Proteksi Arus Lebih yang Adaptif pada Sistem Distribusi Dengan Pembangkit Tersebar

(1)

Abstrak - Perkembangan teknologi pembangkit tenaga

listrik sudah semakin meningkat. Apalagi dengan berkembangnya pembangkit distribusi yang dapat bekerja pada mode Islanded. Dimana pada kondisi ini sistem disupply oleh distributed generation dan Grid terpisah. Namun demikian pengaman arus lebih masih memiliki masalah pada perbedaan arus gangguan ketika sistem distribusi terhubung dengan grid dan ketika dalam keadaan Islanded. Oleh sebab itu pada tugas akhir ini diusulkan menggunakan metode pengaman yang adaptif, yang memanfaatkan informasi lokal untuk mengatasi kendala pada pengaman arus lebih di sistem distribusi dengan pembangkit tersebar. Karakteristik trip pada rele diupdate dengan mengetahui kondisi pengoprasian (terhubung grid atau island) dan bagian gangguannya. Dalam hal ini bagian yang mengalami gangguan juga dideteksi menggunakan karakteristik waktu arus lebih dari rele pengaman. Hasil simulasi akan ditunjukan melalui simulasi ETAP 7.0. Dari hasil analisis menunjukan bahwa kondisi pengoprasian dan pada bagian gangguan dapat diidentifikasi dengan tepat. Maka pengaturan sistem pengaman dapat diupdate untuk menyelesaikan masalah gangguan dengan lebih cepat.

Kata Kunci – pengaman adaptif, rele pengaman,

pembangkit tersebar

I. PENDAHULUAN

embangkit tersebar atau Distributed Generation (DG) sudah menjadi daya tarik tersendiri di bidang tenaga listrik. Salah satu manfaat yang paling utama dari DG adalah dapat dioperasikan untuk sistem distribusi dengan mode Island, yaitu keadaan dimana pada mode ini sistem distribusi menjadi terisolasi secara elektrik dari seluruh sistem tenaga. Salah satunya adalah wind turbine generators (WTG) dan combined heat and power (CHP) plants. Hal ini sangat bermanfaat untuk meningkatkan kualitas pasokan tenaga serta dapat di operasikan dalam mode island jika terjadi pemadaman [1]-[4].

Pada kondisi terhubung grid dan islanding arus hubung singkat memiliki nilai yang berbeda. Pada umumnya saluran transmisi memiliki arus hubung singkat yang lebih tinggi dibandingkan dengan arus hubung singkat pada saluran distribusi. Namun demikian, saat sistem distribusi dalam keadaan islanded arus gangguan yang perlu diamankan lebih rendah daripada saat terhubung dengan

saluran transmisi. Maka dari itu diperlukan pengaman yang adaptif.

Rele arus lebih digital yang modern untuk tegangan rendah memiliki 2-4 aplikasi setting group [5]. Namun implementasi yang dilakukan sangat kompleks dan memakan banyak biaya untuk sebuah sistem distribusi kecil. Maka dari itu proteksi arus lebih yang adaptif ini digunakan untuk membaca karakteristik trip pada rele yang berdasarkan dari perubahan di kondisi pada sistem (island

atau terhubung grid).

II. PENGAMAN JARINGAN DISTRIBUSI DENGAN

PEMBANGKIT TERSEBAR

Sistem jaringan tenaga listrik adalah penyaluran energi listrik dari pembangkit tenaga listrik (power station) hingga sampai kepada konsumen (beban) pada tingkat tegangan yang diperlukan. Ada tiga bagian penting dalam proses penyaluran tenaga listrik, yaitu pembangkitan, penyaluran (transmisi) dan distribusi [6]. Pada sistem ini saluran distribusi yang digunakan adalah saluran distribusi jaringan radial. Dimana bentuk jaringan ini merupakan bentuk dasar yang paling sederhana dan paling banyak digunakan. Jaringan yang ditunjukan pada Gambar 1 juga dilengkapi

distributed generation yang dapat member supply saat Grid terlepas.

A. Saluran Distribusi Jaringan Radial

Gambar 1. Konfiguraasi jaringan radial [7]

Proteksi Arus Lebih yang Adaptif pada Sistem

Distribusi Dengan Pembangkit Tersebar

Edo Harwindo Wibisono, Ardyono Priyadi, Dimas Anton Asfani Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri - ITS

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail: edo.wibisono@gmail.com ; priyadi@ee.its.ac.id; anton@ee.its.ac.id

P

20 KV 150 KV PMT 20 KV PMT 150 KV PMT 20 KV Trafo Daya Trafo Distribusi Distributed Generation

(2)

Pemasangan transformator pada sistem distribusi ini diletakkan sedekat mungkin dengan daerah beban yang dilayani. Transformator ini berguna untuk menurunkan tegangan sistem agar dapat dikonsumsikan pada beban konsumen. Ditambah lagi adanya distributed generation

yang menjamin ketersediaan tenaga listrik pada sistem distribusi.

B. Distributed Generation

Distributed generation (DG) atau bisa disebut pembangkit tersebar dapat didefinisikan sebagai pembangkit tenaga listrik modular, kecil atau perlengkapan penyimpanan (storage devices) yang tersebar dekat tempat pelanggan dan dapat digabungkan dengan jaringan maupun dioperasikan secara terpisah. Istilah distributed generation

menunjuk kepada pembangkit tenaga listrik dengan kapasitas daya dengan skala kecil 15-10.000kW [8].

Salah satu aplikasi dari DG adalah Combined Heat and Power (CHP). Aplikasi ini beroperasi paling sedikit 6000 jam dalam setahun untuk membangkitkan tenaga listrik bagi sebagian atau seluruh fasilitas. Energi panas yang dibuang dapat digunakan untuk memanaskan udara ruangan, air atau untuk keperluan lainnya. Dengan demikian, aplikasi ini mempunyai efisiensi sangat tinggi.

Karena posisinya yang tersebar, maka pada sistem ini juga diperlukan rele arus lebih berarah agar dapat mendeteksi arus gangguan berdasarkan arah gangguannya.

C. Rele Arus Lebih Berarah (DOCR) untuk pengaman distributed generation

Rele arah (directional rele) banyak digunakan untuk membedakan arah suplai arus apakah menuju arah yang seharusnya atau menuju arah yang lainnya. Rele arah ini banyak diintegrasikan dengan arus lebih menjadi rele arus lebih berarah atau directional overcurrent relay (DOCR). Rele ini akan aktif jika dua kondisi, yang pertama arus harus lebih tinggi dari ambang pengaturan (pickup) dan kedua arus ganggguan sesuai dengan arah pada setting rele.

Gambar 2. Karakteristik kerja rele arah [10]

Gambar 3. Flow chart diagram sistem simulasi

Pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa daerah trip ditentukan dari sudut dimana arus dan tegangan diterapkan pada rele untuk menghasilkan torsi maksimum. Setelan sudut ini biasa disebut sebagai maximum torque angle

(MTA). Sedangkan Operating Characteristic merupakan ambang pengaturan arus lebih (pickup). Terdapat dua daerah yaitu daerah positif dan negatif. Daerah positif merupakan daerah dimana arus diijinkan untuk diputus. Sedangkan daerah negatif merupakan daerah batas aman. Karena arus tidak melebihi batas Operating Characteristic.

III. PERANCANGAN SISTEM SIMULASI

Untuk melakukan studi koordinasi rele pengaman pada sistem simulasi yang dapat dilihat pada Gambar 3. Dimana terdapat beberapa pengukuran dan deteksi pada setiap koneksi. Terdapat tiga kondisi yaitu saat terhubung Grid, kondisi Islanding dan kondisi saat salah satu pembangkit lepas yaitu N-1.

Dari sistem tersebut terdapat berbagai peralatan distribusi. Peralatan tersebut dapat dilihat pada data peralatan. yes no yes no yes Start Pengukuran Arus Arus Abnormal Menghitung waktu pemutusan gangguan Perubahan setting rele

Menyimpan set poin untuk deteksi islanding, grid resinkronisasi dan karakteristik downstream rele

Perbandingan dan identifikasi rele yang mengalami pickup

Pengukuran Tegangan

Sistem

Islanded

Mengganti setting rele untuk islanding

Menghitung Frekuensi

Grid

Reconnected

Perubahan setting rele untuk koneksi Grid no Position of I for maximum positive torque Negative torque area Operating Characteristic Imin V I Positive torque area

(3)

Gambar 4. Single Line Diagram Sistem Simulasi

A. Data Sistem Distribusi

Sistem distribusi tenaga listrik yang digunakan pada simulasi Gambar 4 adalah sistem radial dengan distributed generation. Dimana terdapat banyak generator yang tersebar pada sistem ini. Untuk dapat didistribusikan bersama, maka perlu trafo agar tegangan bisa disamakan. Pada Tabel 1 menunjukan data-data trafo yang digunakan pada sistem simulasi. Masing-masing trafo memiliki besaran yang berbeda-beda. Namun pada sisi sekunder besaran tegangan disamakan yaitu sebesar 20KV.

Tabel 1. Data Trafo pada sistem simulasi

ID MVA Prim. KV Sec. KV % Z X/R T Grid 10 150 20 8 15.5 T WTG1 2.5 0.69 20 6 10.67 T G1 4 6.3 20 7 11.41 T G2 3.15 6.3 20 7 11.41 T GNet1 3.15 6.3 20 7 11.41 T GNet2 4 6.3 20 7 11.41 T GNet3 4 6.3 20 7 11.41

Untuk saluran distribusi pada simulasi menggunakan kabel tembaga XPLE dengan ukuran 120 mm2 dan panjang 100 m untuk menghubungkan bus satu dengan lainya.

Line pada Tabel 2 menunjukan besaran resistansi dan reaktansi yang berbeda di setiap hubungan antar bus. Tabel 2. Data Line pada sistem simulasi

ID Dari (Bus) Ke (Bus) R X Line12 1 2 0.1344 0.0632 Line17 1 7 0.1256 0.1404 Line23 2 3 0.1912 0.0897 Line34 3 4 0.4874 0.2284 Line45 4 5 0.1346 0.0906 Line56 5 6 0.1346 0.0906

Sistem pembangkitan pada simulasi ini terdiri dari berbagai macam dan jenis pembangkit. Maka dari itu diperlukan data pembangkit yang digunakan pada sistem.

B. Data Pembangkit

Pada sistem distribusi tenaga listrik dengan distributed generation terdapat banyak generator yang tersebar, antara lain WTG1 pada Bus3, G1 pada Bus4, G2 pada Bus6 serta Grid dan CHP (Combined Heat and Power) yang terdiri dari 3 GTG dalam satu network. Dimana data pembangkit dapat dilihat pada Tabel 3.

Grid yang digunakan pada sistem ini memiliki besar energi short circuit maksimum dan minimum sebesar 248MVA dan 224MVA.

CHP Bus6 Bus5 Bus4 Bus3 Bus2 Bus1 R71 R17 R21 R32 R43 R54 R 65 R12 R23 R34 R45 R56 GRID WTG Line 34

Lump 1 Lump 3 Lump 4 Lump 5

Lump 6

Line 12 Line 23 Line 45 Line 56

G1 G2 Lump 2 GNe t1 GNe t2 GNe t3

(4)

Tabel 3. Data pembangkit pada sistem simulasi

ID Tipe Rating Daya

(MW) Rating Tegangan (KV) PF (%) GNet1 CHP 2.5 6.3 85 GNet2 CHP 2.8 6.3 85 GNet3 CHP 2.8 6.3 85 WTG1 WTG 2 0.69 85 G1 GTG 2.8 6.3 85 G2 GTG 2.5 6.3 85 C. Data Beban

Beban-beban listrik pada simulasi ini terdiri dari

Lumped Load. Adapun kapasitas beban Lumped Load yang dipasang pada simulasi terdapat di Tabel 4. Pada tabel tersebut menunjukan besaran MVA serta nilai KV yang digunakan pada beban tersebut.

Tabel 4. Data beban pada sistem simulasi

ID Bus KV MVA PF (%) Lump1 1 20 2.128 99.09 Lump2 2 20 0.492 91.38 Lump3 3 20 0.775 91.65 Lump4 4 20 0.121 91.04 Lump5 5 20 0.121 91.04 Lump6 1 20 7.13 97.55

D. Peralatan sistem proteksi

Pada sistem simulasi ini menggunakan peralatan pengaman berupa rele arus lebih (Overcurrent Relay) untuk mendeteksi gangguan, Namun untuk mendeteksi arah gangguan diperlukan juga rele arus lebih berarah DOCR. Di setiap Line seperti yang ditunjukan pada Tabel 5, terdapat dua rele dengan arah yang berlawanan.

Tabel 5. Data pengaman saluran utama (DOCR)

ID Line Arah R71 Line17 Reverse R17 Forward R12 Line12 Reverse R21 Forward R23 Line23 Reverse R32 Forward R34 Line34 Reverse R43 Forward R45 Line45 Reverse R54 Forward R56 Line56 Reverse R65 Forward

Dua rele yang berlawanan tersebut berfungsi untuk mendeteksi gangguan dari arah forward atau reverse. Apabila terjadi hubung singkat yang letaknya di tengah saluran, maka saluran dapat tetap terjaga kontinuitasnya.

IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISA

Setelah melakukan pengisian data pada sistem simulasi. Selanjutnya adalah melakukan analisa pada Load Flow dan Short Circuit. Dengan ini penyetelan rele dapat dilakukan. Penyetelan dilakukan pada kondisi terhubung Grid, Islanding dan N-1.

A. Setting rele saat terhubung Grid

Sebelum melakukan perhitungan pada DOCR maka MTA harus ditentukan terlebih dahulu. MTA dapat dihitung menggunakan resistansi dan reaktansi pada line yang digunakan pada sistem. Penentuan besaran MTA dapat dilihat pada perhitungan (1). Dimana MTA ini digunakan sebagai sudut batas untuk DOCR.

|

𝛽𝛽

| =

−

tan

−1𝑅𝑅

𝑋𝑋

(1)

Dimana β adalah sudut torsi maksimum yang dicari sedangkan R dan X merupakan resistansi dan reaktansi pada line.

Pada tipikal 1a, koordinasi DOCR (50/51) mulai dari R17 hingga R43 dengan gangguan di Bus7 dan kondisi terhubung dengan Grid. Urutan rele yang bekerja adalah R17, R21, R32 dan R43.

DOCR yang pertama merespon adalah R17 dengan waktu 0.1s yang merupakan reverse rele yang mengamankan saluran dari hubung singkat. Kemudian dilanjutkan R21 dengan setting waktu sama dan merupakan

backup dari R17. Termasuk R32 dan R43 yang bekerja dengan time delay 0.3s dan 0.5s berfungsi sebagai backup

jika rele sebelumnya mengalami kegagalan.

Rele arus lebih memiliki setelan pickup dan setelan

time dial. Pickup didefinisikan sebagai nilai arus minimum yang menyebabkan rele bekerja (Iset). Pada rele arus lebih, besarnya arus pickup ini ditentukan dengan pemilihan tap.

Adapun untuk menentukan besarnya tap yang digunakan dapat melalui persamaan (2).

Tap =

_CT_{𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝}Iset (2) Setelan time dial menentukan waktu operasi rele. Untuk menentukan time dial dari masing-masing kurva karakteristik rele dapat menggunakan persamaan (3). Dimana td adalah waktu operasi, Isc min kontribusi merupakan arus kontribusi yang melewati rele tersebut, sedangkan Ipp adalah arus pickup. Terdapat k dan α yang

merupakan koefisien invers. Untuk kurva tipe standard invers nilai k adalah 0.14 dan α dengan besar 0.02. Serta D

sebagai time dial.

td = k×D

�Isc min kontribusi_Ipp �α−1 (3)

Untuk mendapatkan setting rele yang tepat kita perlu menghitung besar Ipp yang merupakan arus pickup. Dimana arus ini merupakan arus pemicu awal saat terjadinya short

(5)

circuit, sehingga arus ini bekerja pada posisi awal inverse

rele. Adapun mendapatkan Ipp yaitu dengan cara berikut: 1.05 × FLA ≤ Ipp ≤ 1.2 × FLA (4) Dengan ini maka didapatlah Ipp dengan ukuran yang diinginkan. Sedangkan menentukan nilai batas atasnya adalah dengan menghitung dari Isc min kontribusinya.

Iset ≤ 0.8 × ISC min kontribusi (5) Dari persamaan-persamaan diatas maka hasil perhitungan dari setting masing-masing rele reverse sudah dapat diterapkan pada kurva di Gambar 5 dan Tabel 6. Untuk tabel lengkap terlapir. Pada gambar tersebut terlihat bahwa besar arus yg dirasakan pada I R17 sebesar 2.66 KA sedangkan I R21, I R32 dan I R43 merasakan arus kontribusi sebesar 0.54 KA.

Tabel 6. Hasil perhitungan setting reverse rele Tipikal 1a

ID Lowset (A) Hiset (A) Time

Dial (s) Time Delay (s) R17 130 2000 0.05 0.1 R21 60 400 0.13 0.1 R32 80 400 0.16 0.3 R43 80 400 0.22 0.5

B. Setting rele saat hubungan Islanding

Seperti pada pengaturan rele saat terhubung dengan Grid. Setting MTA sama seperti sebelumnya, karena line yang digunakan tidak berubah. Perubahan yang terjadi adalah pada hubungannya dan arus hubung singkat yang lebih rendah.

Pada tipikal 1b koordinasi DOCR (50/51) mulai dari R17 hingga R43 dengan gangguan di Bus7 kondisi

Islanding. Urutan rele yang bekerja adalah R17, R21, R32 dan R43. Setting time delay pada tipkal ini sama seperti tipikal sebelumnya yaitu 0.1s untuk R17 dan R21, 0.3s untuk R32 dan 0.5s untuk R43. Hasil dari setting pada tipikal 1b dapat dilihat pada Gambar 6 dan Tabel 7.

Tabel 7. Hasil perhitungan setting reverse rele Tipikal 1b

Gambar 6 memperlihatkan plot yang sudah dikoordinasikan. Setiap rele merasakan arus kontribusi saat terjadi hubung singkat yang sama yaitu sebesar 0.533 KA. Sehingga nilai Iset juga sama, yang membedakan adalah pada Ipp, time dial, dan time delay.

Gambar 5. Hasil Plot Setting Tipikal 1a

Gambar 6. Hasil Plot Setting Tipikal 1b

R17 R21 R32 R43 R17 R21 R32 R43

(6)

Gambar 7. Hasil Plot Setting Tipikal 1c

C. Setting rele saat kondisi salah satu DG lepas

Penyetelan ini menggunakan tipikal 1c koordinasi DOCR (50/51) mulai dari R17 hingga R43 dengan gangguan di Bus7 kondisi G2 lepas dari sistem. Dengan urutan yang sama seperti sebelumnya, hasil plot dan setting

dapat dilihat pada Gambar 7 dan Tabel 8.

Tabel 8. Hasil perhitungan setting reverse rele Tipikal 1c

Hasil plot pada Gambar 7, menunjukan nilai arus kontribusi hubung singkat pada I R17 sebesar 2.06 KA sedangkan untuk I R21, I R32 dan I R43 sebesar 0.288 KA. Penyetelan dibuat sedemikian rupa agar proses trip dapat saling berurutan. Jadi meminimalisir terjadinya black out

pada sistem distribusi.

Dari hasil simulasi diatas dapat dilihat bahwa rele adaptif dapat menjamin ketersediaan pasokan energi listrik. Karena saat terjadi gangguan, rele bekerja berdasarkan arah arus gangguan. Sehingga pembangkit lain tidak perlu trip untuk memutus gangguan itu.

V. PENUTUP

A. Kesimpulan

Berdasarkan hasil studi dan analisis koordinasi rele pengaman pada sistem simulasi yang digunakan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa, terdapat time delay yang sama untuk R21 dan R17 yaitu 0.1s dengan gangguan di Bus7. Hal ini dilakukan agar time delay pada rele arah tidak melebihi 0.9s.

Untuk rele arah pada saluran bekerja pada kurva

instantaneous agar dapat menjaga kelangsungan

pembangkit dalam menyalurkan energi listrik. Sedangkan pengaman pada pembangkitan diatur agar mengenai kurva

invers, supaya rele arah dapat bekerja terlebih dahulu saat terjadi gangguan.

B. Saran

Karena besar arus hubung singkat pada kondisi Grid

Connected, Islanding dan N-1 berbeda-beda, maka

pengaman pada pembangkitan dan Grid juga perlu menggunakan adaptif rele. Hal ini dapat menghindari trip

yang bersamaan dengan rele arah atau trip yang terlalu lama.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Pukar Mahat, Zhe Chen, Birgitte Bak-Jensen, and Claus Leth Bak, “A Simple Adaptive Overcurrent Protection of Distribution Systems With Distributed Generation,” IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID, VOL. 2, NO. 3, SEPTEMBER 2011.

[2] F. Castro-Sayas dan G. Clarke, “The cost and benefits of embedded generation islanding operation,” DTI Sustainable Energy Programmes, Tech. Rep. k/EL/00284/REP, 2002.

[3] F. Pilo, G. Celli, dan S. Mocci, “Improvement of reliability in active networks with intentional islanding,” in Proc. IEEE Int. Conf. Elect. Utility Deregulation, Restructuring, Power Technol., 2004, vol. 1– 2, pp. 474–479.

[4] K. Nigim dan Y. Hegazy, “Intentional islanding of distributed generation for reliability enhancement,” in Proc. IEEE Power Eng. Soc. Gen. Meet., Oct. 2003, pp. 208–213.

[5] A. Oudalov and A. Fidigatti, “Adaptive network protection in microgrids,” [Online]. Available: http://www.microgrids.eu/docu-ments/519.pdf

[6] Daman Suswanto, “Sistem Distribusi Tenaga Listrik”, Edisi Pertama, Padang, Juli. 2009.

[7] Endi Sopyandi, “Tipe-tipe Jaringan Distribusi Tegangan Menengah 20 KV”, <URL: electricdot.wordpress.com/2011/08/16/tipe-tipe-jaringan-distribusi-tegangan-menengah/>, Mei, 2013.

[8] Dondi P et al. Network Integration of Distributed Power Generation. Journal of Power Sources, Vol. 106, 2002

[9] Prévé, Christophe, “Protection of Electrical Networks”, ISTE Ltd., London, Ch. 7, 9, 2006

[10] Gurevich, Vladimir, “Electric Relays, Principle and Application”, CRC Press, USA, Ch. 10, 2006

R17 R21