Engines
Internal
Combustion
Engines
(ICE)
menkonversikan
panas
dari
pembakaran bahan bakar untuk menggerakkan rotor pada sebuah generator yang
16
Universitas Sumatera Utara
diaplikasikan untuk distributed generation. Menurut International Energy Agency
(IEA) pada tahun 2002, ICE paling banyak digunakan untuk teknologi distributed
generation. Teknologi ICE memerlukan biaya yang rendah, rating yang bervariasi
dari kW sampai MW, efisiensinya bagus, dan handal dalam pengoperasian. ICE
juga memerlukan waktu start yang cepat ketika selama melakukan proses
menghidupkan ICE serta tidak memerlukan banyak tempat untuk pemasangan.
Hal itulah yang membuat teknologi ICE menjadi pilihan utama baik untuk
pembangkit cadangan maupun untuk pembangkit utama.
Suatu kendala penggunaan ICE adalah memerlukan biaya yang tinggi
untuk bahan bakar, perawatan yang sering, dan menghasilkan emisi yang tinggi
serta kebisingan dibandingkan teknologi distributed generation yang lain.
2.2.3.2 Turbin Gas
Turbin gas terdiri dari kompressor, ruang pembakaran, dan kopel turbin ke
generator agar dapat merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Teknologi
turbin gas sangat banyak digunakan
untuk industri, industri kecil yang
menggunakan turbin gas dengan rating 1 MW sampai 20 MW yang biasanya
diaplikasikan pada Combined Heat and Power (CHP). Biaya perawatan dan emisi
yang dihasilkan oleh turbin lebih rendah dari yang dihasilkan oleh ICE, tetapi
tingkat kebisingan yang dihasilkan masih tergolong tinggi.
2.2.3.3 Combined Cycle Gas Turbine
Pada Combined Cycle Gas Turbine (CCGT), campuran pembuangan
bahan bakar dan udara bertukar dengan air di dalam boiler yang digunakan untuk
menghasilkan uap panas yang digunakan untuk menggerakkan turbin. Uap panas
17
Universitas Sumatera Utara
tersebut masuk kedalam turbin untuk menghasilkan gaya mekanik tambahan,
sehingga dapat menggerakkan rotor generator. Kemudian aliran uap dari turbin
dikondensasi untuk dikembalikan lagi ke boiler.
CCGT sangat populer digunakan karena efisiensinya sangat tinggi. Namun
penggunaan gas turbin di bawah 10 MW tidak menggunakan combined cycle,
yang menyebabkan tidak efisien lagi.
2.2.3.4 Microturbines
Microturbines menghasilkan energi listrik AC dengan frekuensi tinggi.
Sebuah konverter daya digunakan untuk merubah frekuensi yang tinggi ini ke
dalam kisaran frekuensi yang dapat digunakan. Kapasitas satu unit microturbines
berkisar 30 kW sampai 200 kW, tetapi beberapa microturbines dapat digabungkan
menjadi beberapa unit. Temperatur pembakaran yang rendah membuat
microturbines menghasilkan emisi yang rendah dan juga menghasilkan kebisingan
yang rendah dibandingkan teknologi lain dengan ukuran yang sama.
Kebanyakan microturbines menggunakan gas alam sebagai bahan bakar,
penggunaan sumber energi terbarukan seperti ethanol juga memungkinkan untuk
digunakan. Kelemahan dari microturbines adalah masa kerja yang singkat dan
biaya yang tinggi dibandingkan dengan ICE.
2.2.3.5 Fuel Cells
Fuel cells merupakan peralatan elektrokimia yang merubah energi kimia
dari suatu bahan bakar menjadi energi listrik atau panas tanpa melakukan
pembakaran. Fuel cells sangat berbeda dengan teknologi lainnya karena pertama
kali yang dirubah adalah energi kimia dari suatu bahan bakar dirubah menjadi
18
Universitas Sumatera Utara
energi panas, dari energi panas tersebut dihasilkan energi mekanik, kemudian dari
energi mekanik tersebut dihasilkan energi listrik.
Fuel cells menghasilkan energi listrik dengan efisiensi yang tinggi berkisar
40% – 60% dengan tingkat emisi yang rendah dan beroperasi tanpa kebisingan.
Tantangan utama penggunaan fuel cells adalah biaya investasi yang tinggi.
2.2.3.6 Solar Photovoltaic
Solar photovoltaic (PV) melibatkan perubahan langsung cahaya matahari
menjadi energi listrik tanpa mesin pemanas. Penerapan sistem
PV sangat
mendukung karena paparan dari sinar matahri setiap hari, siklus kerja yang lama,
biaya operasi yang murah, perawatan yang mudah, ramah lingkungan, tersedia
juga untuk off-grid, serta waktu desain, pemasangan, dan memulai kerja yang
cepat. Kendala dari teknologi PV adalah biaya pemasangan yang tinggi
dibandingkan teknologi yang lainnya. Umumnya satu modul PV mempunyai
kapasitas dayanya berkisar 20 W sampai 200 kW.
2.2.3.7 Solar Thermal
Solar thermal menghasilkan energi listrik dengan mengkonsentratkan
cahaya matahari yang datang, dan kemudian menangkap cahaya matahari tersebut
untuk memanaskan cairan sampai pada suhu yang sangat tinggi untuk
menghasilkan uap panas dan kemudian memproduksi energi listrik.
Pengembangan
konsentrat
cahaya
matahari
memungkinkan
untuk
pembangkitan dari beberapa kW sampai ratusan MW. Satu contoh pembangkit
energi listrik solar thermal komersil dengan kapasitas 350 MW, yang berada pada
California Mojave Desert dan dikoneksikan dengan jaringan transmisi Edison.
19
Universitas Sumatera Utara
2.2.3.8 Tenaga Angin
Tenga angin memainkan peranan penting dalam pembangkit listrik yang
memanfaatkan energi terbarukan. Tantangan utama dari teknologi tenaga angin
adalah penyaluran energi listrik yang masih terputus dan keandalan jaringan.
Karena teknologi ini memanfaatkan kekuatan alam yang tidak bisa tersedia terus
menerus.
2.2.3.9 Small Hydro Power
Small hydro power memanfaatkan tenaga air sebagai sumber energi utama
dengan kapasitas pembangkitan di bawah 10 MW. Istilah lain yang sering
digunakan adalah miny hidropower dengan kapasitas 100 kW sampai dengan 1
MW, dan micro hidropower dengan kapasitas dibawah 100 kW.
2.2.3.10 Panas Bumi
Panas bumi adalah energi yang dihasilkan dari emisi panas dari dalam
bumi, biasanya dalam bentuk uap panas atau air panas. Pembangkit listrik tenaga
panas bumi membutuhkan biaya investasi yang tinggi tetapi biaya operasional
yang rendah. Teknologi panas bumi ini ramah lingkungan yang tidak
menghasilkan gas emisi CO2 selama operasinya.
2.2.3.11 Biomassa
Sumber energi biomassa berasal dari sampah pertanian atau perkebunan,
hewan yang membusuk, sampah dari hutan, limbah industri, dan lain-lain. Energi
biomassa dapat menghasilkan energi listrik atau panas dari berbagai proses. Pada
umumnya, untuk menghasilkan energi listrik dengan memanfaatkan sumber
energi biomassa menggunakan siklus uap panas, uap panas tersebut dihasilkan
20
Universitas Sumatera Utara
dari material sumber energi biomassa yang terlebih dahulu dikonversikan di
dalam boiler. Kemudian, uap panas yang dihasilkan digunakan untuk
menggerakkan turbin generator.
2.2.3.12 Tenaga Pasang Surut
Energi pasang surut berasal dari pergerakan gaya gravitasi antara bumi dan
bulan, serta bumi dan matahari. Bendungan yang panjang dibangun melintasi
muara sungai, ketika air pasang surut masuk keluar maka akan melewati
terowongan bendungan. Surutnya dan mengalirnya aliran air tersebut dapat
digunakan untuk menggerakkan turbin. Ketika air pasang datang, air tersebut
disimpan di waduk penampung yang terletak di belakang bendungan. Ketika air
surut, air yang disimpan di waduk penampung tersebut digunakan untuk
menggerakkan turbin, sehingga turbin dapat terus digerakkan.
Seperti pembangkit energi terbarukan lainnya, pembangkit listrik tenaga
pasang surut juga ramah lingkungan. Biaya perawatan dan operasi juga tidak
tinggi. Namun biaya pembangunan bendungan membutuhkan biaya yang besar
dan memakan banyak tempat.
2.2.4 Keuntungan Distributed Generation
Dengan diinterkoneksikan distributed generation pada sistem jaringan
distribusi tenaga listrik yang telah ada, dimana untuk melayani kebutuhan energi
listrik, ada beberapa keuntungan pada jaringan distribusi itu sendiri, diantaranya
[8]:
1. Meningkatkan ketersediaan dan kehandalan dari energi listrik.
2. Dapat mengurangi beban puncak.
21
Universitas Sumatera Utara
3. Dapat menghemat energi, karena sumber energi utama distributed
generation memanfaatkan energi yang terbarukan.
4. Dapat menjadi alternatif untuk kompensasi daya reaktif, karena jika
diinterkoneksikan pada jaringan yang telah ada dapat mengurangi rugirugi daya.
5. Mengurangi harmonisa dan tegangan kedip.
6. Dalam proses pembangkitan energi listrik, distributed generation
bersifat ramah lingkungan, karena emisi CO2 yang dihasilkan rendah.
2.2.5 Dampak Interkoneksi Distributed Generation
Seiring dengan kenaikan akan kebutuhan energi listrik, sistem tenaga
listrik telah berkembang dari tahun ke tahun. Pada saat sekarang, pembangkit
listrik energi terbarukan menjadi salah satu pilihan dengan berkurangnya sumber
energi yang tidak dapat diperbarui. Biasanya suatu sistem pembangkit energi
terbarukan diinterkoneksikan dengan jaringan distribusi pada sisi beban, dimana
sistem tersebut telah meninggalkan sistem tenaga listrik konvensional.
Pada sistem tenaga listrik konvensional energi listrik dibangkitkan pada
stasiun pusat pembangkit dengan daya yang besar. Kemudian pada stasiun ini,
tegangan dinaikkan menjadi tegangan tinggi, ekstra tinggi, dan ultra tinggi untuk
ditransmisikan dengan jarak yang jauh dan diinterkoneksikan dengan sistem
transmisi tenaga listrik. Kemudian tegangan tinggi tersebut diturunkan menjadi
tegangan menengah untuk didistribusikan pada jaringan distribusi, dan diturunkan
lagi menjadi tegangan rendah yang menuju beban. Sistem tenaga listrik yang
22
Universitas Sumatera Utara
demikian disebut dengan sistem tenaga listrik konvensional dan dapat dilihat pada
Gambar 2.2 [1].
Gambar 2. 9 Sistem tenaga listrik konvensional
Dengan ditinggalkannya sistem tenaga listrik konvensional, tentu saja
akan merubah operasi sistem dan kontrol pada sistem tenaga listrik. Tanpa
diinterkoneksikan DG pada jaringan distribusi, arah aliran daya pada sistem selalu
bergerak satu arah dari stasiun pusat pembangkit sampai pada beban, dengan
diinterkoneksikan DG pada jaringan distribusi akan berdampak pada pola aliran
daya. Aliran daya yang satu arah pada sistem tenaga listrik konvensional tidak
dapat dianggap lagi dengan adanya DG pada jaringan distribusi. Akibatnya,
dengan adanya DG pada jaringan distribusi akan berdampak pada operasi sistem
dan kontrol jaringan distribusi. Interkoneksi DG pada jaringan distribusi dapat
dilihat pada Gambar 2.3 [1].
23
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2. 10 Interkoneksi DG pada jaringan distribusi
Pada jaringan distribusi radial, tegangan akan turun pada akhir penyulang
jaringan distribusi, hal ini dikarenakan jatuh tegangan. Dengan adanya DG pada
jaringan distribusi hal tersebut akan berubah. DG akan menaikkan tegangan pada
pada titik interkoneksi DG, sehingga tegangan pada sepanjang penyulang jaringan
distribusi juga akan mengalami kenaikan. Untuk itu perlu dilakukan studi aliran
daya pada jaringan distribusi yang diinterkoneksikan DG, agar operasi sistem
distribusi dapat berjalan dengan baik.
2.3 Studi Aliran Daya
Studi aliran daya sangat penting dalam perencanaan pengembangan suatu
sistem untuk masa yang akan datang, karena pengoperasian yang baik dari sistem
tersebut banyak tergantung pada diketahuinya efek interkoneksi dengan sistem
yang lain, seperti beban yang baru, stasiun pembangkit yang baru, saluran
24
Universitas Sumatera Utara
transmisi yang baru, serta saluran distribusi yang baru. Sehingga dengan
dilakukan studi aliran daya kita dapat mengetahui kondisi operasional sistem
tenaga listrik. Informasi yang diperoleh dari studi aliran daya adalah besar dan
sudut fasa tegangan pada setiap bus dan daya aktif dan reaktif yang mengalir pada
setiap saluran.
2.3.1 Konsep Perhitungan Aliran Daya
Perhitungan aliran daya pada dasarnya adalah menghitung besar tegangan
dan sudut fasa setiap bus pada kondisi tunak dan dengan beban seimbang. Hasil
perhitungan ini dilakukan untuk mengukur daya aktif dan daya reaktif yang
mengalir pada jaringan, besarnya daya aktif dan daya reaktif yang harus
dibangkitkan pada stasiun pembangkit, serta rugi-rugi daya pada jaringan.
Pada setiap bus ada 4 variabel operasi yang terkait, yaitu daya aktif, daya
reaktif, besar tegangan, dan sudut fasa tegangan. Supaya persamaan aliran daya
dapat dihitung 2 dari 4 variabel diatas harus diketahui untuk setiap bus, sedangkan
variabel yang lainnya dihitung. Setiap bus dalam sistem tenaga listrik
dikelompokkan menjadi 3 tipe bus, yaitu [9]:
1. Bus beban, pada bus beban variabel yang diketahui adalah daya aktif P dan
daya Reaktif Q, sedangkan besar tegangan (V) dan sudut fasanya δ dihitung.
Bus beban sering juga disebut bus P-Q.
2. Bus generator, pada bus generator variabel yang diketahui adalah besar
tegangan (V) dan daya aktif P, sedangkan sudut fasa tegangan δ dan daya
reaktif dihitung. Bus generator sering juga disebut bus P-V.
25
Universitas Sumatera Utara
3. Bus referensi, pada bus referensi variabel yang diketahui adalah besar tegangan
(V) dan sudut fasanya δ, sudut fasa δ pada bus referensi menjadi acuan untuk
sudut fasa tegangan pada bus yang lain.
Untuk lebih jelasnya dari pembagian tipe bus, dapat dilihat dari tabel berikut:
Tabel 2. 2 Tipe Bus Pada Sistem Tenaga Listrik
Tipe Bus
Nilai yang
Diketahui
Nilai yang
Dihitung
Bus beban
P, Q
V, δ
Bus generator
P, V
Q, δ
Bus referensi
V, δ
P, Q
2.3.2 Persamaan Aliran Daya
Suatu sistem tenaga listrik tidak hanya terdiri dari 2 bus tetapi terdiri dari
beberap bus yang saling diinterkoneksikan satu sama lain. Diagram satu garis
beberapa bus dari suatu sistem tenaga diperlihatkan pada Gambar 2.11 [9] [10].
Vi
V1
yi1
yi 2
Ii
V2
yin
Vn
yi0
Gambar 2. 11 Diagram satu garis dari n-bus dalam suatu sistem tenaga
Arus pada bus i dapat ditulis:
26
Universitas Sumatera Utara
= (
=
+
+
+
−
+ … + +
)
−
−
+ … + −
(
−
− … − )
(2.1)
Kemudian kita definisikan:
=
+
+
+ … + = −
= −
↓
= −
Admitansi Y dapat kita tulis dalam bentuk persamaan matriks sebagai berikut:
=
⋮
… ⋮
… ⋮
(2.2)
Sehingga Ii pada Persamaan (2.1) dapat ditulis:
=
+
+
+ … + (2.3)
Atau dapat ditulis:
+ ∑
=
(2.4)
Persamaan daya pada bus i adalah:
−
=
∗
; dimana
=
∗
adalah V conjugate pada bus i
∗
(2.5)
Dengan mensubsitusikan Persamaan (2.5) ke Persamaan (2.4), maka diperoleh:
27
Universitas Sumatera Utara
∗
+ ∑
=
(2.6)
Dari Persamaan (2.6) terlihat bahwa persamaan aliran daya bersifat tidak
linear dan harus diselesaikan dengan metode iterasi.
2.3.3 Metode Penyelesaian Aliran Daya
Pada sistem n-bus, penyelesaian aliran daya menggunakan persamaan
aliran daya. Metode yang umum digunakan untuk menyelesaikan aliran daya
adalah metode Gauss-Seidel, Newton-Raphson, dan Fast Decoupled. Tetapi
metode yang dibahas pada Tugas Akhir ini adalah Newton-Raphson.
2.3.3.1 Metode Newton-Raphson
Pada suatu bus, dimana diberikan besaranya tegangan dan daya reaktif
tidak diketahui, unsur nyata dan khayal tegangan untuk setiap iterasi didapatkan
dengan pertama-tama menghitung nilai daya aktif dan reaktif. Dari Persamaan
(2.6) kita peroleh:
−
Dimana =
+ ∑
= (
)
∗
(2.7)
, sehingga diperoleh:
=
= −
∗
∑
{
∗
∑
(2.8)
}
(2.9)
Untuk menerapkan metode Newton-Raphson pada penyelesaian persamaan
aliran daya kita menyatakan tegangan bus dan admitansi saluran dalam bentuk
polar. Jika kita pilih bentuk polar dan kita uraikan Persamaan (2.7) kedalam unsur
nyata dan khayalnya dengan:
28
Universitas Sumatera Utara
= | |∠
= | |∠
= |
|∠
Sehingga didapat:
= ∑
−
= ∑
= −∑
| | |cos(
| | ∠
|sin(
+
+
+
−
−
−
)
)
(2.10)
(2.11)
(2.12)
Persamaan (2.11) dan (2.12) merupakan langkah awal perhitungan aliran
daya dengan metode Newton-Raphson. Penyelesaian aliran menggunkan proses
iterasi (k+1), untuk iterasi pertama nilai k = 0, pada itersi merupakan nilai
perkiraan awal yang ditetapkan sebelum dimulai perhitungan aliran daya.
Hasil perhitungan daya menggunakan Persamaan (2.11) dan (2.12) akan
diperoleh nilai
dan ∆
( )
( )
dan
( )
. Hasil ini digunakan untuk menghitung nilai ∆
( )
menggunakan persamaan berikut:
∆
∆
( )
( )
=
=
−
−
( )
( )
(2.13)
(2.14)
Hasil perhitungan Persamaan (2.13) dan (2.14) digunakan untuk
membentuk matriks Jacobian, persamaan matriks Jacobian dapat dilihat pada
Persamaan (2.15).
29
Universitas Sumatera Utara
∆
∆
∆
∆
( )
:
( )
( )
:
( )
( )
…
:
:
( )
=
( )
:
( )
|
( )
…
:
:
:
( )
…
( )
|
|
:
|
…
:
|
( )
|
…
|
( )
:
( )
…
( )
|
…
:
|
( )
|
|
:
∆
( )
|
…
|
( )
|
( )
|
:
( )
|
∆
∆
∆
( )
:
( )
( )
:
(2.15)
( )
Seacara umum Persamaan (2.15) dapat kita sederhanakan ke dalam Persamaan
(2.16).
∆
∆
( )
∆ ( )
∆| |( )
=
( )
(2.16)
Unsur Jacobian diperoleh dengan membuat turunan parsial dari Persamaan
(2.11) dan (2.12) dan memasukkan nilai tegangan perkiraan pada iterasi pertama
atau yang diperhitungkan dalam yang terdahulu dan terakhir. Dari Persamaan
(2.11) dan (2.12) kita dapat menulis matriks Jacobian sebagai berikut:
Elemen J1 adalah:
= − | = ∑
|sin(
| +
|sin(
−
+
)
−
(2.17)
)
(2.18)
−
(2.19)
Elemen J2 adalah:
| |
= 2| ||
| cos
|
|
= |
+ ∑
|
|| | cos
|| | cos
+
+
−
(2.20)
30
Universitas Sumatera Utara
Elemen J3 adalah:
= ∑
| ||
= − | ||
|| | cos
|| | cos
+
−
+
−
|| | sin
+
(2.21)
(2.22)
Elemen J4 adalah:
| |
= − 2| ||
| sin
|
|
− ∑
= −|
|
|| | sin
+
−
−
(2.23)
(2.24)
Setelah nilai matriks Jacobian didapat, maka kita dapat menghitung nilai
∆
( )
dan ∆|
( )
| dengan cara menginvers matriks Jacobian. Sehingga diperoleh
Persamaan (2.19).
Setelah nilai ∆
( )
∆
∆|
( )
( )
|
∆
∆
=
dan ∆| |(
)
( )
(2.25)
( )
didapat, kita dapat menghitung nilai
tersebut untuk iterasi berikutnya, yaitu dengan menambahkan nilai ∆
( )
dan
( )
∆| | , sehingga diperoleh Persamaan (2.26) dan (2.27).
(
|
)
(
=
)
( )
|= |
+ ∆
( )
| + ∆|
(2.26)
|
(2.27)
Hasil perhitungan Persamaan (2.26) dan (2.27) digunakan lagi untuk
proses iterasi selanjutnya, yaitu dengan memasukkan nilai ini ke dalam Persamaan
31
Universitas Sumatera Utara
(2.11) dan (2.12) sebagai langkah awal perhitungan aliran daya. Proses ini
dilakukan terus menerus yaitu n-iterasi sampai diperoleh nilai yang konvergen.
Secara ringkas metode perhitungan aliran daya menggunkan metode
Newton-Raphson dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut:
1. Hitung nilai
dan
yang mengalir ke dalam sistem pada setiap bus
untuk nilai yang diperkirakan dari besar tegangan (V) dan sudut fasanya δ
untuk iterasi pertama atau nilai tegangan yang ditentukan paling akhir untuk
iterasi berikutnya.
2. Hitung
pada setiap rel.
3. Hitunglah nilai-nilai untuk Jacobian dengan menggunakan nilai-nilai perkiraan
atau yang ditentukan dari besar dan sudut fasa tegangan dalam persamaan
untuk turunan parsial yang ditentukan dengan persamaan diferensial Persamaan
(2.11) dan (2.12).
4. Invers matriks Jacobian dan hitung koreksi-koreksi tegangan ∆ dan ∆| |
pada setiap rel.
5. Hitung nilai yang baru dari | | dan
∆| | pada nilai sebelumnya.
dengan menambahkan nilai ∆
dan
6. Kembali ke langkah 1 dan ulangi proses itu dengan menggunakan nilai besar
dan sudut fasa tegangan yang ditentukan paling akhir sehingga semua nilai
yang diperoleh lebih kecil dari indeks ketepatan yang telah dipilih.
32
Universitas Sumatera Utara
2.3.4 Contoh Perhitungan Aliran Daya Menggunakan Metode NewtonRaphson [11]
Untuk melihat bagaimana penggunaaan metode Newton-Raphson untuk
perhitungan aliran daya yang dilakukan pada sistem tenaga listrik terdiri dari dua
bus, yaitu bus 1 sebagai bus slack, bus 2 sebagai bus beban, bus 3 sebagai bus
generator seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.12.
Gambar 2. 12 Single Line Diagram Sistem Tenaga Listrik yang Terdiri dari 3
Bus
Dari Gambar 2.12 diatas kita dapat memperoleh matriks Y berdasarkan
Persamaan (2.2) sebagai berikut:
53,85∠ − 1,18 22,36∠2,03
31,62∠1,89
= 22,36∠2,03
58,13∠1,10
35,77∠2,03
31,62∠1,89 35,77∠2,03 67,24∠ − 1,17
=
Langkah awal dari perhitungan aliran daya adalah menghitung nilai
dan
, dimana kita estimasikan nilai V2
menghitung nilai
diperoleh:
dan
=
1,0 ∠0 pu dan δ3 = 0. Untuk
digunakan Persamaan (2.11), sehingga
33
Universitas Sumatera Utara
= | || ||
|
| || ||
|
−
+
(
−
+ |
||
+
|
)
+
(2.28)
= 1,0.1,05.22,36. cos(2,03 − 0 + 0) + 1,0 . 58,13. cos 1,10
+ 1,0.1,04.33,77. cos 2,03 − 0 + 0 = 1,18
= | || ||
|
−
+
+|
||
|
+ | || |
|
−
+
(2.29)
= 1,04.1,0.31,62. cos(1,8915 − 0 + 0) + 1,04.1,0.35,77. cos 2,03 − 0 + 0
+ 1,04 . 67,24. cos − 1,17 = 1,42
Untuk menghitung nilai
digunakan Persamaan (2.12), sehingga diperoleh:
= − | || ||
|
| || |
−
|
+
(
− |
||
−
+
|
)
−
(2.30)
= 1,0.1,05.22,36. sin(2,03 − 0 + 0) + 1,0 . 58,13. sin 1,10
+ 1,0.1,04.33,77. sin 2,03 − 0 + 0 = 0,032
Setelah didapatkan nilai
,
perhitungan untuk mendapatkan nilai ∆
dan (2.14) sebagai berikut:
∆
∆
∆
=
=
−
=
−
, dan
( )
dan ∆
( )
, selanjutnya dilakukan
sesuai Persamaan (2.13)
= − 4 − − 1,18 = 5,18
−
= 2 − 1,42 = 0,5723
= − 2,5 − 0,032 = − 2,532
34
Universitas Sumatera Utara
Selanjutnya dibentuk matriks Jacobian sesuai Persamaan (2.15), sehingga
didapatkan Persamaan (2.27).
( )
( )
( )
=
|
|
|
|
|
( )
∆
( )
∆
|
∆|
(2.27)
|
Dimana matriks Jacobian dibentuk dari turunan parsial dari Persamaan (2.28),
(2.29), dan (2.30), yaitu:
= | || ||
|
−
+ | || ||
+
|
−
+
−
+
= 0,0211
= | || |
| |
= | ||
+ | ||
|
|
= | || |
= | || ||
|
−
|
= | ||
−
|
|
+
+
−
−
= 0,0246
| |
−
+
= 0,0132
+ 2. | ||
= 1,769
+
= − 0,01322
+ | || |
+
−
+
| cos
|
= 0,3718
35
Universitas Sumatera Utara
= | || ||
|
−
= − | || ||
|
= 0,6064
| |
= − | || ||
|
| |
(
|
− | || ||
+
−
−
−
+
+
|
−
= − 0,3718
− 2| ||
+
+
|
−
) = − 0,4028
Sehingga kita peroleh matriks Jacobian sebagai berikut:
∆
∆
∆|
∆
∆
∆|
( )
( )
( )
∆
∆
∆|
|
( )
( )
|
| |
=
| |
| |
0,0211
= − 0,0132
0,6064
( )
( )
( )
|
0,0132
0,0246
− 0,3718
− 10,56
= − 18,118
0,882
∆
∆
∆|
( )
( )
|
1,769
0,3718
− 0,402
( )
( )
( )
5,18
0,5723
− 2,532
53,689 3,177
5,18
88,991 2,569 0,5723
2,569 − 0,057 − 2,532
− 7,0181
= − 6,5313
4,0956
36
Universitas Sumatera Utara
Dengan memasukkan nilai ∆
( )
, ∆
( )
(2.26) dan Persamaan (2.27), maka didapatkan:
( )
( )
|
=
=
( )
( )
|= |
+ ∆
+ ∆
( )
( )
| + ∆|
dan ∆|
( )
| ke dalam Persamaan
= 0 + − 7,0181 = − 7,0118
= 0 + − 6,5313 = − 6,5313
| = 0 + 4,0956 = 4,0956
Maka didapatkan bahwa nilai tegangan dan sudut fasa tegangan pada bus 2
pada iterasi ke-1 dengan menggunakan metode Newton-rhapson adalah sebesar
= 4,0956
,
( )
= − 7,0118
, dan
( )
= − 6,5313
. Hasil
perhitungan tersebut masih belum akurat sepenuhnya dan dibutuhkan iterasi
lanjutan untuk menghasilkan data yang konvergen, besar nilai
( )
,
( )
,
dimasukkan kembali lagi pada Persamaan (2.28), (2.29), dan (2.30).
Perhitungan iterasi yang terlalu banyak menjadi alasan digunakan simulasi
menggunakan program komputer dalam melihat aliran daya pada suatu sistem
kelistrikan.
37
Universitas Sumatera Utara