Smart Grid - Sistem Kontrol Tegangan (Volt) dan Daya Reaktif (Var)

A. Pendahuluan

Penyedia layanan Distribusi berada di bawah tekanan dalam meningkatkan dan menjaga kualitas daya yang dikirim sampai ke pelanggan penggunaan akhir.  Era modern ini permintaan akan energi listrik meningkat dari hari ke hari. Integrasi energi terbarukan sebagai sumber pembangkit alternatif juga membutuhkan kontrol untuk dapat ditingkatkan pada setiap sistem distribusi. Teknik otomatisasi pintar pada jaringan distribusi harus dikembangkan untuk mencapai efisiensi, kehandalan, dan keamanan untuk jaringan listrik. Maka, kontrol tegangan (Volt) dan daya reaktif (Var) dalam sistem distribusi merupakan salah satu konsep dapat meningkatkan kualitas tegangan untuk semua pelanggan pengguna akhir jaringan distribusi. Cara mengurangi kerugian daya nyata yang konvensional melibatkan dalam pengaturan load tap changer (LTC) dari trafo gardu, dan penggunaan kapasitor bank switchable yang dipasang pada setiap gardu dan sepanjang feeder distribusi[1,2].

Strategi optimal untuk feeder distribusi  adalah membentuk kondisi tegangan yang dapat diterima untuk semua pelanggan dengan seefisien mungkin. Kualitas tegangan sepanjang feeder distribusi dan aliran daya reaktif (VAR) pada feeder yang biasanya digunakan dengan kombinasi pengatur tegangan dan peralihan ke kapasitor bank yang dipasang pada feeder dan gardu distribusi. Regulator tegangan yaitu dengan mengontrol naik atau turun tap regulator tegangan yang sesuai dengan berdasarkan pengukuran arus  beban dan tegangan. Demikian pula, kapasitor bank dengan mengkontol switch  atau menonaktifkan dalam menanggapi pengukuran jumlah beban pada jaringan distribusi [3,4].

B. Kontrol tegangan (Volt) dan daya reaktif (Var) pada jaringan distribusi pintar

Kontrol tegangan pada Distribusi pintar menyediakan peningkatan secara signifikan serta fleksibilitas dalam operasi kontrol tegangan. Sedangkan kontrol tegangan konvensional terutama ditujukan untuk mempertahankan tegangan diterima sepanjang feeder, Smart kontrol tegangan distribusi memungkinkan pengguna untuk mencapai tujuan operasi lain selain fungsi utama menjaga tegangan diterima. Yang paling umum fungsi smart kontrol tegangan distribusi yaitu Conservation Voltage Reduction (CVR). Dengan CVR, sistem sengaja menurunkan tegangan pada feeder distribusi dengan nilai tegangan terendah diterima untuk mencapai manfaat berharga untuk utilitas listrik dan konsumen, seperti berkurangnya permintaan dan konsumsi energi. Selama tegangan penyulang tetap di atas nilai minimum yang dapat diterima, tidak ada dampak negatif pada pelanggan.

Kontrol tegangan pintar menggunakan banyak komponen yang sama sebagai kontrol tegangan konvensional, seperti mengubah tap transformator dan pengendali tegangan mengatur. Kontrol tegangan pintar juga termasuk prosesor utama atau pengendali cerdas lainnya yang mengeksekusi tambahan kontrol logika menggunakan tersedia pengukuran arus dan tegangan untuk mencapai fungsi tujuan yang ditentukan. CVR, prosesor utama menggunakan pengukuran yang tersedia untuk menentukan kapan memungkinkan untuk menurunkan tegangan penyulang (dalam batasan limit rendah) untuk mencapai manfaat berharga seperti peningkatan efisiensi, mengurangi permintaan listrik, dan konsumsi energi yang lebih rendah. Kontrol tegangan dalam bentuk yang paling sederhana terdiri dari serangkaian aturan yang menentukan apa tindakan kontrol (jika ada) harus dilakukan untuk real-time saat ini dan pengukuran tegangan.

Smart Kontrol VAR menyediakan cara yang lebih efektif untuk menjaga tingkat tegangan di sepanjang feeder dan meminimalkan kerugian listrik di bawah semua kondisi beban. Seperti pendekatan konvensional, Smart VAR menggunakan kontrol yang mengalihkan kapasitor untuk mengontrol aliran VAR dan tegangan feeder ketika kondisi feeder bervariasi pada siang hari. Namun, bukan mendasarkan tindakan kontrol hanya pada pengukuran lokal, dasar fungsi kontrol VAR memeberi keputusan pengukuran yang dilakukan pada akhir gardu hubung, di mana aliran VAR total feeder yang mudah diamati. Ketika DSCADA mendeteksi bahwa aliran VAR untuk feeder berlebihan, menggunakan fasilitas remote control untuk mengoperasikan bank kapasitor diaktifkan sesuai kebutuhan.

Keuntungan dari kontrol VAR pintar dibandingkan dengan metode konvensional meliputi:

• Kemampuan untuk menentukan bahwa sistem beroperasi dengan benar dengan mengamati perubahan yang diharapkan dalam aliran daya reaktif setelah permintaan switching. Jika tidak ada perubahan setelah permintaan switching maka segera diamati, ini menunjukkan kerusakan yang mungkin yang harus diselidiki. 
• Kemampuan untuk mengesampingkan kontrol normal selama bila diperlukan. Sebagai contoh, selama sistem darurat, operator sistem dapat diperintah untuk semua beralih ke kapasitor bank untuk memberikan bantuan ke jaringan listrik sebagian besar.

      C.      Tipe – tipe kontrol Volt dan Var

Kontrol tegangan (Volt) dan daya reaktif (Var) dapat dibagi atas beberapa tipe seperti berikut:

            1.      Kontrol Volt dan Var Tipe 1 - Stand alone controllers

Tipe ini Biasanya regulator tegangan feeder dan switch kapasitor bank dioperasikan dengan perangkat independen (berdiri sendiri), dengan tidak ada koordinasi langsung antara kedua perangkat pengontrol tesebut. Pendekatan waktu lebih efektif untuk menjaga tegangan dapat diterima dan aliran daya reaktif dalam pengawasan, tetapi biasanya tidak menghasilkan hasil yang optimal untuk seluruh feeder.

Gambar 1. Volt and Var control Type 1 - Stand alone controllers

Secara umum Pendekatan konvensional berhasil mencapai tujuan utama untuk peralatan ini. Namun, pendekatan ini memiliki beberapa keterbatasan :

·         Sistem ini tidak terus-menerus dipantau, sehingga kegagalan controller dan malfungsi tidak secara otomatis terdeteksi. Jaringan Kapasitor sangat rawan kegagalan. Tanpa pemantauan terus menerus, perangkat ini dapat menyalakan dan mematikan pada waktu yang salah, atau mungkin benar-benar tidak beroperasi karena sekering meledak. Kondisi ini bisa tidak terdeteksi sampai masalah memburuk menjadi masalah yang lebih serius dan berpotensi tidak aman.

·         Sistem ini tidak memiliki fleksibilitas untuk merespon perubahan kondisi pada jaringan tegangan. Setelan pengontrol bekerja dengan baik dalam keadaan normal. Namun, jika feeder yang ulang untuk alasan apapun (misalnya, sementara sebagian menyalahkan feeder sedang diperbaiki), pengaturan kontroler mungkin tidak menghasilkan hasil yang diinginkan.

·         Sistem ini tidak dapat digunakan untuk merespon keadaan sistem darurat. Kadang-kadang, utilitas distribusi dihimbau untuk menempatkan semua kapasitor diaktifkan dalam layanan secepat mungkin untuk merespon keadaan darurat jaringan listrik. Karena pengendali yang berdiri sendiri tidak memiliki kemampuan remote control, tidak mungkin untuk beralih cepat ke semua permintaan bank kapasitor.

 2.      Kontrol Volt and Var Tipe 2 - Integrated Volt and Var Control (IVVC)

Tegangan feeder dan aliran daya reaktif pada feeder merupakan variabel saling berkaitan dan ketergantungan. Tindakan  Kontrol untuk mengubah salah satu variabel dapat mengakibatkan menentang tindakan kontrol untuk mengubah variabel lain. Misalnya, menaikkan tegangan menggunakan transformator gardu LTC dapat menghasilkan kenaikan tegangan yang dapat menyebabkan kontrol capacitor bank untuk melepaskan layanan kapasitor bank nya, sehingga menurunkan tegangan. Demikian pula, menempatkan bank kapasitor dalam pelayanan dapat menyebabkan LTC untuk menurunkan tegangan di gardu tersebut. Sementara tindakan pengendalian konflik tersebut umumnya tidak menghasilkan kondisi listrik tidak dapat diterima pada feeder, mereka menghasilkan kondisi yang kurang efisien dan tidak optimal. Kontrol mengkoordinasikan tegangan dan daya reaktif yang diperlukan untuk menentukan dan melaksanakan tindakan pengendalian Volt-VAR yang benar-benar optimal[1].

Gambar 2. Integrated Volt / VAR Control (IVVC)

Integrated Volt VAR Control (IVVC) adalah fungsi Smart Distribusi lebih maju yang menentukan set terbaik dari tindakan kontrol untuk semua perangkat tegangan mengatur dan perangkat kontrol VAR untuk mencapai satu atau lebih tujuan operasi tertentu tanpa melanggar salah satu kendala operasi fundamental (tinggi / rendah batas tegangan, batas beban, dll). Tujuan operasi IVVC mungkin termasuk:

• Minimal Kerugian listrik
• Minimal Permintaan listrik
• Mengurangi konsumsi energi

Hal ini juga memungkinkan untuk menganjurkan merekomendasikan tindakan kontrol untuk meminimalkan jumlah operasi untuk load tap changer tertentu, regulator atau bank kapasitor yang mendekati batas akhir usia atau batas akhir siklus pemeliharaan.

IVVC menggunakan fungsi on-line power flow (OLPF) dan pengukuran real time untuk menghitung kondisi yang ada pada setiap titik pada feeder, kerugian total listrik, dan parameter lain yang tidak praktis untuk memantau secara langsung. Hasil OLPF dikirim ke sebuah "mengoptimalkan mesin", yang dimana software dirancang untuk menentukan set yang benar dari tindakan kontrol untuk mencapai "optimal" kondisi yang dibutuhkan oleh utilitas listrik. Tindakan kontrol ini kemudian dikirim ke pengendali perangkat yang tepat melalui SCADA.

3.      Kontrol Volt and Var Tipe 3 - Integrated VVO

Volt-VAR Control and Optimization (VVC & O) merupakan aplikasi Distribusi pintar yang menawarkan kemampuan baru yang melampaui tipe lainya yang pengendali konvensional berdiri sendiri, memberikan manfaat yang signifikan untuk penyedia layanan distribusi listrik[4].

Gambar 3. Integrated Volt dan Var Optimisation

Di masa depan integrated VVO harus mengintegrasikan semua informasi tegangan untuk memasukkan dalam simulasi waktu real time. Informasi ini diharapkan dari Sensor Distribusi, alat pengendali distribusi utama, AMI-Smart meter atau perangkat lain yang dapat memberikan informasi tegangan.

Gambar 4. Volt dan Var Optimisation yang terintegrasi Lanjutan

 4.      Kontrol Volt and Var Tipe 4 - Adaptative VVC

Sistem AVVC "belajar" dari tindakan kontrol Volt-Var sebelumnya, seperti yang ditunjukan pada gambar 4, dimana sistem kontrol selalu bertanya "Apa yang terjadi pada sistem di waktu lampau dimana dalam keadaan tertentu dan perubahan posisi tap LTC?" dan mencatat kejadian untuk tindakan masa depan.

Daftar Pustaka :

[1] Daliparthi, mathi., Jakub-Wood, marsela., Bose, anjan., “Analysis of the Volt/VAr Control Scheme for Smart Distribution Feeders,” The School of Electrical Engineering and Computer Science, Pullman, WA., 978-1-4673-2308-6/12/$31.00 ©2012, IEEE.

[2] Zhabelova, Gulnara., Vyatkin, Valeriy., “Multiagent Smart Grid Automation Architecture Based on IEC 61850/61499 Intelligent Logical Nodes,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 5, pp. 2351–2362, May 2012.

[3] Z. Shen, Z. Wang, M. E. Baran, “Optimal Volt/Var Control Strategy for Distribution System with Multiple Voltage Regulating Devices,” North Carolina State University, 978-1-4673-1935-5/12/$31.00 ©2012, IEEE.

[4] L. Yutian, Z. Peng, Q. Xizhao, “Optimal volt/var control in distribution systems,”Electrical Power and Energy Systems 24, pp. 271-276, 2012.

[5] M. Pipattanasomporn., “Multi-Agent Systems in a Distributed Smart Grid: Design and Implementation,” Proc. IEEE PES 2009 (PSCE’09), Mar 2009.