1
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:
[email protected] ;
[email protected];
[email protected]
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
P
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
150 KV
20 KV
PMT 150 KV
PMT 20 KV
PMT 20 KV
Trafo Daya Trafo Distribusi Distributed Generation
Gambar 1. Konfiguraasi jaringan radial [7]
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. Positive torque area
Negative torque area
Position of I for maximum positive torque
I V
Imin Operating Characteristic
Gambar 2. Karakteristik kerja rele arah [10]
Start
Menyimpan set poin untuk deteksi islanding, grid resinkronisasi dan karakteristik downstream rele
Pengukuran Tegangan
Pengukuran Arus
no Arus Abnormal
no
Sistem Islanded yes
yes Menghitung waktu pemutusan gangguan
Mengganti setting rele untuk islanding
Menghitung Frekuensi
Perbandingan dan identifikasi rele yang mengalami pickup no Perubahan setting rele
Grid Reconnected yes Perubahan setting rele untuk koneksi Grid
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.
3
Lump 2
Lump 1 Bus1
Bus2
Line 12
GRID
Bus3
Line 23
R23
R21
R12
Lump 3
R32
Lump 4 Bus4
Line 34
R34
Lump 5 Bus5
Line 45
R43
R45
Bus6
Line 56
R54
R 65
R56
Lump 6
WTG
G2
G1 GNet1
CHP
GNet2
R71
GNet3
R17
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 T Grid T WTG1 T G1 T G2 T GNet1 T GNet2 T GNet3
MVA 10 2.5 4 3.15 3.15 4 4
Prim. KV 150 0.69 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3
Sec. KV 20 20 20 20 20 20 20
%Z
X/R
8 6 7 7 7 7 7
15.5 10.67 11.41 11.41 11.41 11.41 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 Line12 Line17 Line23 Line34 Line45 Line56
Dari (Bus) 1 1 2 3 4 5
Ke (Bus) 2 7 3 4 5 6
R
X
0.1344 0.1256 0.1912 0.4874 0.1346 0.1346
0.0632 0.1404 0.0897 0.2284 0.0906 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.
4
Tabel 3. Data pembangkit pada sistem simulasi ID GNet1 GNet2 GNet3 WTG1 G1 G2
Tipe
Rating Daya (MW)
CHP CHP CHP WTG GTG GTG
2.5 2.8 2.8 2 2.8 2.5
Rating Tegangan (KV) 6.3 6.3 6.3 0.69 6.3 6.3
PF (%) 85 85 85 85 85 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 Lump2 Lump3 Lump4 Lump5 Lump6
1 2 3 4 5 1
20 20 20 20 20 20
2.128 0.492 0.775 0.121 0.121 7.13
99.09 91.38 91.65 91.04 91.04 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 R71 R17 R12 R21 R23 R32 R34 R43 R45 R54 R56 R65
Line Line17 Line12 Line23 Line34 Line45 Line56
Arah Reverse Forward Reverse Forward Reverse Forward Reverse Forward Reverse Forward Reverse 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. 𝑅𝑅
(1)
Iset
(2)
|𝛽𝛽| = − tan−1
𝑋𝑋
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
Setelan time dial menentukan waktu operasi rele. Untuk menentukan time dial dari masing-masing kurva karakteristik rele dapat menggunakan persamaan (3). Dimana t d 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 × I SC min kontribusi
R17 R21
(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.
R32 R43
Tabel 6. Hasil perhitungan setting reverse rele Tipikal 1a ID
Lowset (A)
Hiset (A)
R17 R21 R32 R43
130 60 80 80
2000 400 400 400
Time Dial (s) 0.05 0.13 0.16 0.22
Time Delay (s) 0.1 0.1 0.3 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.
Gambar 5. Hasil Plot Setting Tipikal 1a
R17 R21 R43 R32
Tabel 7. Hasil perhitungan setting reverse rele Tipikal 1b ID
Lowset (A)
Hiset (A)
R17 R21 R32 R43
200 100 120 120
400 400 400 400
Time Dial (s) 0.05 0.13 0.15 0.22
Time Delay (s) 0.1 0.1 0.3 0.5
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 6. Hasil Plot Setting Tipikal 1b
6
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.
R17 R21 R43
R32
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
Gambar 7. Hasil Plot Setting Tipikal 1c [1]
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.
[2]
[3]
Tabel 8. Hasil perhitungan setting reverse rele Tipikal 1c ID
Lowset (A)
Hiset (A)
R17 R21 R32 R43
170 35 50 50
1500 200 200 200
Time Dial (s) 0.05 0.13 0.15 0.22
Time Delay (s) 0.1 0.1 0.3 0.5
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.
[4]
[5]
[6] [7]
[8] [9] [10]
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. 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. 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. 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. A. Oudalov and A. Fidigatti, “Adaptive network protection in microgrids,” [Online]. Available: http://www.microgrids.eu/documents/519.pdf Daman Suswanto, “Sistem Distribusi Tenaga Listrik”, Edisi Pertama, Padang, Juli. 2009. Endi Sopyandi, “Tipe-tipe Jaringan Distribusi Tegangan Menengah 20 KV”,
, Mei, 2013. Dondi P et al. Network Integration of Distributed Power Generation. Journal of Power Sources, Vol. 106, 2002 Prévé, Christophe, “Protection of Electrical Networks”, ISTE Ltd., London, Ch. 7, 9, 2006 Gurevich, Vladimir, “Electric Relays, Principle and Application”, CRC Press, USA, Ch. 10, 2006
