Optimal Power Flow Jaringan Sumatera Bagian Utara 150 kV

Abstrak diawali dengan penjelasan pentingnya pengaturan pembangkitan daya pada unit-unit generator dan penyaluran daya ke titik-titik beban dalam sistem interkoneksi tenaga listrik. Operasi pembangkit harus efisien secara biaya, namun tetap memperhatikan aspek keamanan dan kualitas sistem. Untuk mencapai biaya pembangkitan yang murah, metode economic dispatch diterapkan pada unit-unit pembangkit. Aspek keamanan meliputi batasan daya yang dibangkitkan, kapasitas saluran transmisi, sedangkan aspek kualitas meliputi batasan tegangan pada setiap bus.

Abstrak menjelaskan bahwa metode Optimal Power Flow (OPF) digunakan untuk memenuhi aspek keamanan dan kualitas sistem ketenagalistrikan. Metode ini diterapkan pada sistem kelistrikan PT. PLN (Persero) Sumatera Bagian Utara 150 kV. Simulasi OPF dilakukan menggunakan Power System Analysis Toolbox (PSAT) dengan primal dual interior point method (PDIPM). Penggunaan PSAT dan PDIPM sebagai tools dan metode dalam optimasi aliran daya ditekankan dalam abstrak ini.

Hasil pengoptimalan aliran daya pada sistem kelistrikan PT. PLN (Persero) Sumatera Bagian Utara menunjukkan penurunan biaya pembangkitan yang signifikan. Abstrak mencantumkan angka penurunan biaya sebesar Rp 342.152.567,37 per jam, atau 15,42% dari biaya pembangkitan sebelum optimasi. Poin penting lainnya adalah pola pengoperasian sistem tetap berada dalam batasan yang diizinkan, menunjukkan keberhasilan metode yang digunakan dalam menjaga stabilitas dan keamanan sistem.

Latar belakang menjelaskan bahwa energi listrik merupakan kebutuhan vital di era modern. Ketergantungan manusia terhadap pasokan listrik semakin meningkat seiring perkembangan teknologi. Hal ini menyebabkan kebutuhan daya listrik terus bertambah, yang berdampak pada peningkatan suplai pembangkit. Pemilihan pembangkit termurah menjadi prioritas utama, namun ketika beban meningkat, generator yang lebih mahal pun harus dioperasikan. Oleh karena itu, biaya pembangkitan menjadi faktor penting dalam pengelolaan sistem kelistrikan.

Berdasarkan uraian di atas, penelitian ini difokuskan pada penerapan Optimal Power Flow (OPF) pada jaringan Sumatera Utara 150 kV. Penelitian ini bertujuan untuk menyelesaikan permasalahan OPF dengan menggunakan Power System Analysis Toolbox (PSAT) untuk simulasi. PSAT, sebagai toolbox MATLAB dan Simulink, dipilih karena kemampuannya dalam analisis dan kontrol sistem daya listrik. Sistem transmisi listrik menghubungkan pusat pembangkit dengan sistem distribusi, dan seringkali unit pembangkit tersebar luas dalam sistem interkoneksi.

Berbagai macam pembangkit digunakan dalam sistem tenaga listrik, sesuai dengan sumber energi primernya. Sumber energi primer tersebut mencakup batubara, panas bumi, nuklir, air, gas, minyak, matahari, dan lain-lain. Keberagaman sumber energi dan karakteristik masing-masing pembangkit ini menjadi latar belakang penting untuk mencari solusi optimasi sistem yang efektif dan efisien, yang merupakan tujuan utama dari penelitian ini.

Tinjauan pustaka dimulai dengan menjelaskan struktur umum sistem ketenagalistrikan. Sistem ini terdiri dari pusat pembangkit, jaringan transmisi (interkoneksi), dan distribusi beban. Ketiga komponen ini saling berkaitan dan membentuk suatu sistem yang terintegrasi. Penjelasan ini memberikan dasar pemahaman tentang bagaimana sistem tenaga listrik beroperasi dan bagaimana komponen-komponennya saling berinteraksi. Pemahaman ini krusial untuk memahami konteks penerapan metode Optimal Power Flow (OPF) yang dibahas selanjutnya.

Bagian ini membahas tiga aspek penting dalam operasi sistem tenaga listrik: ekonomi, keamanan, dan kualitas. Prioritas ketiga aspek ini dapat berubah-ubah tergantung kondisi real-time. Pada saat terjadi gangguan, keamanan menjadi prioritas utama, sedangkan ekonomi dan kualitas menjadi sekunder. Sebaliknya, jika keamanan dan kualitas sudah terjamin, maka prioritas beralih ke ekonomi. Setiap pembangkit memiliki karakteristik berbeda, sehingga diperlukan analisis untuk memilih pembangkit yang paling ekonomis, mempertimbangkan juga kondisi saluran dan beban. Rugi-rugi transmisi dan drop tegangan meningkat seiring jarak beban dari pusat pembangkit.

Tinjauan pustaka kemudian membahas konsep Economic Dispatch (ED) dan Optimal Power Flow (OPF). Tujuan ED adalah meminimalkan konsumsi bahan bakar atau biaya operasional dengan menentukan output daya setiap unit pembangkit, dengan mempertimbangkan permintaan beban. OPF merupakan pengembangan dari ED klasik, yang memasukkan kerugian transmisi ke dalam perhitungan biaya dan mempertimbangkan kendala pada arus listrik. OPF bertujuan meminimalkan fungsi biaya pembangkitan atau kerugian transmisi dengan mengatur pembangkitan daya aktif dan reaktif, memperhatikan batasan minimum dan maksimum pembangkitan daya aktif pada pembangkit. Perbedaan antara ED dan OPF dalam hal pertimbangan faktor-faktor yang mempengaruhi optimasi juga dijelaskan.

Bagian ini menjelaskan berbagai jenis bus dalam studi aliran daya, yaitu slack bus, PV bus, dan PQ bus. Slack bus berfungsi sebagai referensi tegangan dan sudut fase. PV bus, sering disebut generator bus, memiliki daya aktif tetap dan tegangan yang dikontrol. PQ bus, atau load bus, hanya memiliki beban tanpa generator. Penjelasan ini penting untuk memahami model sistem tenaga listrik yang digunakan dalam simulasi OPF. Perbedaan karakteristik masing-masing jenis bus ini memengaruhi perhitungan dan hasil analisis aliran daya.

Tinjauan pustaka juga menjelaskan permodelan untuk studi aliran daya. Komponen-komponen sistem tenaga listrik, seperti generator, transformator, saluran transmisi, dan beban, dimodelkan untuk simulasi. Proses iterasi dalam perhitungan aliran daya dijelaskan, dengan tegangan pada swing bus diabaikan karena sudah ditetapkan sebagai referensi. Pada load bus, daya aktif dan reaktif diketahui, sedangkan pada PV bus, besar tegangan dan daya aktif generator diketahui. Pemahaman mengenai permodelan dan perhitungan aliran daya merupakan dasar untuk memahami simulasi OPF yang dilakukan dalam penelitian.

Metodologi penelitian menjelaskan bahwa data yang digunakan berasal dari PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumatera Bagian Utara. Data tersebut mencakup diagram single line, data bus, data generator, data saluran transmisi, data beban, logsheet operasi, dan biaya pembangkitan unit-unit pembangkit di sistem tenaga listrik Sumatera Bagian Utara. Data-data ini merupakan input penting untuk simulasi yang dilakukan dalam penelitian ini. Kualitas dan akurasi data sangat mempengaruhi hasil dan kesimpulan penelitian.

Data yang dikumpulkan kemudian diolah menggunakan software Power System Analysis Toolbox (PSAT). PSAT dipilih karena kemampuannya untuk melakukan simulasi power flow dan optimal power flow. Algoritma yang digunakan dalam simulasi OPF adalah primal dual interior point method (PDIPM). Simulasi OPF pada PSAT berbeda dengan perhitungan load flow konvensional, karena secara otomatis menghasilkan pembangkitan daya masing-masing generator sesuai fungsi biayanya tanpa melanggar batasan pengoperasian seperti batasan minimal dan maksimal pembangkitan, batasan tegangan bus, dan batasan pembebanan saluran. Pilihan software dan algoritma ini dijelaskan secara detail dalam metodologi penelitian.

Sistem ketenagalistrikan Sumatera Bagian Utara (Sumbagut) dibagi menjadi beberapa area untuk analisis. Pembagian area ini didasarkan pada letak provinsi yang dilayani. Area 1 meliputi Sumatera Utara, Area 2 meliputi Nanggroe Aceh Darussalam (NAD), dan Area 3 merupakan area khusus untuk Inalum. Pembagian area ini memungkinkan analisis yang lebih terfokus pada karakteristik masing-masing wilayah dalam sistem ketenagalistrikan Sumbagut. Fungsi biaya yang digunakan dalam penelitian ini adalah fungsi linear berdasarkan data dari PT. PLN (Persero) P3BS UPB Sumbagut.

Metodologi penelitian menjelaskan tahapan simulasi yang dilakukan. Tahapan pertama adalah memodelkan sistem pada PSAT. Hal ini melibatkan pengumpulan data seperti single line diagram, data bus, data saluran, data pembangkit, dan data beban, lalu membuat model single line diagram jaringan 150 kV sistem Sumbagut menggunakan Matlab Simulink. Data bus dan penghantar merupakan parameter tetap, sedangkan data beban dan pembangkitan disesuaikan dengan data logsheet operasi PT. PLN. Model ini kemudian digunakan sebagai dasar untuk simulasi power flow dan OPF.

Bagian hasil dan pembahasan memuat analisis data berdasarkan logsheet operasi PLN pada 28 Maret 2013 pukul 19.30 WIB. Analisis ini bertujuan untuk mengumpulkan data yang akan dibandingkan dengan hasil simulasi Optimal Power Flow (OPF). Data biaya pembangkitan di berbagai area dianalisa. Area Nanggroe Aceh Darussalam (NAD) memiliki biaya pembangkitan yang lebih tinggi (21,37% dari total biaya Sumbagut) dibandingkan Sumatera Utara (Sumut) zona Medan dan Pematang Siantar. Zona Medan memiliki biaya pembangkitan yang tinggi (70,34% dari total biaya Sumbagut), rata-rata Rp 1.997,76 per kWh, disebabkan oleh penggunaan bahan bakar minyak (HSD dan MFO). Zona Pematang Siantar memiliki biaya yang lebih murah (7,20% dari total biaya Sumbagut), rata-rata Rp 328,72 per kWh, karena penggunaan energi primer yang lebih murah seperti air dan batubara. Analisis juga meliputi pembangkitan daya dan transfer daya antar zona.

Hasil simulasi OPF menggunakan Power System Analysis Toolbox (PSAT) dibandingkan dengan kondisi riil operasi PLN. Tujuannya adalah untuk melihat perbedaan pola operasi dan penghematan biaya. Simulasi OPF menghasilkan pola operasi yang lebih murah namun tetap aman dan berkualitas. Total biaya pembangkitan pada kondisi OPF menunjukkan penghematan sebesar Rp 177.552.571,12 per jam (35,97% dari biaya riil), dengan rata-rata biaya pembangkitan menjadi Rp 2.536,92 per kWh dari Rp 2.566,86 per kWh pada kondisi riil. Analisis ini juga meliputi pembangkitan daya di masing-masing area (Sumut, NAD, Inalum) dan perubahan tegangan pada setiap bus.

Hasil simulasi OPF menunjukkan rentang tegangan bus antara 0,965 pu – 1,05 pu, memenuhi aspek mutu sistem. Analisis lebih lanjut dilakukan untuk setiap area. Pada area Sumatera Utara, tegangan di beberapa gardu induk (BLWCC, Titikuning, Glugur, Gis Listrik) mengalami penurunan akibat penurunan pembangkitan, sehingga menerima transfer daya lebih besar dari Pematang Siantar. Area Nanggroe Aceh Darussalam (NAD) menunjukkan penurunan kapasitas pembangkitan karena biaya pembangkitan yang tinggi (menggunakan pembangkit diesel HSD). Penurunan tegangan juga terjadi di beberapa Gardu Induk di Sumut (misal: GI KIM, GI Mabar) akibat banyaknya koneksi saluran atau jarak yang jauh, tetapi tetap dalam batasan yang diizinkan. Analisis aliran daya tertinggi terjadi pada saluran yang terhubung ke bus pembangkit BLWCC.

Simulasi OPF menghasilkan penghematan biaya pembangkitan sebesar 15,42% atau Rp 342.152.567,37 per jam di Sumatera Bagian Utara. Biaya rata-rata pembangkitan turun dari Rp 1.467,19 per kWh menjadi nilai yang lebih rendah setelah optimasi. Sebagai saran, penelitian menyarankan penggantian atau penambahan pembangkit berbahan bakar minyak dengan pembangkit yang lebih murah seperti batubara dan biomassa, khususnya di area NAD dan zona UPT Medan. Namun, perlu mempertimbangkan efek jangka panjang dan investasi peralatan.

Kesimpulan utama penelitian ini adalah keberhasilan penerapan metode Optimal Power Flow (OPF) dalam mengurangi biaya pembangkitan sistem ketenagalistrikan Sumatera Bagian Utara. Simulasi menggunakan Power System Analysis Toolbox (PSAT) menunjukkan penghematan signifikan, baik secara persentase maupun nominal. Angka-angka penghematan yang diperoleh disajikan secara detail untuk memberikan gambaran yang jelas tentang dampak penerapan metode OPF. Keberhasilan ini menunjukkan efektivitas metode OPF dalam optimasi sistem tenaga listrik.

Kesimpulan juga menekankan bahwa penerapan metode OPF tidak hanya menghasilkan penghematan biaya, tetapi juga menjaga aspek kualitas dan keamanan sistem. Hasil simulasi menunjukkan bahwa tegangan pada semua bus tetap berada dalam rentang yang diijinkan, menunjukan bahwa aspek kualitas sistem terpenuhi. Dengan demikian, metode OPF terbukti efektif dalam mengoptimalkan sistem tanpa mengorbankan aspek keamanan dan kualitas. Hal ini menegaskan bahwa pendekatan yang diambil dalam penelitian seimbang antara efisiensi biaya dan kehandalan sistem.

Sebagai saran untuk optimasi lebih lanjut, penelitian ini menyarankan penggantian atau penambahan unit pembangkit yang menggunakan bahan bakar minyak dengan unit pembangkit yang lebih ekonomis, seperti batubara atau biomassa. Saran ini difokuskan pada area-area yang menunjukkan biaya pembangkitan tinggi, sehingga menunjukkan arah perbaikan yang konkret. Namun, perlu diingat bahwa implementasi saran ini memerlukan pertimbangan jangka panjang, termasuk aspek investasi dan dampak lingkungan. Kesimpulan ini memberikan arahan praktis untuk meningkatkan efisiensi dan keberlanjutan sistem ketenagalistrikan.