Load Frequency Control

Minggu yang lalu penulis berkesempatan mengunjungi Java Control Center di P3B Gandul, Cinere, Jakarta. Disana penulis mendapat penjelasan mengenai frekuensi sistem. Seperti yang sudah kita ketahui, jika tegangan v banyak dipengaruhi (dikendalikan) oleh daya reaktif Q (MVAR), maka frekuensi f dipengaruhi oleh daya nyata P (MW).

JCC sendiri fungsi utamanya menurut Sakya dkk:

- Mengendalikan dan memonitor jaringan 500 kV.

- Mengendalikan dan memonitor pembangkit listrik berskala besar

- Memonitor jaringan 150 kV dan 70 kV melalui komunikasi dengan RCC (Regional Control Center)

- Menjalankan fungsi EMS (Energy Management System).

Salah satu permasalahan di sistem Jawa Bali saat ini adalah frekuensi sistem yang naik turun dengan cepat. Penyebabnya sering disebut sebagai generation-load mismatch.

P3B menyebutkan, hal hal yang mempengaruhi beban adalah hari2 dalam seminggu, jam2 dalam sehari, cuaca, event khusus, dll. Mismatch dari perkiraan beban ada yang merupakan variasi lambat yang deterministik dan variasi cepat yang acak. Ketidakseimbangan ini menyebabkan deviasi frekuensi dari frekuensi nominal.

Cara mengendalikan frekuensi ini adalah dengan melakukan pengaturan/regulasi, salah satunya dengan LFC yang erat kaitannya dengan fasilitas AGC (automatic generation control). AGC memungkinkan JCC mengendalikan beban MW pembangkit listrik (Po) dan rentang bebannya (Pr).

Regulasi utama adalah dengan regulasi primer (Governor Free) yang mempunyai sifat :

• Merespon dengan cepat terjadinya generation-load mismatch
• Masih terdapat steady state error (deviasi frekuensi) sesuai karakteristik speed droop
• Mengakibatkan perubahan aliran daya

Sedang regulasi sekunder (LFC: Load Frequency Control)

• Mengembalikan frekuensi ke nilai nominalnya
• Secara otomatis mengembalikan power interchange antar area

Pada regulasi primer,

k = (1/s) * (Pnom/fo)

dimana:

k : Faktor partisipasi (MW/Hz)
Pnom : Daya nominal unit (MW)
fo : Frekuensi referensi (50 Hz)
S : Speed droop

ΔP = – k Δf

dimana:

ΔP : Governor Action
k : Faktor partisipasi (MW/Hz)
Δf : Deviasi frekuensi (f – fo) (Hz)

Pada regulasi primer ini, speed droop pembangkit ditentukan minimal 5% menurut Aturan Jaringan tahun 2007 (Grid Code). Pembangkit2 hidro biasanya dapat memiliki speed droop hingga 2.5%, sedang pembangkit2 thermal dengan turbin gas sekitar 4%. Yang sulit memenuhi aturan ini adalah pembangkit2 PLTU batubara, kendalanya adalah mungkin umur boilernya yang sudah tua (tidak bisa menerima thermal stress yang ekstrim), bisa juga karena nilai kalor batubaranya yang tidak stabil, atau pertimbangan komersial, misal dalam perjanjian jual beli tenaga listrik atau PPA belum diatur). Pada musim hujan, ketika PLTA dapat beroperasi penuh, frekuensi sistem sangat terbantu kualitasnya oleh reaksi cepat governor turbin2 air.

Sedang pada regulasi sekunder,

Pg = Po + N Pr – k Δf

Dimana:

Pg : Daya keluaran unit pembangkit (MW)
Po : Set point (MW)
Pr  : Rentang regulasi (MW)
N : Level isyarat (output PI controller ACE)
k : Faktor partisipasi (MW/Hz)
Δf : Deviasi frekuensi (f – fo) (Hz)

Misal sebuah pembangkit listrik punya Po = 400 MW dan Pr = 15 MW, maka pembangkit ini secara otomatis dapat naik dan turun bebannya dari 385 MW sampai dengan 415 MW, mengikuti naik turunnya frekuensi sistem. Ketika frekuensi kurang dari 50 Hz, beban akan lebih dari 400 MW, sedang ketika f > 50 Hz, load akan < 400 MW, ditandai dengan nilai N yang bergerak di antara -1<N<1.

Ilustrasi di atas menjelaskan apa yang terjadi ketika beban sistem tiba-tiba naik. Tanpa regulasi frekuensi akan turun terus. Dengan regulasi primer (governor free), dalam waktu sekitar < 20 detik frekuensi dapat ditahan. Namun selama demand > supply maka akan tetap ada Δf. Hal ini dapat diatasi jika sistem juga punya regulasi sekunder (LFC). Dalam waktu 1-2 menit frekuensi akan kembali ke nominal ketika pembangkit2 listrik yang mengaktifkan LFC-nya mulai berkontribusi menyumbang daya ke sistem. Lebih jauh tentang regulasi ini dapat dibaca di file di situs UCTE.

Lanjutan Contoh Penyelesaian Aliran Daya Listrik dengan Metode Newton-Raphson, Decoupled dan Fast Decoupled Load Flow (2)

Melanjutkan tulisan terdahulu, kita sudah mempelajari bagaimana menyelesaikan aliran daya di 3 bus secara analitis, baik dengan metode Newton-Raphson maupun dengan DLF dan Fast Decoupled Load Flow. Kita juga sudah belajar mengenal software PowerWorld yang membantu kita menganalisis STL. Sekarang kita akan mengkonfirmasi hasil-hasil perhitungan kita dengan software PowerWorld ini.

Yang pertama kita simulasikan dengan metode NR, hasilnya sbb:

Bus Records from Powerworld’s Full Newton Load Flow Solution

Name	PU Volt	Angle (Deg)	Load MW	Load Mvar	Gen MW	Gen Mvar
1	1	0			99.96	25.77
2	1.03	1.32			400	418.55
3	0.93437	-5.38	500	350

Yang kedua kita simulasikan dengan memilih algoritma FDLF, yang hasilnya sbb:

Bus Records from Powerworld’s Fast Decoupled Load Flow Solution

Name	PU Volt	Angle (Deg)	Load MW	Load Mvar	Gen MW	Gen Mvar
1	1	0			99.99	24.41
2	1.03	1.31			400	417.13
3	0.93485	-5.35	500	350

Ternyata perbandingan hasil kalkulasi tangan/manual dengan hasil perhitungan software sangat dekat, sehingga kita dapat memastikan bahwa kita menggunakan metode NR, DLF dan FDLF dengan benar.

Selain PowerWorld, sebenarnya ada banyak software yang dapat membantu kita menyelesaikan aliran daya STL, termasuk PSS®E dari Siemens yang merupakan software “wajib” yang banyak dipakai oleh designer ataupun operator STL di seluruh dunia.

Untuk para akademisi/pelajar, biasanya juga banyak memakai Matlab untuk menyelesaikannya. Di Matlab kita harus teliti, namun selama kita memahami algoritmanya, hasilnya juga akan sama dengan software2 lain.

Source code Matlab dengan metode NR untuk permasalahan ini :

% % Question #5A Newton-Raphson method

% Modified from Saadat’s Power System Analysis Example 6.10

clear; clc;

V = [1.0; 1.03; 1.0];

d = [0; 0; 0];

Ps=[4 ; -5];

Qs= -3.5;

YB = [ -j*75 j*50 j*25

j*50 -j*75 j*25

j*25 j*25 -j*50];

Y= abs(YB); t = angle(YB);

iter=0;

while iter < 2

iter = iter +1

P=[V(2)*V(1)*Y(2,1)*cos(t(2,1)-d(2)+d(1))+V(2)^2*Y(2,2)*cos(t(2,2))+ ...

V(2)*V(3)*Y(2,3)*cos(t(2,3)-d(2)+d(3));

V(3)*V(1)*Y(3,1)*cos(t(3,1)-d(3)+d(1))+V(3)^2*Y(3,3)*cos(t(3,3))+ ...

V(3)*V(2)*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d(3)+d(2))];

Q= -V(3)*V(1)*Y(3,1)*sin(t(3,1)-d(3)+d(1))-V(3)^2*Y(3,3)*sin(t(3,3))- …

V(2)*V(3)*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(1,1)=V(2)*V(1)*Y(2,1)*sin(t(2,1)-d(2)+d(1))+…

V(2)*V(3)*Y(2,3)*sin(t(2,3)-d(2)+d(3));

J(1,2)=-V(2)*V(3)*Y(2,3)*sin(t(2,3)-d(2)+d(3));

J(1,3)=V(2)*Y(2,3)*cos(t(2,3)-d(2)+d(3));

J(2,1)=-V(3)*V(2)*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(2,2)=V(3)*V(1)*Y(3,1)*sin(t(3,1)-d(3)+d(1))+…

V(3)*V(2)*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(2,3)=V(1)*Y(3,1)*cos(t(3,1)-d(3)+d(1))+…

V(2)*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(3,1)=-V(3)*V(2)*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(3,2)=V(2)*V(3)*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d(3)+d(2))+…

V(1)*V(3)*Y(3,1)*cos(t(3,1)-d(3)+d(1));

J(3,3)=-V(1)*Y(3,1)*sin(t(3,1)-d(3)+d(1))-2*V(3)*Y(3,3)*sin(t(3,3))-…

V(2)*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d(3)+d(2));

DP = Ps – P;

DQ = Qs – Q;

DC = [DP; DQ]

J

DX = J\DC

d(2) =d(2)+DX(1);

d(3)=d(3) +DX(2);

V(3)= V(3)+DX(3);

V, d, delta =180/pi*d;

end

P1= V(1)^2*Y(1,1)*cos(t(1,1))+V(1)*V(2)*Y(1,2)*cos(t(1,2)-d(1)+d(2))+…

V(1)*V(3)*Y(1,3)*cos(t(1,3)-d(1)+d(3))

Q1=-V(1)^2*Y(1,1)*sin(t(1,1))-V(1)*V(2)*Y(1,2)*sin(t(1,2)-d(1)+d(2))-…

V(1)*V(3)*Y(1,3)*sin(t(1,3)-d(1)+d(3))

Q2=-V(2)*V(1)*Y(2,1)*sin(t(2,1)-d(2)+d(1))-V(3)*V(2)*Y(2,3)*…

sin(t(2,3)-d(2)+d(3))-V(2)^2*Y(2,2)*sin(t(2,2))

P_loss = P1+4-5

Q_loss = Q1+Q2-3.5

Kode Matlab dengan FDLF :

% Question #5C Fast decoupled method

% Modified from Saadat’s Power System Analysis Example 6.12

clear; clc;

V1= 1.0; V2 = 1.03; V3 = 1.0;

d1 = 0; d2 = 0; d3=0;

Ps2=4; Ps3 =-5;

Qs3= -3.5;

YB = [ -j*75 j*50 j*25

j*50 -j*75 j*25

j*25 j*25 -j*50];

Y= abs(YB); t = angle(YB);

B1 =[-75 25; 25 -50]

Binv = inv(B1)

iter=0;

while iter < 2

iter = iter +1;

P2= V2*V1*Y(2,1)*cos(t(2,1)-d2+d1)+V2^2*Y(2,2)*cos(t(2,2))+ …

V2*V3*Y(2,3)*cos(t(2,3)-d2+d3);

P3= V3*V1*Y(3,1)*cos(t(3,1)-d3+d1)+V3^2*Y(3,3)*cos(t(3,3))+ …

V3*V2*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d3+d2);

Q3=-V3*V1*Y(3,1)*sin(t(3,1)-d3+d1)-V3^2*Y(3,3)*sin(t(3,3))- …

V2*V3*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d3+d2);

DP2 = Ps2 – P2; DP2V = DP2/V2;

DP3 = Ps3 – P3; DP3V = DP3/V3;

DQ3 = Qs3 – Q3; DQ3V = DQ3/V3;

DC =[DP2; DP3; DQ3];

Dd = -Binv*[DP2V;DP3V];

DV = -1/B1(2,2)*DQ3V

d2 =d2+Dd(1);

d3 =d3+Dd(2);

V3= V3+DV;

angle2 =180/pi*d2;

angle3 =180/pi*d3;

disp(‘ iter d2 d3 V3 DP2 DP3 DQ3′);

R = [iter d2 d3 V3 DP2 DP3 DQ3]

end

Q2=-V2*V1*Y(2,1)*sin(t(2,1)-d2+d1)-V2^2*Y(2,2)*sin(t(2,2))- …

V2*V3*Y(2,3)*sin(t(2,3)-d2+d3);

P1= V1^2*Y(1,1)*cos(t(1,1))+V1*V2*Y(1,2)*cos(t(1,2)-d1+d2)+ …

V1*V3*Y(1,3)*cos(t(1,3)-d1+d3);

Q1=-V1^2*Y(1,1)*sin(t(1,1))-V1*V2*Y(1,2)*sin(t(1,2)-d1+d2)- …

V1*V3*Y(1,3)*sin(t(1,3)-d1+d3);

S1=P1+j*Q1

Q2

P_loss = P1+4-5

Q_loss = Q1+Q2-3.5

Single Line Diagram Sistem Jawa Madura Bali

Jika dalam tulisan-tulisan terdahulu banyak dibicarakan hal-hal teoritis dan simulasi maka dalam tulisan kali ini kita akan mendiskusikan hal-hal di dunia nyata. Jika anda tinggal di Indonesia, terutama di pulau Jawa, Madura, Bali tentu akan mudah memahami kondisi geografis dan sistem ketenagalistrikan di Jamali. Situs paling relevan untuk membicarakan hal ini tentu adalah situs milik PLN P3B,

 

disini terlihat neraca listrik di tiap region di sistem Jamali. Lihat perbandingan supply-demand di tiap region, seperti yang sudah saya sampaikan, daya mengalir dari timur ke barat. Sekarang ini backbone 500 kV sudah lebih baik dengan selesainya jalur transmisi Jawa bagian selatan, Paiton-Kediri-Pedan-Tasikmalaya-Depok-Gandul/Cibinong, melengkapi jalur utara yang terlebih dahulu menginterkoneksi sistem ini. Dalam situs P3B ini terlihat Bali disuplai oleh 2 kabel laut dari Banyuwangi-Gilimanuk dengan daya hampir 100 MW. Cadangan daya di Bali sendiri saat ini sangat terbatas, sehingga jika ada masalah pada kabel laut ini maka akan ada load shedding di subsistem Region 4 ini. Situs ini juga menampilkan frekuensi sistem secara real time.

Bagaimana dengan beban pembangkit2 di sistem ini? Anda dapat melihatnya juga di http://bops.pln-jawa-bali.co.id/beban_perunit_kit.php

 

Detail backbone / single line diagram 500 kV Sistem Jawa Bali adalah sbb:

P3B menyediakan fasilitas baru, informasi arsip load flow di alamat ini http://scada.pln-jawa-bali.co.id/loadflow.php?

 

  

PowerWorld: Cara Mudah untuk Menganalisis Sistem Tenaga Listrik

Dalam artikel yang lalu, kita sudah mempelajari bagaimana menganalisis sistem tenaga listrik sederhana dengan kalkulasi tangan. Bagaimana cara menganalisis jaringan dengan software? Ada banyak pilihan disini. Salah satu yang paling populer adalah dengan Matlab. Sudah banyak buku yang membahasnya, termasuk di buku Power System Analysis-nya Hadi Saadat, yang menjadi referensi utama saya dalam artikel yang lalu. Di buku ini, source code-nya dengan Matlab disisipkan sebagai suplemen buku ini.

Selain Matlab, saya menyukai PowerWorld, salah satu software komersial untuk analisis STL. Sofware ini bisa memberi gambaran bagaimana sih daya mengalir dalam STL, persis seperti motonya, the visual approach to analyze power systems. Tidak cuma itu, kita pun bisa menganalisis jika STL mengalami gangguan. Seperti 1 line to ground fault, 3 phase fault dsb. Software ini juga punya versi gratisannya, yang terbatas hanya bisa menganalisis STL sampai dengan 12 bus, yang bisa didownload disini.

Ini lah salah satu contoh cara PowerWorld memvisualkan sistem tenaga listrik…

Tiap elemennya ada properties, misal untuk melihat arus di bus 1-3 pada tulisan tentang menyelesaikan 3 bus dengan metode NR, FDLF sbb:

Kenapa Jam Kerja Harus Diatur? Lebih Jauh dengan Daily Load Curve Sistem Tenaga Listrik Jawa Madura Bali

Masih terkait dengan krisis energi (listrik), Kompas 3 Juli 2008 memberitakan,

Lewat SKB, Pemerintah Atur Jam Kerja Buruh

Fahmi mengatakan, rencananya besok, Jumat (4/7), pihaknya bersama sejumlah menteri, termasuk dari perwakilan Kamar Dagang dan Industri Nasional (Kadin) akan membahas masalah pengaturan jam kerja bagi indutri agar pemakaian daya listrik bisa diatur pemakaiannya.

“Biasanya, beban listrik berkurang pada hari Sabtu atau Minggu, sehingga ini bisa dimanfaatkan bagi industri mengatur pemakaian daya listriknya pada hari libur itu, sehingga mereka diatur hari liburnya hari Senin dan Selasa yang bisa mengurangi beban listrik. Memang, untuk industri seperti petrochemical yang operasional 24 jam, tidak bisa diatur, terkecuali perusahaan di sektor lainnya yang tidak 24 jam operasionalnya,” jelas Fahmi.

Ditanya kemungkinan turunnya tingkat produktivitas nasional akibat pengaturan jam kerja pemakaian listrik, Fahmi mengatakan tidak akan terjadi. “Karena, pengaturan jam kerja untuk industri itu tidak seluruhnya. Industri yang sudah 24 jam operasional, tidak akan dikenakan aturan tersebut,” tandas Fahmi.

Bagi masyarakat awam hal ini mungkin aneh. Bahkan bagi yang skeptis, mungkin akan menuduh bahwa pemerintah terlalu mengada-ada. Kenapa jam kerja pabrik harus diatur? Menteri Perindustrian Fahmi Idris sudah berusaha menjelaskannya. Namun kembali ada yang bertanya, benar kah apa yang dikatakan beliau? Jawaban beliau memang benar.

Hal ini bisa dijelaskan dengan melihat daily load curve sistem Jamali. 

 

 

Disini kita melihat, di hari kerja, misal hari Rabu, pada pagi hari mulai jam 7 pagi beban mulai beranjak naik, karena orang2 mulai beraktivitas, perkantoran buka, mesin2 pabrik mulai beroperasi, menjadikan beban bergerak dari 12000-an MW ke 14000-an MW. Di siang hari antara jam 12 dan 1 siang beban sedikit turun, karena di saat itu banyak orang yang beristirahat.

Di sore hari mulai kira-kira jam 17.00 beban naik drastis, 2000 MW dalam 2 jam, karena orang2 yang berada di rumah mulai menghidupkan TV untuk hiburan, menghidupkan lampu untuk penerangan di saat yang hampir bersamaan. Beban puncak terjadi di saat ini, sekitar jam 7 malam yaitu dapat mencapai lebih dari 16000 MW. Mulai jam 21.00 orang2 mulai banyak yang mengurangi aktivitasnya, mematikan TV, mengurangi lampu penerangan dan tidur. Grafik ini kurang lebih berulang dari Senin sampai Jumat.

Apa yang terjadi di hari libur? Mari kita lihat grafik di hari Minggu ini..

 

 

Grafiknya sedikit mirip, terutama di periode jam 5 sore ke atas, saat terjadinya beban puncak. Perbedaannya, grafik di siang hari relatif rata, tidak ada fluktuasi di jam 12-13 siang, karena tidak ada perubahan aktivitas (jarang orang yang bekerja di kantor pada hari Minggu). Perbedaan yang paling signifikan adalah besar beban di hari Minggu. Beban puncak di malam hari hanya sekitar 14000-an MW, sedang di siang hari hanya 11000-an MW. Bandingkan dengan kurva di hari-hari kerja, ada selisih sekitar 2000-3000 MW, suatu jumlah yang sangat besar.

Dari sini lah muncul ide pengaturan jadual beroperasinya mesin2 pabrik (yang tidak beroperasi 24 jam). Jika kita bisa mengalihkan sebagian beban di hari kerja normal ke hari libur, tentunya sangat akan membantu mencegah terjadinya pemadaman. Dengan mengatur jam operasi mesin, maka dengan sendirinya jam kerja buruh juga akan berubah. Ada pun pertanyaan2 lain juga bisa dijawab dengan melihat kurva ini, seperti:

• Kenapa kita harus mengurangi pemakaian listrik di antara jam 17.00-22.00?

Jawabannya:

Dengan kita berhemat pada jam2 ini, maka kita membantu mengurangi pemakaian BBM pembangkit listrik. Pembangkit listrik yang hanya dioperasikan sebentar, atau hanya melayani beban puncak di petang hari, biasanya adalah PLTG/PLTGU yang berbahan bakar BBM yang bisa distart dan distop dengan cepat.

• Apa akibatnya jika kita tidak hemat listrik?

Jawabannya:

Perhatikan garis ungu yang menunjukkan kemampuan pembangkitan listrik. Jika kita tidak berhemat, maka demand/kebutuhan akan lebih tinggi dari garis ungu tersebut. Jika sampai terjadi, maka yang terjadi adalah load shedding atau pemadaman yang dilakukan demi menjaga kestabilan dan keamanan sistem.

• Apa yang terjadi jika PLN tidak melakukan pemadaman?

Jawabannya:

Frekuensi listrik akan turun sampai pada suatu titik tertentu, tegangan akan anjlok (voltage collapse) yang akan memicu pemadaman total (black out).

• Jika anda adalah pengusaha yang akan membangun pabrik yang butuh listrik dari PLN. Di daerah mana kah yang paling menguntungkan, dimana resiko pemadaman lebih kecil?

Jawabannya:

Saya menyarankan anda memilih membangun pabrik di Jawa Timur. Coba lihat grafik2 kecil di bawah grafik utama. Disitu terlihat, faktanya, suplai listrik di Jawa Timur sangat lah berlebih (surplus) dibandingkan daerah2 lain di Jawa. Daerah yang paling beresiko di padamkan adalah Jawa Barat. Fakta ini juga menjelaskan, kenapa aliran daya listrik mengalir dari timur ke barat.