Reliability (Keandalan) Sistem Tenaga Listrik – Bagian I

Salah satu topik di Power Engineering yang sangat menantang adalah studi keandalan (reliability). Lingkup studi ini cukup luas, seperti mempelajari kalkulasi keandalan pembangkitan, transmisi, sistem interkoneksi dan distribusi. Tidak ketinggalan, biasanya kita juga dikenalkan dengan konsep Simulasi Monte Carlo untuk sistem tenaga listrik (STL).

STL sangat lah kompleks karena :

• Besarnya secara fisik
• Tersebar luas secara geografis
• Adanya interkoneksi, baik nasional maupun internasional
• Keterbatasan yang dimiliki operator itu sendiri
• Energi listrik tidak dapat disimpan dengan efektif dan efisien dalam jumlah yang besar
• Perilaku sistem yang tidak terduga

Istilah “reliability” berhubungan dengan kemampuan sistem untuk menyalurkan listrik ke semua titik penggunanya dalam standar dan jumlah yang sesuai atau bisa diterima.

Ada dua hal utama yang biasa dikaji dalam reliability:

1. Kecukupan (adequacy)
2. Keamanan sistem (security)

Adequacy assesment mempelajari kecukupan fasilitas yang dibutuhkan sistem untuk memenuhi kebutuhan sistem. Biasanya assesment ini dilakukan pada fase desain.

Security assesment mempelajari kemampuan sistem untuk tanggap terhadap gangguan. Hal ini sering dihubungkan dengan respon dinamis sebuah sistem. Assesment ini  sering dilakukan pada fase operasional.

Realibility at what cost ?

Analoginya bisa berupa pilihan sepeda motor apa yang akan kita beli (masalah pemeliharaan kita kesampingkan dulu). Mau beli motor Cina apa motor Jepang? Kalau keandalan bukan hal yang penting, kita bisa beli motor Cina. Yang penting bisa buat pergi ke pasar, kalau mogok yah itu memang resikonya. Tapi jika tiap pagi kita harus pergi ke kantor tepat waktu, maka beli motor Jepang, dengan berbagai reputasi keandalannya, sangat lah masuk akal.

Probabilitas outage dalam STL dapat dikurangi dengan menaikkan investasi pada fase perencanaan. Sebaliknya, investasi yang berlebihan akan menyebabkan inefisiensi dan tarif yang lebih mahal. Dalam STL berbasis pasar, biaya penyediaan listrik dan keandalan adalah hal yang diperjualbelikan dalam fase desain dan operasional.

Teknik Pengkajian Realibility

1. Teknik Deterministik, Teknik ini teknik tradisional yang tidak melihat kemungkinan atau stokastik alami sebuah STL.
2. Teknik Probabilistik, Teknik ini menggunakan pendekatan analitis dan simulasi. Teknik ini yang paling baik untuk mengakomodasi perilaku STL. Contoh toolnya seperti Power Factory, RAPS.

Indeks Keandalan Deterministik

• Kriteria % Marjin Cadangan (% Reserve Margin) :
  • Kapasitas Terpasang ≥ Max. Demand + besaran % Reserve Margin
  • Misal jika Sistem Jawa Bali Max Demand-nya 17000 MW dan besaran Reserve Margin-nya ditentukan 20% maka Kapasitas Terpasangnya minimal 17000 + 3400 = 20400 MW.
  • Besaran %Reserve Margin ini dievaluasi dari waktu ke waktu dengan mempertimbangkan ENS (energy not served) dan LOLP (lost of load probability) yang dikehendaki (lihat dalam OC 2.2 Aturan Jaringan STL Jamali 2007)
• Jatuhnya Unit Terbesar / Kriteria Contingency :
  • Total Kapasitas Pembangkit Beroperasi + Cadangan Putar  ≥ Max. Demand + Unit Generator Terbesar (contingency size)
  • Misal jika Max Demand 17000 MW, unit terbesar adalah PLTU 660 MW, maka total kapasitas pembangkit dan cadangannya harus lebih besar dari 17000 + 660 = 17660. Jika yang beroperasi adalah 15000 MW dan cadangan (lihat OC 2.1) hanya 1000 MW (total, 15000 +1000 = 16000), maka STL dapat dikatakan defisit karena 16000 < 17660. Hampir dapat dipastikan, ketika peak load terjadi maka akan ada pemadaman (load shedding) untuk menjaga kestabilan sistem.
• Kriteria Jaringan :
  • N-1, atau N-2 dsb. Ambil contoh N-1, yang artinya apabila sembarang satu buah elemen STL (misal line transmisi, GCB, generator dll) gagal maka sistem tetap stabil.
• Energi yang Tidak Terlayani (Unserved Energy) < 0.002% Kebutuhan Energi Total (contoh di Australia)

Kenapa Pendekatan Probabilistik Digunakan ?

Sifat alami STL adalah stokastik / random / acak

• Tingkat force outage (FOR) sebuah unit pembangkit adalah fungsi dari jenis dan ukuran pembangkit.
• Tingkat gangguan di transmisi adalah fungsi dari panjang saluran, desain, lokasi dan lingkungan.
• Ketidakpastian realisasi beban dan peramalan beban.
• Perubahan sistem ketenagalistrikan
  • Adanya deregulasi dan (mungkin terjadi di masa depan) privatisasi
  • Adanya kekuatan pasar (belum terjadi di Indonesia)
  • Permasalahan seperti minimnya data, keterbatasan perhitungan, dan teknik pengkajian sudah bukan menjadi masalah besar lagi dengan semakin canggihnya hardware dan software komputer.

Indeks Keandalan Probabilistik

• Probabilitas load outage
• Perkiraan Energi yang Tidak Tersalurkan (estimated energy not supplied / EENS)
• Jumlah insiden outage
• Jumlah jam gangguan/interupsi
• Penyimpangan melampaui batas set tegangan
• Penyimpangan melampaui batas set frekuensi, dll.

Cara Pengkajian Keandalan secara Probabilistik

• Teknik Analitis
  • Berdasarkan prinsip penyebutan keadaan (state)
  • Menyajikan kondisi aktual sistem dengan model matematis
  • Sulit diterapkan pada STL yang besar
• Teknik Simulasi
  • Simulasi Monte Carlo (untuk sistem stokastik)
  • Mengevaluasi indeks sistem dengan mensimulasi proses aktual dan sifat elemen sistem yang random.
  • Dapat menangani sistem yang besar
  • Memerlukan waktu perhitungan yang lama dan kapasitas penyimpanan yang besar

Dimana Kita Bisa Memakai Indeks-Indeks Keandalan ?

1. Pada saat proses perencanaan
   • Kriteria atau kebutuhan disain sistem
   • Identifikasi area atau titik-titik lemah yang memerlukan modifikasi atau penguatan
2. Pada saat proses pengoperasian
   • Untuk memonitor kinerja sistem

Untuk menganalisis STL dan mencari indeks2 keandalannya, biasanya kita membagi STL menjadi 3 sub-system sbb: