Analisis Pengaruh Kegagalan Proteksi dan Koordinasi Rele Terhadap Indeks Keandalan Subsistem Transmisi 150kV Di Surabaya Selatan

Transkripsi

1 JURAL TEKIK POMITS Vol. 1, o. 1 (2014) Analisis Pengaruh Kegagalan Proteksi dan Koordinasi Terhadap Indeks Keandalan Subsistem Transmisi 150kV Di Surabaya Selatan Evril ursukma Kartinisari 1), I.G. Satriyadi Hernanda 2), Dimas Anton Asfani 3) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh opember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia evril.nursukma@gmail.com 1), didit@ee.its.ac.id 2), anton_dimas@ee.its.ac.id 3) Abstrak - Sistem tenaga harus bisa menyalurkan tenaga listrik meskipun gangguan terjadi. Kegagalan dari sistem proteksi merupakan salah satu penyebab padamnya suatu aliran listrik. Maka untuk menjaga kontinuitas daya, setting dari rele harus tepat. Pada penelitian ini membahas tentang algoritma berbasis simulasi untuk mendapatkan nilai indeks keandalan dari koordinasi rele arus lebih yang berbeda beda berdasarkan pada pengaturan waktu pada masing-masing rele arus lebih. Indeks keandalan yang digunakan antara lain, SAIDI, CAIDI. Metode ini merupakan suatu prosedur simulasi untuk memperoleh indeks keandalan dengan menggunakan pembangkitan bilangan acak dan disimulasikan melalui program yang disusun di Matlab. Hasil yang diperoleh dari simulasi, yaitu penentuan gangguan pada suatu line untuk mengetahui rele arus lebih yang bekerja kemudian menentukan indeks keandalan pada konsumen yang parameternya berasal dari jumlah laju kegagalan dan laju perbaikan dari line dan transformator. Pada sistem yang terhubung secara ring, hasil running simulasi ETAP hanya menghitung kegagalan pada transformator saja dan hasil 0,013 dan SAIDI 0,1819. Sedangkan pada simulasi dengan menentukan gangguan pada line dengan pembangkitan bilangan acak pada iterasi ke 2000 diperoleh nilai 0,0139 dan SAIDI Kata Kunci Keandalan, Koordinasi. I. PEDAHULUA ebutuhan energi listrik merupakan suatu hal vital yang K wajib dipenuhi, dan kebutuhannya meningkat dari tahun ke tahun. Suatu transmisi dikatakan handal jika penyaluran listriknya aman, effisien dan ekonomis. Sistem tenaga harus bisa menyalurkan tenaga meskipun gangguan terjadi. Subsistem tenaga listrik 150 kv di Surabaya Selatan merupakan subsistem dari sistem tenaga listrik Jawa Timur. Perusahaan listrik tersebut harus menyediakan dan menyalurkan tenaga listrik yang andal kepada pelanggan. amun hal tersebut belum seperti yang diharapkan. Masih adanya gangguan pada suatu saluran atau elemen sistem yang menyebabkan terjadinya pemutusan dan meluas ke saluran atau ke elemen sistem yang lain yang berakibat terlepasnya sistem secara bertingkat. Kegagalan dari sistem proteksi merupakan salah satu penyebab padamnya suatu aliran listrik. Maka untuk menjaga kontinuitas daya maka setting dari rele harus tepat. Penyusunan koordinasi rele berdasarkan pada pengaturan waktu dan arus maksimum pada masingmasing rele arus lebih. Kegagalan proteksi dilihat berdasarkan pada kesalahan operasi dan pemutusan beban. Disini penulis mencoba menggunakan simulasi monte carlo untuk mengetahui keandalan suatu sistem dari koordinasi rele. Sehingga indeks keandalan pada subsistem transmisi 150kV diperoleh dari penyusunan koordinasi proteksi dan kegagalan proteksi. II. KOORDIASI RELE DA KEADALA SISTEM TEAGA LISTRIK A. Keandalan Sistem Tenaga Listrik Pemadaman listrik yang sering terjadi dalam waktu yang lama dan tegangan listrik yang tidak stabil, merupakan penyaluran dari keandalan dan kualitas listrik yang kurang baik, yang akibatnya dapat dirasakan secara langsung oleh pelanggan. Sistem tenaga listrik yang andal dan energi listrik dengan kualitas yang baik atau memenuhi standar, mempunyai peranan penting bagi masyarakat modern karena peranannya sangat dominan dibidang industri, telekomunikasi, teknologi informasi, pertambangan, transportasi umum, dan lain-lain. Perusahaan-perusahaan yang bergerak di berbagai bidang sebagaimana disebutkan diatas, akan mengalami kerugian cukup besar jika terjadi pemadaman listrik tiba-tiba atau tegangan listrik yang tidak stabil, dimana aktifitasnya akan terhenti atau produk yang dihasilkannya menjadi rusak atau cacat. B. Koordinasi Setting arus untuk rele arus lebih mempunyai batas maksimum dan minimum dari besarnya arus yang mengalir. Pada dasarnya batas minimum setting rele arus lebih yaitu rele tidak boleh beroperasi pada saat mengalir arus beban penuh. Dan pada setting arus maksimum pada rele arus lebih perlu memperhitungkan arus hubung singkat yang melewati rele. Suatu gangguan hubung singkat tiga fasa pada pembangkitan maksimum akan menyebabkan mengalirnya arus gangguan maksimum dan gangguan hubung singkat antar fasa akan menyebabkan mengalirnya arus hubung singkat minimum. harus dapat merespon terhadap dua kondisi yaitu kondisi maksimum dan kondisi minimum.

2 JURAL TEKIK POMITS Vol. 1, o. 1 (2014) I SCmin adalah arus hubung singkat dua fasa dengan pembangkitan minimum yang terjadi pada ujung saluran pada daerah perlindungan berikutnya. arus lebih biasanya memiliki pengaturan pengganda yang disebut sebagai Pengaturan Plug (PS). amun, variable yang paling penting dalam masalah mengoptimalkan koordinasi adalah Pengaturan Waktu Pengganda (TSMs) / berurutan. Metode koordinasi terbaik harus mengisolasi kesalahan segera mungkin, terutama di saluran sensitive (penting). Penundaan waktu dalam pengoperasian rele meningkatkan kemungkinan perjalanan yang tidak diinginkan dari backup rele atau aktifnya rele poin lain dalam jaringan. C. Indeks Keandalan Parameter - parameter keandalan yang digunakan dalam mengevaluasi keandalan suatu system adalah lamda ( ) yaitu frekuensi rata rata kegagalan pada setiap tahun (Kali/Tahun) dan miu ( ) yang merupakan laju perbaikan (per Jam/Tahun). Berdasarkan indeks keandalan mendasar di atas, diperoleh beberapa indeks keandalan untuk keseluruhan sistem yang dapat dievaluasi dan didapatkan mengenai kinerja sistem. [1] Indeks keandalan untuk keseluruhan sistem, yaitu : a. System Average Interruption Frequency Index () Adalah jumlah rata-rata kegagalan yang terjadi pada tiap pelanggan yang dilayani per satuan waktu (tahun). Persamaan dapat dilihat seperti berikut: = b. System Average Interruption Duration Index (SAIDI) Adalah nilai rata-rata dari lamanya kegagalan untuk setiap pelanggan selama satu tahun. Persamaan dapat dilihat seperti berikut: SAIDI = (jam/customer.tahun) c. Customer Average Interruption Duration Index (CAIDI) CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index) adalah index durasi gangguan konsumen rata-rata tiap tahun, menginformasikan tentang waktu rata-rata untuk penormalan kembali gangguan tiap-tiap pelanggan dalam satu tahun. Persamaan dapat dilihat seperti berikut: CAIDI = Dimana λ k merupakan laju kegagalan saluran, µ k adalah laju perbaikan saluran dan M k merupakan jumlah pelanggan serta M yaitu total pelanggan pada suatu sistem. D. Metode dan Simulasinya Simulasi terdiri dari sebuah model matematis yang diset di dalam program komputer dan menggunakan random sampling dari distribusi kegagalan dan distribusi perbaikan dari masing masing komponen dalam sistem. Random sampling ini digunakan untuk melakukan penilaian reliability atau availability atau parameter lainnya yang dikehendaki. III. SISTEM KELISTRIKA A. Pemodelan Sistem Kelistrikan di Surabaya Selatan Jawa Timur Untuk permodelan sistem dalam Tugas Akhir ini hanya menggunakan 4 Gardu Induk yang terhubung secara ring dengan sumber pembangkit thermal. Single line diagram permodelan dari sistem terdapat dalam Gambar 1. Gambar 1. Single line diagram pemodelan Subsistem Transmisi 150kV di Surabaya Selatan Berdasarkan single line pada Gambar 1 terdapat satu blok PLTU yakni PLTU Gresik dan satu blok PLTGU yakni PLTGU Gresik Blok 1. Dan dari data Operasi Desember 2013 untuk PLTU GRESIK memiliki kemampuan daya 493MW dan PLTGU GRESIK Blok 1 memiliki kemampuan daya 480MW sehingga jumlah daya yang disalurkan adalah 973 MW. B. Data Saluran Transmisi dan pada Saluran Transmisi Untuk data rele yang terdapat pada masing masing saluran transmisi dengan pasangan rele masing- masing terdapat pada Tabel 1. Dan untuk pasangan rele primer dan rele backup terdapat pada Tabel 2. Tabel 1 Data nomor Saluran dan omor PEGHATAR omor yang o Dari Ke terdapat pada Saluran 1 Waru 1 Gresik Lama Waru 2 Gresik Lama Waru 1 Sawahan Waru 2 Sawahan Waru 1 Dharmogrand Waru 2 Dharmogrand Tandes 1 Gresik Baru Tandes 2 Gresik Baru Tandes 1 Sawahan Tandes 2 Sawahan Tandes 1 Dharmogrand Tandes 2 Dharmogrand Tabel 2 Data primer dan Backup

3 JURAL TEKIK POMITS Vol. 1, o. 1 (2014) o. Primer Back Up o. Primer Back Up Tabel 3 Spesifikasi Arus Lebih Berarah SETTIG O RELE CT PABRIK TYPE fasa fasa I T 1 R1 3150/5 GEC MCGG 5,5 0,5 2 R2 3150/5 GEC MCGG 5,5 0,5 3 R3 1000/5 GEC MCGG 4,25 0,525 4 R4 1000/5 GEC MCGG 4,25 0,525 5 R5 1000/5 GEC MCGG 4,25 0,5 6 R6 1000/5 GEC MCGG 4,25 0,5 7 R7 1000/5 GEC MCGG 4,25 0,5 8 R8 1000/5 GEC MCGG 4,25 0,5 9 R9 1000/5 GEC MCGG 4,25 0, R /5 GEC MCGG 4,25 0, R /5 GEC MCGG 3 0,5 12 R /5 GEC MCGG 3 0,5 13 R /5 GEC MCGG 4 0,5 14 R /5 GEC MCGG 4 0,5 15 R /5 GEC MCGG 4 0,5 16 R /5 GEC MCGG 4 0,5 17 R /5 GEC MCGG 5 0,35 18 R /5 GEC MCGG 5 0,35 19 R /5 GEC MCGG 4 0,5 20 R /5 GEC MCGG 4 0,5 C. Data Beban Listrik di Sisitem Besarnya beban dapat diketahui melalui penyaluran daya pada trafo yang berada pada load bus dengan spesifikasi : Tabel 4 Spesifikasi beban Jumlah ID MW MVAR o Customer 1 GIS Waru GIS Sawahan GIS Tandes GIS Dharmogrand Pada Tabel 4 merupakan penjumlahan beban di tiap-tiap transformator. Beban dari tiap-tiap Gardu Induk (GI) merupakan data real yang di dapat dari PT PL (Persero) APB Jawa Timur Data Gangguan pada Saluran Tabel 5 Data Gangguan Tahun o Line Tahun Lama Perbaikan 1 Waru 1 Dharmogrand jam 6 menit 2 Waru 2 Dharmogrand jam 7 menit 3 Tandes 1 Dharmogrand jam 5 menit 4 Tandes 2 Dharmogrand jam 5 menit 5 Waru 1 Gresik jam 58 menit 6 Waru 1 Sawahan jam 53 menit 7 Waru 2 Sawahan jam 18 menit 8 Tandes 1 Sawahan jam 53 menit 9 Tandes 2 Sawahan jam 18 menit 10 Waru 2 Sawahan menit 11 Waru 2- Dharmogrand menit IV. EVALUASI KEADALA Evaluasi keandalan bertujuan untuk melihat performa dari suatu sistem dan memprediksi sistem tersebut di waktu yang akan datang. Tingkat keandalan suatu sistem dipengaruhi oleh tingkat keandalan masing masing komponen yang berada pada sistem tersebut. Sebelum mengevaluasi keandalan suatu sistem, parameter keandalan masing masing komponen harus diketahui terlebih dahulu. Tabel 6 Parameter Keandalan Sistem o Saluran Dari Ke (Kali/ Tahun) r (jam/ gangguan µ (jam/ tahun) 1 Waru 1 Gresik Lama 1 0,125 8,972 1, Waru 2 Gresik Lama Waru 1 Sawahan 1 0,125 8,883 1, Waru 2 Sawahan 2 0,25 6,73 1, Waru 1 Dharmogrand 1 0,125 2,1 0, Waru 2 Dharmogrand 2 0,25 0,696 0,174 7 Tandes 1 Gresik Baru Tandes 2 Gresik Baru Tandes 1 Sawahan 1 0,125 8,883 1, Tandes 2 Sawahan 2 0,125 26,3 3, Tandes 1 Dharmogrand 1 0,125 2, Tandes 2 Dharmogrand 2 0,125 2, Berdasarkan Power System Technologies Committee of the IEEE Industry Application Society (1980) data nilai keandalan peralatan listrik terdapat pada Tabel 7, data ini digunakan untuk data parameter dari transformator dan line yang pada data tidak pernah mengalami gangguan. Tabel 7 Data ilai Keandalan Peralatan Listrik Berdasarkan IEEE o Peralatan Kelas Peralatan Rata- rata kegagalan (per tahun) Waktu perbaikan (jam/gangguan) 1 Transformator diatas V 0, Line ( per 1000feet) diatas V 0, ,5 A. Evaluasi Keandalan Menggunakan ETAP (Electrical Transient Analysis Program) Tabel 8 Hasil Running ETAP o. Open CAIDI 1-0,013 0, , ,013 0, , ,013 0, , ,013 0, , ,013 0, , ,013 0, , ,013 0, ,99 Dari data diatas diperoleh nilai (Sistem Average Interruption Frequency Index) dan SAIDI (Sistem Average Interruption Duration Index) yang kecil. Data sesuai dengan data lamda (kali gangguan per tahun) pada trafo yaitu 0,013 karena lamda dari line tidak

4 JURAL TEKIK POMITS Vol. 1, o. 1 (2014) dihitung karena meskipun sala satu line terjadi gangguan daya dari sumber masih bisa disalurkan melalui line lainnya. Sama seperti hasil perhitungan, hasil perhitungan SAIDI juga hanya pada trafo, nilai SAIDI berasal dari nilai gangguan pertahun dikalikan waktu perbaikan sehingga didapat nilai SAIDI = jam per pelanggan per tahun. B. Evaluasi Keandalan Menggunakan Simulasi Monte Carlo Penentuan indeks keandalan dilakukan untuk memperoleh data seberapa handal suatu sistem dalam melayani konsumen. Langkah- langkah perhitungan untuk memperoleh nilai indeks keandalan sistem adalah pertama mengumpulkan dan mengolah data dari setiap bus (Gardu induk) (jumlah pelanggan PL, kapasitas daya, laju kegagalan dan laju perbaikan), setiap line (jumlah line, panjang line, laju kegagalan dan laju perbaikan), data setiap rele (urutan rele, data setting waktu), kemudian melakukan pengolahan data dari skenario gangguan pada setiap line dan dampak gangguan tersebut terhadap bus yang terdapat di sistem. Setelah itu, menentukan pusat gangguan pada line dari pemanggilan bilangan acak yang dilakukan oleh program. Dengan membuat simulasi perhitungan harian selama 1tahun (365 hari) yang dihitung secara berulang ulang. Bila terjadi gangguan pada line, maka tentukan rele yang terhubung dengan line. dengan setting waktu tercepat yang akan bekerja. Tetapi bila waktu rele backup lebih cepat dari rele primer maka rele backup akan trip dan memadamkan line yang harusnya tidak terjadi gangguan. Setelah rele sudah trip, nilai laju kegagalan dan durasi perbaikan dari masing masing beban dihitung ( data perhitungan yang diambil untuk hasil simulasi berasal dari file excel datakeandalan.xlsx). Lalu melakukan perhitungan indeks keandalan yaitu, SAIDI, CAIDI berdasarkan rumus lamda, miu dan banyaknya jumlah customer pada sistem tersebut. Dan langkah - langkah (3), (4), (5), (6), dan (7) dilakukan sebanyak jumlah iterasi yang diinginkan. Flowchart dari perhitungan untuk memperoleh indeks keandalan sistem dapat dilihat pada Gambar 2. Berdasarkan flowchart tersebut, perhitungan indeks keandalan pada sistem jaringan distribusi didasarkan pada laju kegagalan dan laju perbaikan dari line dan transformator serta jumlah pelanggan dari sistem. Proses penentuan gangguan berdasarkan pada jumlah iterasi dan nilai lamda dari masing masing line. Flowchart ini menggambarkan tata urutan program dalam melakukan perhitungan indeks keandalan dari sistem. Perhitungan dari indeks keandalan sisem dilakukan dengan cara pemanggilan data yang telah ada. Dimana program memilih data sesuai dengan nomor rele yang trip pada line tertentu. Susunan rele merupakan suatu koordinasi dari beberapa rele arus lebih berarah yang bekerja secara berurutan. Urutan dari rele sesuai dengan data dari PL. Gambar 2 Flow Chart Perhitungan Indeks Keandalan Tabel 9 Hasil simulasi o. Iterasi Line Trip Elapse Time (detik) , ,0140 0, , ,0139 0, , ,0132 0, , ,0135 0, , ,0139 0, , ,0135 0, , ,0132 0,1901 Dari beberapa iterasi didapatkan data line yang sering terjadi gangguan adalah line 4 dan line 6 yaitu pada line 4 gangguan terjadi pada iterasi ke 500dan 2000 dan untuk line 6 gangguan terjadi pada iterasi 1500 dan Untuk rele trip pada line 3 seharusnya yang bekerja adalah rele 13 atau 16 tetapi dalam program yang bekerja adalah rele 17 karena merupakan rele backup dari rele 13 dimana waktu kerjanya lebih cepat dari rele 13. Dengan demikian sistem proteksi mengalami kegagalan. ilai CAIDI pada iterasi ke 1500 adalah 15,136 jam/ customer.

5 JURAL TEKIK POMITS Vol. 1, o. 1 (2014) C. Perbandingan ilai Indeks Keandalan Subsistem Transmisi 150kv di Surabaya Selatan dengan Software ETAP dan Simulasi serta Gangguan yang Sering Terjadi Di Lapangan. Hasil perbandingan dari running ETAP dan simulasi dapat dilihat pada Tabel 6. Tabel 10 ilai, SAIDI pada ETAP dan Metode o. Trip ETAP Iterasi 1 6 0,013 0, ,0140 0, ,013 0, ,0139 0, ,013 0, ,0132 0, ,013 0, ,0135 0, ,013 0, ,0139 0, ,013 0, ,0135 0, ,013 0, ,0132 0,1901 Pada software ETAP nilai keandalan pada line tidak berpengaruh karena supply daya yang dibutuhkan masih bisa disalurkan melalui line yang lainnya. Dan untuk mengetahui letak gangguan, pada software ETAP dilakukan trial error atau sesuai data lapangan yang ada tidak bisa secara acak oleh software. Tabel 11 Perbandingan Data Gangguan Line Line Simulasi o Dari Ke (kali) (kali) 1 Waru 1 Gresik Lama Waru 2 Gresik Lama Waru 1 Sawahan Waru 2 Sawahan Waru 1 Dharmogrand Waru 2 Dharmogrand Tandes 1 Gresik Baru Tandes 2 Gresik Baru Tandes 1 Sawahan Tandes 2 Sawahan Tandes 1 Dharmogrand Tandes 2 Dharmogrand Line hanya di uji sebanyak 7 kali dengan nilai iterasi yang berbeda beda. IV. KESIMPULA Berdasarkan hasil perhitungan dan analisis yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu pada line transmisi sangat jarang sekali terjadi gangguan ini dibuktikan dengan data yang diperoleh yaitu hanya terjadi maksimal dua kali gangguan yang mengakibatkan pemadaman dalam waktu delapan tahun dengan waktu perbaikan 6,73 jam/ gangguan. Untuk sistem ring, saat running program ETAP hasil dan SAIDI hanya berdasarkan nilai kegagalan transformator. Sedangkan penentuan terjadinya gangguan menggunakan simulasi gangguan line yang sering terjadi adalah pada line yang memiliki lamda terbesar. Pada hasil simulasi jika terdapat gangguan pada line 3 dan 4, rele primer tidak bekerja karena waktu kerja rele backup lebih cepat yaitu 0,35 detik. ilai dan SAIDI pada simulasi didapat dari pengambilan data excel yang merupakan perhitungan secara exponensial dari susunan seri parallel. ilai terbesar yaitu pada iterasi ke 250 dengan nilai 0,0140 dan nilai terkecil yaitu pada iterasi ke 1000 dan 3000 dengan nilai Untuk nilai SAIDI terbesar adalah pada iterasi ke 500 dan 2000 dengan nilai 0,2697 dan nilai SAIDI terkecil adalah pada iterasi ke1000 dan 3000 dengan nilai 0,1901. nilai- nilai ini lebih besar dibandingkan dengan hasil ETAP karena pada perhitungan eksponensial ini lamda dan miu dari line yang terhubung dengan bus beban diperhitungkan. DAFTAR PUSTAKA [1] C. Singh, R. Billinton, System Reliability Modelling and Evaluation, Hutchinson Publishing Group, London, UK [2] F. Razavi, H. Askarian Abyaneha, M. Al-Dabbagh, R. Mohammadi, H. Torkaman, A new comprehensive genetic algorithm method for optimal overcurrent relays coordination, Electric Power Systems Research 78 (April (4)) (,8) [3] Kazem Mazlumi, Hossein Askarian Abyaneh. coordination and protection failure effects on reliability indices in an interconnected sub-transmission system. Science Direct [4] L. Goel, simulation-based reliability studies of a distribution test system, Electric Power System Research 54 (April (1)) (2000) [5] L. Goel, Y. Ou, Reliability worth assessment in radial distribution systems using the simulation technique, Electric Power System Research 51 (July (1)) (1999) [6] Permana, Moch. Fajar Sandya, Analisis Kontingensi untuk Mengatasi Undervoltage dan Overload pada Saluran Transmisi 150 KV di Jawa Timur Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh opember Surabaya [7] R.E Brown, Electric Power Distribution Reliability (Second Edition), CRC Press,Taylor and Francis Group, ew York [8] R. Billinton, R.. Allan, Reliability Evaluation of Power System (Second Edition), Plenum Press, ew York BIODATA PEULIS Penulis yang bernama Evril ursukma Kartinisari dilahirkan di kota kecil Jombang pada tanggal 21 April Pada tahun 1997 memulai pendidikan di SD Tanggungan, Gudo. Kemudian pada tahun 2003 melanjutkan sekolah di SMP 2 Jombang, dan pada tahun 2006 menempuh pendidikan di SMA 2 Jombang. Selanjutnya penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang yang lebih tinggi pada tahun 2009 di Bidang Studi Elektro Industri, Program D3 Teknik Elektro, ITS. Tak cukup hanya bergelar Amd. Penulis melanjutkan pendidikan Lintas Jalur di Institut Teknologi Sepuluh opember Surabaya pada tahun Semasa SMA penulis mengikuti ekstrakulikuler Kempo dan sampai sekarang bergabung sebagai anggota di UKM Kempo ITS. yang bisa dihubungi evril.nursukma@gmail.com