BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Mutakhir (State of The Art Review) Penelitian mengenai rele jarak saat ini telah banyak dilakukan. Beberapa penelitian yang telah dilakukan sebelumnya terkait rele jarak tersebut, dijadikan sebagai acuan (referensi) dalam pengembangan pembahasan pada usulan tugas akhir ini. Hal ini dilakukan bertujuan untuk menentukan batasan – batasan masalah yang akan dibahas pada penelitian ini. Adapun beberapa tinjauan mutakhir dari referensi penelitian tersebut adalah sebagai berikut :
1) Penelitian yang berjudul “Studi Pengaruh Mutual Indutance Terhadap Setting Rele Jarak Pada Saluran Transmisi Double Circuit 150 kV Antara GI Kapal – GI Pemecutan Kelod” oleh Ahmad Ridwan (2010)
Penelitian tersebut membahas mengenai pengaruh mutual inductance terhadap setting rele jarak pada saluran transmisi double ciruit 150 kV antara GI Kapal – GI Pemecutan Kelod.
2) Penelitian yang berjudul “Analisis Setting Rele Jarak Pada Sistem SUTT 150 kV Pembangkit Celukan Bawang” oleh Bhimantara Ari Sugandi (2010) dengan metode analisis perhitungan.
Penelitian tersebut membahas mengenai besar nilai setting dan pembagian zone pengaman yang sesuai untuk rele jarak pada saluran Gilimanuk – Celukan Bawang, saluran Celukan Bawang – Pemaron, dan saluran Kapal – Celukan Bawang. Rele jarak yang digunakan pada analisis tersebut adalah jenis rele Quadramho.
5
6
3) Penelitian yang berjudul “Setting Rele Jarak Pada Sistem SUTT 150 kV GI Kapal – GI Padang Sambian Menggunakan Metode Adaptive Neuro – Fuzzy Inference System (ANFIS)” oleh M. Nordiansyah (2014) dengan metode ANFIS.
Penelitian tersebut membahas tentang menentukan setting rele jarak pada sistem SUTT 150 kV GI Kapal – GI Padang Sambian menggunakan metode Adaptive Neuro – Fuzzy Inference System (ANFIS).
4) Penelitian yang berjudul “Comparative Evaluation of Adaptive and Conventional Distance Relay for Parallel Transmission Line with Mutual Coupling” oleh S.G. Srivani, Chandrasekhar Reddy Atla, dan K.P. Vittal (2008) dengan metode simulasi pada PSCAD / EMTDC.
Penelitian ini membahas tentang evaluasi perbandingan adaptif rele jarak dengan konvensional rele jarak pada jaringan transmisi dengan memperhitungkan mutual coupling.
2.2 Sistem Proteksi (Pengaman Sistem) Tingkat keandalan suatu sistem tenaga listrik ditinjau dari frekuensi pemadaman dan waktu pemadaman. Semakin tinggi frekuensi pemadaman dan semakin lama waktu pemadaman, maka tingkat keandalan sistem tenaga listrik tersebut semakin rendah. Pemadaman tersebut biasanya dapat terjadi dikarenakan adanya gangguan pada sistem tersebut, baik berupa gangguan internal sistem ataupun gangguan eksternal dari sistem tenaga listrik. Untuk mengatasi permasalahan tersebut dibutuhkan mekanisme yang dapat menghindari frekuensi pemadaman dan waktu pemadaman yang terlampau sering dalam waktu yang cukup lama. Oleh sebab itu, dibutuhkan sistem proteksi (pengaman sistem) untuk mengamankan jaringan tenaga listrik. Suatu sistem proteksi jaringan SUTT dapat dibagi dalam dua bagian yakni (Parhusip,dkk,2012):
7
a) Proteksi utama Sistem proteksi yang diharapkan bekerja sesegera mungkin ketika terjadi kondisi abnormal atau gangguan pada daerah pengamanan. b) Proteksi cadangan Sistem proteksi yang dimungkinkan apabila pengaman utama tidak dapat bekerja. Pada proteksi cadangan ini pula dapat dibagi menjadi dua kategori yaitu :
Sistem proteksi cadangan lokal Sistem proteksi cadangan yang dapat bekerja, apabila pengaman utama yang sama gagal bekerja, contoh : penggunaan OCR dan GFR.
Sistem proteksi jarak jauh Sistem proteksi ini dapat bekerja apabila pengaman utama di tempat lain gagal bekerja.
Pada dasarnya sistem proteksi harus memenuhi syarat – syarat diantaranya adalah (Aljufri,dkk,2011) : a) Cepat yakni mampu bekerja secepat mungkin memisahkan bagian yang mengalami gangguan dari sistem jaringan yang normal. b) Sensitif yakni peka terhadap gangguan sekecil apapun. c) Selektif yakni mampu mengetahui letak gangguan dan memilih pemutus jaringan terdekat, dengan begitu saluran yang mengalami gangguan saja yang dipisahkan dari sistem. d) Andal yakni hanya akan bekerja bila diperlukan (bila kondisi abnormal atau bekerja saat terjadi gangguan saja) dan tidak bekerja saat kondisi sistem jaringan dalam keadaan normal. Adapun tujuan adanya proteksi pada suatu sistem diantaranya adalah (Tobing,2008) : a) Mengurangi kerugian produksi b) Menempatkan dan memisahkan gangguan dari peralatan c) Mengetahui jenis gangguan d) Melindungi sistem
8
e) Meminimalisir kerusakan yang ditimbulkan oleh adanya gangguan pada sistem f) Melindungi sistem dari jatuh tegangan (drop voltage) untuk mempertahankan kestabilan g) Melindungi keselamatan manusia (pekerja)
2.3 Rele Jarak (Distance Relay) Rele proteksi merupakan salah satu komponen penting dalam sistem pengamanan saluran transmisi yang digunakan untuk mengamankan jaringan sistem tenaga listrik. Fungsi utamanya adalah ketika terdapat gangguan pada sistem, maka peralatan sensing pada rele bekerja mendeteksi adanya gangguan tersebut dan selanjutnya sinyal dikirim menuju circuit breaker (pemutus) untuk memutuskan jaringan yang mengalami gangguan (Permana,2010). Salah satu rele proteksi yang digunakan pada sistem jaringan tenaga listrik adalah rele jarak (distance relay). Rele jarak adalah rele pengaman utama pada saluran transmisi. Rele ini menggunakan pengukuran tegangan dan arus untuk mendapatkan impedansi saluran yang diamankan. Rele akan bekerja jika impedansi terukur di dalam batas setting. Rele jarak bergantung pada jarak gangguan yang terjadi terhadap rele proteksi dan tidak bergantung pada besarnya arus gangguan yang terjadi (Wisatawan,dkk,2012).
Gambar 2.1 Daerah Pengamanan (Zone) Rele Jarak (Sumber : PLN,2006)
9
Rele jarak (distance relay) membagi daerah operasinya menjadi beberapa daerah (zone), dimana di setiap area (zone) memiliki reaksi rele jarak yang berbeda – beda. Berikut ini penjelasan area cakupan (zone) pada rele jarak (distance relay) (Wisatawan,dkk,2012) : a) Zone 1 : merupakan daerah proteksi utama. Pada daerah ini rele jarak bekerja seketika (instantaneous), tanpa adanya perlambatan waktu. Batas zona 1 ini yaitu dari lokasi rele jarak sampai 80% panjang saluran transmisi. b) Zone 2 : merupakan daerah proteksi cadangan dari zone 1, dengan daerah bekerja meliputi seluruh daerah pada saluran pertama ditambah dengan 20% daerah yang berada setelah bus depan. Dengan kata lain 100% panjang saluran pertama ditambah 20% panjang saluran berikutnya, berarti daerah proteksi rele jarak sampai 120% panjang saluran transmisi. Reaksi rele jarak ini mengalami perlambatan waktu, karena daerah ini adalah daerah cadagan zone 1. c) Zone 3 : merupakan daerah proteksi cadangan dari zone 2, dengan daerah meliputi seluruh daerah pada saluran pertama dan kedua ditambah 20% panjang saluran ketiga. Dengan kata lain zone 3 ini bekerja mengamankan 220% dari panjang saluran pertama. Dikarenakan fungsinya sebagai cadangan dari zone 2, maka perlambatan waktunya lebih besar daripada zone 2. Selain zone 1, zone 2, dan zone 3, biasanya rele jarak juga memiliki daerah (zone) pembalikan arah daerah ketiga (zone 3 reversed). Zone 3 reversed ini berfungsi untuk menutupi kelemahan pada zone 3, dikarenakan zone ini mudah terpengaruh jika sistem mengalami kondisi ayunan daya (power swing). Kondisi ini mengakibatkan nilai impedansi pada saat beban lebih mendekati nilai impedansi saat gangguan sehingga rele jarak dapat bekerja. Oleh sebab itu, dengan adanya zone 3 reversed, maka rele jarak tidak bekerja apabila terjadi ayunan daya (power swing).
10
2.3.1 Prinsip Kerja Rele Jarak Rele jarak mengukur tegangan pada titik rele dan arus gangguan yang terlihat dari rele, dengan membagi besaran tegangan dan arus. Sehingga perhitungan impedansi dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini (Tobing,2008) : =
/
......................................................................................................(2.1)
Dimana :
= Impedansi (Ω) = Tegangan (V) = Arus gangguan (A) Rele jarak bekerja dengan ketentuan sebagai berikut : a) Rele akan trip jika nilai impedansi gangguan lebih kecil daripada impedansi setting (Zf < Zset). b) Rele tidak akan trip jika nilai impedansi gangguan lebih besar daripada impedansi setting (Zf > Zset). Rele jarak (distance relay) didalam mengamankan saluran transmisi memiliki 4 komponen dasar yakni seperti penjelasan berikut ini (Titarenko dan Noskov,1987) :
Gambar 2.2 Rangkaian Komponen Dasar Rele Jarak (Distance Relay) (Sumber : Titarenko dan Noskov,1987)
11
a) Huruf C merupakan komponen starting, komponen ini berfungsi sebagai pembatas gangguan sehingga apabila gangguan terjadi di luar zone maka rele tidak boleh bekerja. b) Huruf P yang ditunjukkan pada gambar di atas ditandai sebagai komponen power directional, komponen ini berperan mengijinkan suatu pengaman bekerja apabila terdapat gangguan dengan arah dari bus ke saluran transmisi yang diamankan. c) Huruf D pada gambar di atas menunjukkan komponen distance yang berfungsi menentukan nilai impedansi dari perbandingan tegangan dan arus (Ur/Ir) sehingga dapat mengukur jarak dari pengaman ke titik gangguan yang terjadi. d) Sedangkan huruf T adalah komponen time delay, komponen ini merupakan rangkaian waktu dimana nilainya tergantung dari jarak pengaman ke titik gangguan. Dengan demikian dapat dijelaskan bahwa arus dan tegangan yang terbaca pada CT dan VT dibandingkan pada komponen power directional (P) dan komponen distance (D) untuk memperoleh arah gangguan dan nilai impedansi gangguan, kemudian dari hasil perbandingan tersebut pula ditentukan gangguang yang terjadi termasuk zone 1, zone 2, atau zone 3 sehingga rele dapat bereaksi.
2.3.2 Setting Rele Jarak Dalam setting rele jarak, pertama – tama ditetapkan terlebih dahulu nilai impedansi di sistem tenaga primer. Sehingga impedansi sekunder dapat dihitung dengan persamaan berikut ini (Samuel,dkk,2012) : =
Dimana :
(
) .........................................................................................(2.2) = Impedansi sekunder (Ω) = Impedansi primer (Ω) = Rasio Transformator Arus (A) = Rasio Transformator Tegangan (V)
12
Sedangkan berikut ini adalah penjelasan setting rele jarak pada setiap zona (Suprijono,2012) : 1) Setting zone 1 Setting zone 1 tidak mencakup 100% saluran yang diamankan (diproteksi). Zone 1 biasanya diseting 80% dari panjang saluran transmisi. Hal – hal yang perlu diperhatikan dalam setting zone 1 ini adalah : a) Unit zona 1 tidak diperbolehkan bekerja apabila terdapat gangguan di terminal ujung saluran dan bekerja seketika apabila terdapat gangguan terdeteksi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.3, apabila terjadi gangguan pada F1 atau pada F2 maka rele R1 dan R4 bekerja. Apabila gangguan terjadi pada F1 maka seharusnya hanya rele – rele pada saluran tersebut yang bekerja, yakni rele R1 dan R2, sedangkan rele R4 tidak bekerja.
Gambar 2.3 Jangkauan Zone 1 Tidak Boleh Hingga Terminal Depan (Sumber : Suprijono,2012)
b) Jangkauan zona 1 tidak boleh kurang dari 50% panjang saluran, dikarenakan tahanan gangguan. Sebab akan ada daerah pada saluran tersebut yang tidak mempunyai proteksi seketika.
2) Setting zone 2 Setting zone 2 ini biasanya diseting mencakup hingga beberapa bagian saluran depan kedua. Impedansi setting zone 2 ini yakni 100% saluran depan ditambah 20 % saluran depan kedua. Prinsip penyetelan rele pada zona 2 yakni : a) Zona 2 harus mencakup minimum gangguan di rel depan, dikarenakan adanya variasi nilai tahanan gangguan. Rele zona 2 diseting 20% lebih besar dari impedansi gangguan, dengan memberi tahanan gangguan terbesar yang mungkin terjadi.
13
b) Unit zona 2 dengan memperhatikan bila adanya transformator di rel depan, maka zona ini tidak boleh bekerja bila adanya gangguan pada transformator tersebut. Zona ini sebenarnya dapat mencakup gangguan pada transformator, asalkan waktu kerja zona ini lebih lama dari waktu kerja rele – rele proteksi cadangan trafo terlama yang mungkin terjadi. Dikarenakan zona ini ditujukan sebagai proteksi cadangan utama pada saluran transmisi, maka waktu penyetelan tidak diperkenankan lebih besar dari waktu penyetelan terlama dari proteksi cadangan. Penyetelan zona 2 hampir selalu tidak boleh mencakup gangguan pada transformator di rel depan.
3) Setting zone 3 Jangkauan zona 3 merupakan cadangan unit zona 2 sehingga jangkauannya lebih jauh dari jangkauan zona 2. Jangkauan zona ini biasanya diseting 220% melewati saluran di depan dan saluran di depan kedua. Transformator berada di rel depan, maka zona 3 diseting lebih kecil dari impedansi saluran di depan ditambah reaktansi transformator. Bila waktu penyetelan proteksi cadangan terlama transformator lebih kecil dari waktu penyetelan zona 3, maka penyetelan zona 3 tidak perlu dirubah. Tetapi bila lebih besar dari waktu penyetelan zona 3, maka waktu penyetelan zona ini dapat diperbesar. Rata – rata waktu penyetelan zona 3 lebih besar dari waktu cadangan rele – rele transformator.
2.3.3 Karakteristik Rele Jarak (Distance Relay) Karakteristik rele jarak adalah penerapan dari prinsip dasar rele jarak. Berdasarkan karakteristik kerjanya, rele jarak dapat dibagi menjadi beberapa jenis diantaranya (Tobing,2008) :
2.3.3.1 Karakteristik Impedansi Karakteristik ini mempunyai lingkaran dengan titik pusat di tengah. Kelemahannya adalah tidak berarah, karena kedua besaran yang dibandingkan yakni arus dan tegangan dibangkitkan secara mekanis. Masing – masing kopel
14
yang dibangkitkan tidak tergantung fasanya. Rele bekerja untuk gangguan di depan dan di belakang rele. Sebagai sistem pengaman, rele ini harus dilengkapi dengan rele arah (directional) sebagai rele pengukur.
Gambar 2.4 Karakteristik Impedansi (Sumber : Parhusip,dkk,2012)
2.3.3.2 Karakteristik Mho (Admitansi) Rele jenis ini bersifat directional, sehingga tidak perlu ditambahkan elemen penyearah karena rele hanya akan mengamankan gangguan di depannya. Namun rele jenis ini memiliki keterbatasan dalam mengantisipasi gangguan tanah high resistance.
Gambar 2.5 Karakteristik Operasi Dari Rele Jarak Tipe Mho (Sumber : Suprijono,2012)
Dari gambar di atas terlihat bahwa karakteristiknya berupa lingkaran yang melalui titik asal (0,0). Impedansi yang terukur hanya dalam satu arah saja,
15
dengan demikian rele ini secara otomatis bersifat rele jarak terarah (Suprijono,2012).
2.3.3.3 Karakteristik Reaktansi Impedansi yang dilihat pada rele jarak jenis ini tidak memperhatikan adaanya tahanan busur, karena dianggap tahanan busur untuk berbagai gangguan hampir sama. Rele ini hanya mengukur komponen reaktif dari impedansi jaringan. Rele ini memiliki sifat tidak berarah (non directional), sehingga perlu ditambah rele arah (directional) dalam pengaplikasiannya pada jaringan transmisi. Dengan setting jangkauan resistif yang cukup besar, maka rele ini dapat mengantisipasi gangguan tanah dengan nilai tahanan yang tinggi. Jika reaktansi yang dilihat rele lebih kecil dari reaktansi yang diatur, maka rele akan bekerja. Rele ini baik digunakan untuk pengamanan gangguan tanah dikarenakan karakteristik rele jenis ini kurang dipengaruhi oleh adanya tahanan busur sewaktu terjadinya hubung singkat satu fasa ke tanah. Berikut ini merupakan gambar dari karakteristik reaktansi :
Gambar 2.6 Karakteristik Reaktansi Dengan Starting Mho (Sumber : Parhusip,dkk,2012)
2.3.3.4 Karakteristik Quadrilateral Karakteristik rele jenis ini adalah kombinasi dari 3 jenis yakni : resistif, reaktansi, dan berarah. Dengan setting jangkauan resistif cukup besar, maka
16
karakteristik rele ini dapat mengantisipasi gangguan tanah dengan tahanan yang tinggi (high resistance). Namun kecepatannya sedikit lebih lambat dari jenis Mho.
Gambar 2.7 Karakteristik Quadrilateral (Sumber : Parhusip,dkk,2012)
2.3.4 Pola Proteksi Rele Jarak (Distance Relay) Dalam mengamankan saluran transmisi dari berbagai gangguan yang dapat terjadi, rele jarak diharapkan dapat ditripkan dengan seketika pada kedua sisi ujung saluran. Oleh sebab itu, rele jarak perlu dilengkapi fasilitas teleproteksi (PLN,2006). Pola proteksi pada rele jarak ditentukan berdasarkan kebutuhan untuk keamanan perlatan dan keandalan operasi sistem, selain itu pula tidak mengesampingkan aspek – aspek investasi. Berikut ini berbagai jenis pola proteksi pada rele jarak (Parhusip,dkk,2012) : a) Pola proteksi dasar (basic) Pola proteksi ini bekerja secara instant pada area setting zone 1, bekerja dengan back up time untuk zone 2 dan zone 3 tanpa dilengkapi teleproteksi.
Gambar 2.8 Pola Proteksi Basic (Sumber : Parhusip,dkk,2012)
17
b) Pola proteksi dilengkapi teleproteksi Berikut ini pola proteksi pada sistem jaringan tenaga listrik yang dilengkapi dengan teleproteksi (Sudrajat,dkk,2014) :
Permissive Underreach Transfer Trip Scheme (PUTT) Peralatan teleproteksi (TP) pada pola ini akan mengirim sinyal ke peralatan teleproteksi (TP) pada gardu induk di depannya, apabila rele mendeteksi gangguan pada zona 1. Pada gardu induk yang menerima sinyal, apabila rele mendeteksi gangguan pada zona 2 dan menerima sinyal TP, maka rele akan memberikan perintah trip waktu zona 1. Berikut ini skema PUTT :
Gambar 2.9 Skema PUTT (Sudrajat,dkk,2014)
Permissive Overreach Transfer Trip (POTT) Peralatan teleproteksi (TP) mengirim sinyal ke peralatan teleproteksi (TP) pada gardu induk di depannya apabila mendeteksi gangguan zona 2. Pada gardu induk yang menerima sinyal, apabila rele jarak mendeteksi gangguan pada zona 2, maka memberikan perintah trip pada waktu zona 1. Berikut ini skema POTT :
Gambar 2.10 Skema POTT (Sudrajat,dkk,2014)
18
Blocking Scheme Peralatan teleproteksi pada pola ini mengirim sinyal ke peralatan teleproteksi pada gardu induk di depannya apabila rele mendeteksi gangguan pada reverse zone. Pada gardu induk yang menerima sinyal, apabila rele mendeteksi gangguan pada forward zone zona 2, maka rele akan memberikan perintah blocking. Apabila rele tidak menerima sinyal namun mendeteksi gangguan pada daerah depan (zone 2), maka rele akan memberikan perintah trip seketika. Berikut ini skema Blocking :
Gambar 2.11 Skema Blocking (Sudrajat,dkk,2014)
2.4 Mutual Induktansi (Mutual Inductance) Induktansi merupakan sifat suatu rangkaian listrik yang dapat menyebabkan timbulnya ggl (gaya gerak listrik atau potensial listrik) di dalam rangkaian sebagai akibat perubahan arus yang melewati rangkaian tersebut (self inductance) atau akibat perubahan arus yang melewati rangkaian lainnya (induktansi bersama atau mutual inductance) (Anindita,dkk,2013). Induktansi ini dapat muncul dikarenakan adanya medan listrik yang ditimbulkan oleh arus listrik. Bila arus mengalir dalam suatu rangkaian listrik, maka timbul medan listrik. Gambar 2.12 menunjukkan suatu saluran dengan medan listrik yang terjadi. Garis – garis flux tersebut membentuk lingkaran – lingkaran tertutup yang meliputi rangkaian. Perubahan arus dalam kedua penghantar tersebut menyebabkan suatu perubahan banyaknya garis flux yang meliputi rangkaian. Setiap perubahan flux yang meliputi suatu rangkaian akan mengibas tegangan dalam rangkaian tersebut (Mismail,1983).
19
Gambar 2.12 Medan Listrik Di Sekitar Penghantar (Sumber : Mismail,1983)
2.5 GMD (Geometric Mean Distance) dan GMR (Geometric Mean Radius) Pada saluran transmisi double circuit, induktansi juga dipengaruhi oleh GMD (Geometric Mean Distance) dan GMR (Geometric Mean Radius). Radius rata – rata geometris (GMR) dari suatu luas adalah limit dari jarak rata – rata geometris (GMD) antara pasangan elemen dalam suatu luas tersebut, bila jumlah elemen tersebut diperbesar hingga tak terhingga (Sujatmiko,2009). Berikut ini persamaan GMD dan GMR (El – Hawary,2000) : =(
=(
=(
=(
′ ′
′
′
′ ′
′
′
′ ′
′
′
Dimana :
)
)
)
)
/
/
/
/
..................................................................(2.3) ....................................................................(2.4) ...................................................................(2.5) ....................................................................(2.6)
GMD = Geometric Mean Distance Deq = ((
= Jarak yang diukur dari titik pusat penghantar (m) )(
= ( ′(
′ ))
/
= ( ′(
′ ))
/
= ( ′(
Dimana :
′ ))
/
)(
))
/
.....................................................(2.7)
................................................................................(2.8) ................................................................................(2.9) ..............................................................................(2.10)
20
GMR = Geometric Mean Radius r
= Jari jari penghantar (cm)
Deq
= Jarak yang diukur dari titik pusat (m)
Gambar 2.13 Double Circuit Conductor (Sumber : El – Hawary,2000)
2.6 Impedansi Saluran Transmisi Pada perhitungan setting rele jarak, impedansi adalah parameter pokok yang digunakan. Impedansi pada saluran transmisi terdiri dari impedansi urutan positif, impedansi urutan negatif, dan impedansi urutan nol. Berikut ini persamaan impedansi (Samuel,dkk,2012) : Z = R + j (XL + XC).......................................................................................(2.11) Dengan : Z
= Impedansi (Ω)
R
= Resistansi (Ω)
XL
= Reaktansi induktif (Ω)
XC
= Reaktansi kapasitif (Ω)
Sedangkan untuk mencari total impedansi pada saluran transmisi dapat dihitung dengan persamaan : Z = R + j (XL + XC) x L ................................................................................(2.12) Dengan : Z
= Impedansi (Ω)
R
= Resistansi (Ω)
XL
= Reaktansi induktif (Ω)
21
XC
= Reaktansi kapasitif (Ω)
L
= Panjang saluran (km)
2.7 Rele Jarak Numerik 2.7.1 Gangguan Fasa (Phase Fault) Gambar 2.14 menunjukkan saluran yang mengalami gangguan antar fasa. Apabila impedansi dari rele menuju titik gangguan adalah sama pada kedua fasa B dan C, self impedance adalah Zs, mutual impedance antar fasa adalah Zm. Jika tegangan dan arus fasa B dan C adalah Vb, Vc, Ib, Ic, serta tegangan pada titik gangguan adalah Vf, maka Vb dan Vc dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut (Toshiba,2005) : Vb = Zs x Ib + Zm x Ic + Vf ................................................................................................................. (2.13) Vc = Zs x Ic + Zm x Ib + Vf ................................................................................................................. (2.14) Dari persamaan tersebut, diperoleh : Vb – Vc = (Zs – Zm) x (Ib – Ic) .......................................................................(2.15) Dimana : Zs
= Self impedance
Zm
= Mutual impedance
Ketika setiap fasa saluran adalah simetris, positive sequence – zero sequence impedance Z1 dan Z0 sesuai dengan metode komponen simetris yang didefinisikan oleh persamaan berikut, menggunakan self impedance Zs dan mutual impedance Zm maka : Z1 = Zs – Zm ..................................................................................................(2.16) Z0 = Zs + 2 Zm ............................................................................................................................................ (2.17) Dimana : Z1 = Positive sequence impedance Z0 = Zero sequence impedance Persamaan 2.7 dapat ditulis kembali sebagai berikut : Z1 = (Vb – Vc) / (Ib – Ic) ................................................................................(2.18) Seperti yang ditunjuk di atas, positive sequence impedance digunakan untuk setting rele terhadap gangguan fasa.
22
Gambar 2.14 Gangguan Antar Fasa (Two Phase Fault) (Sumber : Toshiba,2005)
2.7.2 Gangguan Terhadap Tanah (Earth Fault) Gambar 2.15 merupakan saluran yang mengalami gangguan satu fasa ke tanah (single phase earth fault). Pengukuran jarak hingga ke titik gangguan terhadap gangguan satu fasa ke tanah, tidak mudah dilakukan. Hal ini dikarenakan impedansi saluran zero sequence termasuk earth return umumnya berbeda dengan impedansi positive sequence.
Gambar 2.15 Gangguan Satu Fasa Terhadap Tanah (Sumber : Toshiba,2005)
Dengan asumsi urutan positif, urutan negatif, dan urutan nol adalah V1F, V2F, dan V0F, tegangan pada titik rele dari setiap sirkit simetris ditunjukkan pada persamaan di bawah ini (Toshiba,2005) : V1 = Z1 x I1 + V1F .........................................................................................(2.19) V2 = Z1 x I2 + V2F .........................................................................................(2.20) V0 = Z0 x I0 + Z0m x I0m + V0F ......................................................................(2.21) Dimana : V1
= Relay point positive sequence voltage (V)
V2
= Relay point negative sequence voltage (V)
23
V0
= Relay point zero sequence voltage (V)
V1F
= Fault point positive sequence voltage (V)
V2F
= Fault point negative sequence voltage (V)
V0F
= Fault point zero sequence voltage (V)
I1
= Relay point positive sequence current (A)
I2
= Relay point negative sequence current (A)
I0
= Relay point zero sequence current (A)
I0m
= Adjacent line zero-sequence current (A)
Z1
= Fault point - relay point positive-sequence impedance (Ω)
Z0
= Fault point - relay point zero-sequence impedance (Ω)
Z0m
= Adjacent line zero-sequence mutual impedance (Ω)
Gambar 2.16 Saluran Ekivalen Gangguan Satu Fasa Ke Tanah (Sumber : Toshiba,2005)
2.7.3 Sistem Zone Time Delay Sistem proteksi pada rele jarak dibagi dalam 3 zone dan masing – masing mempunyai waktu tunda berbeda – beda. Pembagian zone ini bertujuan untuk memperoleh koordinasi dalam mengamankan sistem dari berbagai gangguan yang dapat terjadi. Pada zone pertama 80% dari panjang saluran yang diamankan, zona kedua adalah 120% dari panjang saluran, dan zona ketiga adalah 220% dari panjang saluran yang diamankan (PLN,2006). Berikut ini ketentuan pembagian time delay setiap zone :
24
a) Time delay dan setting pada zone 1 Secara umum zone 1 diset 80% dari panjang saluran. Pada saat pengukuran bisa saja terjadi kesalahan pengukuran pada rele jarak, hal ini dapat terjadi disebabkan karena kesalahan perbandingan dari trafo arus (CT), trafo tegangan (PT), dan impedansi saluran. Dengan mempertimbangkan adanya kesalahan – kesalahan dari data saluran, CT, PT, dan peralatan penunjang lain sebesar 10% - 20%, maka zone 1 rele diset 80% dari panjang saluran yang diamankan (PLN,2006) : Zone 1 reach = 0,8 x panjang saluran pertama (ZAB) ............................(2.22) Td1 = Waktu penundaan Zone 1 = 0 (tanpa perlambatan waktu)
Gambar 2.17 Skema Proteksi Zone 1 Pada Rele Jarak (Sumber : Mason,1956)
b) Time delay dan setting pada zone 2 Pada zone 2 ditentukan lebih panjang daripada zone 1, dengan demikian waktu tundanya lebih lama dibanding zone 1. Pada zone 2 secara umum diset 100% dari panjang saluran pertama dan 20% dari panjang saluran kedua, dengan waktu tunda (time delay) sekitar 0,4 – 0,8 detik. Zone 2 ini dimaksudkan sebagai pengaman cadangan apabila zone 1 gagal bekerja. Zone 2 min = 1,2 x panjang saluran pertama (ZAB) ...............................(2.23)
25
Gambar 2.18 Skema Proteksi Zone 2 Min Pada Rele Jarak (Sumber : Mason,1956)
Zone 2 maks = 0,8 x (ZAB + k . ZBC) ......................................................(2.24) (k = faktor infeed) Zone 2 maks ini diusahakan memberikan pengaman cadangan sejauh mungkin setelah Z1. Td2 = 0,4 - 0,8 detik
Gambar 2.19 Skema Proteksi Zone 2 Maks Pada Rele Jarak (Sumber : Mason,1956)
c) Time delay dan setting pada zone 3 Zone 3 ditentukan 220% dari panjang saluran yang diamankan dan waktu tunda yang digunakan sekitar 1,2 – 1,6 detik. Zone 3 difungsikan sebagai pengaman cadangan apabila pada zone 2 gagal beroperasi. Zone 3 min = 1,2 x (ZAB + k . ZBC) ........................................................(2.25) (k = faktor infeed)
26
Gambar 2.20 Skema Proteksi Zone 3 Min Pada Rele Jarak (Sumber : Mason,1956)
Zone 3 maks = 0,8 x (ZAB + k . 0,8 (ZBC + k . ZCD)) ...............................(2.26) (k = faktor infeed) Td3 = 1,2 – 1,6 detik
Gambar 2.21 Skema Proteksi Zone 3 Maks Pada Rele Jarak (Sumber : Mason,1956)
2.8 Artificial Neural Network Artificial Neural Network merupakan representasi buatan manusia untuk mensimulasikan proses pembelajaran yang terjadi pada otak manusia. Syaraf tiruan diimplementasikan menggunakan peralatan bantu berupa komputer terutama untuk menyelesaikan proses pehitungan dan penyimpanan informasi yang diberikan selama proses pembelajaran. Jaringan syaraf tiruan terdiri dari beberapa neuron yang saling berhubungan. Informasi yang diterima neuron akan ditransformasikan melalui jaringan keluarannya ke neuron yang lain, hubungan ini dikenal dengan nama bobot. Informasi tersebut disimpan pada suatu nilai tertentu pada bobot tersebut. Input diproses oleh suatu fungsi perambatan yang
27
akan menjumlahkan nilai semua bobot yang datang. Penjumlahan ini kemudian dibandingkan dengan nilai ambang (thershold) tertentu melalui fungsi aktivasi setiap neuron. Nilai input melewati nilai threshold maka neuron diaktifkan dan neuron tersebut akan mengirimkan nilai output melalui bobot-bobot output ke semua neuron yang terhubung, demikian seterusnya. (Arjana, 2007)
2.8.1 Proses pembelajaran Artificial Neural Network Artificial Neural Network memiliki struktur yang tidak dapat diubah, jaringan ini terdiri dari sejumlah neuron dan memiliki nilai tertentu yang menunjukkan berapa besar koneksi antara neuron. Perubahan yang terjadi selama proses pembelajaran adalah perubahan nilai bobot. Nilai bobot akan bertambah jika informasi yang diberikan tersampaikan, sebaliknya nilai bobot yang menghubungkan kedua neuron dikurangi. Proses pembelajaran dilakukan dengan input berbeda, maka nilai bobot diubah secara dinamis hingga mencapai suatu nilai yang seimbang. Input yang mengindikasikan bahwa nilai telah tercapai berhubungan dengan target output yang diharapkan dan sistem dianggap konvergen. Proses pembelajaran Artificial Neural Network dibedakan menjadi dua yaitu : 1. Supervised ( terawasi ) Proses pembelajaran terawasi, satu pola input akan diberikan ke satu neuron pada lapisan input. Pola ini dirambatkan sepanjang jaringan sampai ke neuron pada layer outputnya. Layer output ini akan membangkitkan pola output yang akan dicocokkan dengan pola output target. Perbedaan yang terjadi antara pola output hasil pembelajaran dengan pola target, maka akan muncul error. Nilai error masih cukup besar harus dilakukan lagi proses pembelajaran lagi sampai nilai error mencapai nilai yang diharapkan. Pola input mempunyai pasangan output yang bersesuaian., penimbang (bobot) dibangun menuju kesesuaian respon pasangan input– output dari pola yang diajarkan.
28
2. Unsupervised (tidak terawasi) Proses pembelajaran ini tidak diperlukan target output. Metode ini tidak dapat ditentukan hasil seperti yang diharapkan. Proses pembelajaran nilai bobot disusun dalam range tertentu atau jaringan akan menentukan sendiri pasangan output dari input yang diberikan padanya, dengan dasar nilai kesesuaian dengan pola yang pernah diterima sebelumnya. (Arjana, 2007)
2.9 Metode Backpropagation Artificial
Neural
Network
Backpropagation
merupakan
algoritma
pembelajaran yang terawasi, biasanya digunakan oleh perceptron dengan banyak lapisan untuk mengubah bobot yang terhubung dengan neuron pada lapisan tersembunyi ( Hidden Layer ). Algoritma backpropagation menggunakan error ouput untuk mengubah nilai bobotnya arah Mundur ( backword ). Error output ini, tahap perambatan maju (forword propagation ) harus dikerjakan terlebih dahulu. Artificial Neural Network backpropagation terdiri atas satu atau lebih unit lapisan layer pemroses. Unit layer paling bawah (awal) adalah layer input yang berfungsi menerima input dari luar. Layer atasnya adalah layer hidden. Layer yang paling atas adalah layer output. Keluaran setiap sel pada layer input terhubung dengan semua sel pada layer hidden dan keluarannya terhubung dengan semua sel pada layer ouput. (Isnanto, 2008) Jaringan backpropagation dilatih dengan metode pelatihan pengawasan, jaringan dilatih dengan pasangan pola berisi pola input (Xi) dan pola output (Yk). Informasi yang masuk melalui layer input menuju layer hidden, kemudian menuju layer output dan hasil dari proses pembelajaran merupakan tanggapan jaringan terhadap informasi yang masuk. Perbedaan antara keluaran inputnya dengan keluaran target yang di inginkan, bobot koreksi akan disesuaikan mulai dari lapisan keluaran output menuju lapisan masukan sampai perbedaan seminimal mungkin. Inputan sebuah vektor X = (X1Xi Xn) dimasukan ke layer input jaringan. Unit inputan mendistribusikan nilai tersebut pada unit layer hidden sehingga net masukan pada masing-masing unit hidden yang ke J adalah : (Isnanto, 2008)
29
Z_inj
=
v0j
I=1
+
∑
Xi.vji……………………………………………………………...(2.38) Keterangan: Vij = bobot pada hubungan dari unit input ke i dengan unit layer hidden ke j. V0j = bobot awal bias. Z_inj = sinyal input unit hidden
Struktur Artificial Neural Network multi layer perceptron dapat dilihat pada gambar sebagai berikut: X 1
J1
K 1
X 2
J2
K 2
X 3
J3
X n
Jn
Layer input
Y
K 3
K n
Layer Hidden
Gambar 2.22 Struktur Artificial
Neural Network Backpropogation
(Insnanto, 2008)
Keterangan : X = masukan (input) J = 1 s/d n (n=10) k = jumlah unit pengolah pada lapisan keluaran Y = keluaran hasil
Layer Output error
