Paper ID: 108 Deteksi Lokasi Untuk Multi Point Pada Jaring Tiang Distribusi 20 KV Dengan Menggunakan Metode Perambatan Gelombang Sinyal Arus Balik Diah Risqiwati 1), Ardyono Priyadi 2), dan Mauridhi Hery Purnomo 3) 1,2,3) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Sukolilo, Surabaya, 60111, Indonesia email: 1) diah.rizqiwati@gmail.com, 2) priyadi@ee.its.ac.id, 3) hery@ee.its.ac.id Abstrak - Makalah ini membahas pendeteksian lokasi untuk gangguan multi point pada jaring tiang distribusi 20 KV dengan menggunakan perambatan gelombang sinyal arus balik. Pada beberapa kasus di sistem distribusi, beberapa gangguan seringkali tidak terdeteksi dikarenakan arus gangguan yang dihasilkan sangat kecil sekali. Dengan menggunakan simulasi, gangguan dibuat pada lebih dari satu titik dengan waktu yang sama dan juga waktu yang berbeda. Perhitungan lokasi gangguan yang diberikan akan diperhitungkan dengan menggunakan metoda perambatan gelombang sinyal arus balik. Metoda ini menghitung selisih waktu tunda antara sinyal arus datang saat terjadi gangguan dan gelombang arus refleksinya. Pada percobaan ini untuk gangguan multi point yang diberikan pada waktu yang sama menghasilkan error terbesar 19,54%, dan untuk gangguan multi point yang diberikan pada waktu yang berbeda menghasilkan error terbesar 2,79% Kata Kunci - multi point, tiang distribusi, arus gangguan, sinyal arus balik, error. 1. PENDAHULUAN Sistem distribusi di Indonesia masih menggunakan saluran udara atau biasa disebut Saluran Udara Tingkat Menengah (SUTM) yang sangat rentan sekali dengan gangguan. Saluran udara banyak dipilih oleh negeranegara berkembang pada umumnya dikarenakan apabila terjadi gangguan akan mudah untuk melakukan pembenahan serta biaya instalasinya yang murah. yang sering kali terjadi untuk Saluran Udara Tingkat Menengah adalah gangguan jenis single line to ground seperti tersambar petir, tersangkut layanglayang, angin kencang, kerusakan isolasi kabel, dan lain sebagainya. Skema perlindungan dari gangguan adalah sangat penting untuk menjaga sistem tetap stabil dan meminimalkan kerusakan jaringan konsumen serta kerugian ekonomis [1]. Namun dibeberapa kasus seringkali gangguan tidak terdeteksi, dikarenakan arus gangguan yang mengalirinya sangat kecil Sekarang ini terjadinya gangguan masih diantisipasi oleh petugas kelistrikan dengan cara manual, yaitu berdasarkan laporan dari pelanggan. Berdasarkan laporan tersebut petugas akan melakukan pengecekan lapangan dengan menyusuri satu persatu Load Break Switch (LBS) yang terjadi hubung singkat. Pada saluran distribusi, besarnya beban berubah-ubah setiap waktunya, sistem dengan pengukuran besarnya arus dan tegangan sebagai input data berdasarkan perhitungan impedansi masih bisa diandalkan untuk menentukan titik lokasi gangguan [2]. Dalam hal ini pengukuran arus dan tegangan sebelum dan setelah gangguan harus dilakukan untuk dibandingkan. Diperlukan metoda pendeteksian lokasi gangguan secara tepat baik untuk gangguan tunggal maupun gangguan multi point. Pada sistem kelistrikan pendeteksian gangguan secara cepat membantu melindungi peralatan dengan pemutusan aliran listrik yang diperbolehkan karena jaringan yang gangguan, sebelum kerusakan terjadi [3]. Penelitian untuk mengetahui lokasi gangguan secara tepat dan cepat untuk gangguan multi point sangat diperlukan untuk menjaga keandalan sistem kelistrikan. Dengan menggunakan metoda perambatan gelombang sinyal arus balik, digunakan analisis frekuensi tinggi tegangan dan arus pada sistem distribusi. Gelombang sinyal arus merambat menyebar dari titik gangguan ke kedua arah ujung saluran dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Ketika terjadi gangguan inilah tegangan dan arus titik gangguan tibatiba menurun sampai ke nilai rendah. Perubahan secara tiba-tiba ini yang menghasilkan dorongan energi elektromagnetik frekuensi tinggi [4]. Perhitungan estimasi lokasi gangguan secara umum dilakukan dengan menghitung selisih waktu tunda antara gelombang arus datang (maju) yaitu puncak pertama saat terjadi gangguan dan gelombang arus refleksinya yaitu puncak gelombang berikutnya yang dideteksi sebagai arus mundurnya. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Perambatan Gelombang Sinyal Arus Balik Perambatan gelombang sinyal arus balik menggunakan teori gelombang berjalan dapat menganalisa sinyal frekuensi tinggi pada tegangan dan arus pada saluran distribusi. Konduktor mempunyai resistansi dan induktansi yang tersebar secara merata sepanjang saluran. Teori gelombang berjalan untuk menentukan lokasi gangguan sangat cocok, karena 111
dengan menggunakan teori gelombang berjalan, komponen high frekuensi dapat diambil dari satu titik perhitungan, dan analisis dari sinyal yang diambil dapat dilakukan dengan membandingkan selisih waktu tunda antara puncak pertama gelombang sinyal arus datang (sinyal maju) dengan puncak berikutnya gelombang sinyal arus refleksinya (sinyal mundur). yang terjadi pada saluran distribusi akan menghasilkan gelombang arus dan tegangan yang berjalan sepanjang saluran sampai mereka bertemu pada ketidaksinambungan dari saluran seperti titik gangguan. Pada titik ini, gelombang arus dan tegangan akan terjadi refleksi dan refraksi. Hal ini akan menghasikan gelombang tambahan yang akan menyebar sepanjang saluran. Tegangan dan arus pada titik x harus memenuhi persamaan diferensial berikut: (2.1) dengan L dan C adalah induktansi dan kapasitansi dari saluran per meter dan v(x,t) dan i(x,t) adalah tegangan dan arus yang berubah pada lokasi x pada waktu t karena Gelombang Berjalan. Solusi umum untuk persamaan ini adalah: v (x,t) = f 1 (t - x/v) + f 2 (t + x/v) (2.2) i (x,t) = 1/Z 0 f 1 (t - x/v) -1/Z 0 f 2 (t + x/v) (2.5) dengan v adalah kecepatan propagasi gelombang dan Z 0 adalah impedansi karakteristik saluran Z 0 = L/C, fungsi f 1 dan f 2 menampilkan dua gelombang yang berjalan pada arah yang berlawanan. f 1 adalah gelombang yang berjalan pada posisi positif dari x (arah maju), sedangkan f 2 adalah gelombang yang berjalan dengan arah negatif dari x (gelombang mundur). 2.2 Diagram Tangga Diagram tangga dikembangkan oleh Bewley, yang bertujuan untuk dapat mengikuti jejak dari gelombang arus dan tegangan ketika dipantulkan kembali atau diteruskan dari titik akhir suatu kawat [5]. Pada keadaan ketidaksinambungan, sebagian dari traveling wave akan dipantulkan kembali sepanjang saluran dan sebagian akan ditransmisikan sampai di beban. Besarnya sinyal yang dipantulkan atau diteruskan tergantung dari besarnya impedansi pada ketidaksinambungan gelombang tersebut. Gelombang akan terus dipantulkan dan ditransmisikan sampai mati karena redaman. Metode yang paling luas digunakan untuk mendeteksi sinyal yang diinginkan adalah berdasarkan cross correlation. Bewley Lattice Diagram biasanya digunakan untuk menggambarkan pantulan dan pancaran dari Gelombang Berjalan seperti pada Gambar 2.5 Gambar 2.5 Diagram Bewley Lattice Ketika terjadi gangguan pada saluran, dua gelombang akan dihasilkan dengan menyebar keluar dari titik gangguan menuju kedua ujung saluran. Ketika gelombang ini mencapai poin ketidakseimbangan (A dan B), maka sinyal akan dipantulkan kembali dari titik A dan B menuju titik gangguan. Karena sinyal datang pada titik gangguan, sebagian dari gelombang akan kembali direfleksikan kembali menuju akhir saluran dan sebagian lagi akan di transmisikan ke ujung lainnya. Proses pantulan dan pentransmisian akan berlanjut sampai sinyal habis (mati) karena redaman. Apabila interval waktu antara kedatangan dari gelombang insiden perama pada A1 dan gelombang refleksi kesesuaian pada A4 dapat dicapai, maka jarak gangguan dari A dapat dikalkulasi dengan persamaan 2.6 d = vt/2 (2.6) dimana v adalah kecepatan merambat cahaya dan t adalah interval waktu antara gelombang datang dan gelombang pantul (t=t 2 -t 1 ) Kecepatan merambat cahaya pada kawat satu fasa dapat dihitung dengan persamaan 2.7 (2.7) dengan v adalah kecepatan rambat cahaya, L adalah induktansi saluran, dan C adalah kapasitansi saluran. Pantulan berulang sangat sulit untuk diikuti jejaknya, oleh karena itu diperlukan diagram tangga (diagram lattice) untuk melihat posisi dan arah gerak dari tiap-tiap gelombang datang, gelombang pantulan dan gelombang terusan setiap saat 2.3 Error Deteksi Lokasi Untuk validasi perhitungan, dilakukan pengecekan error dengan perhitungan pada persamaan 2.8 % Error = Estimasi d Real d x 100 % Total Distance (km) (2.8) Dengan d adalah jarak saluran dari gardu Induk dalam Km 3. METODE PENELITIAN 112
Makalah Deteksi Lokasi Multi Point Pada Jaring Tiang Distribusi 20 KV dengan Menggunakan Metode Perambatan Gelombang Sinyal Arus Balik ini menggunakan simulasi pemodelan sistem seperti pada diagram alir 3.1. Pada percobaan digunakan 10 titik simulasi gangguan dengan panjang saluran disesuaikan dengan panjang penyulang distribusi sesungguhnya, dalam hal ini percobaan menggunakan data saluran penyulang Hayam Wuruk APJ Mojokerto.Untuk proses deteksi lokasi gangguan multi point dengan perambatan gelombang sinyal arus balik ini yang dilakukan pertama adalah input peta tiang pada penyulang ke simulasi. Pemodelan simulasi dengan dapat dilihat pada Gambar 3.2. Pada Gambar 3.2 terdapat 10 titik pengujian gangguan, untuk gangguan multi point dengan waktu gangguan yang sama, blok parameter transition time diatur dengan waktu yang sama pada masing-masing titik yang akan diberikan gangguan, sedangkan untuk waktu gangguan yang berbeda, blok parameter transition time diatur dengan waktu yang berbeda pada masing-masing titik yang akan diberikan gangguan. Jenis gangguan yang akan diberikan juga dapat diatur pada blok parameter 3-phase fault ini. Hasil perambatan gelombang sinyal arus balik dapat dilihat pada blok Correlation Output 4. PENGUJIAN 4.1 Parameter Simulasi Perambatan Sinyal Arus Balik Sumber Tegangan - Tegangan (V) 1φ = 20 KV - Frekuensi = 50 Hz - Phase Angle of phase A= 90 (degree) Jaringan Distribusi - Jumlah fasa= 3 - R0 = 0.01273 Ω/km ; R1= 0.3864 Ω/km - L0= 0.9337 e-3 H/km ; L1= 4.1264 e-3 H/km - C0= 12.74 e-9 F/km ; C1= 7.751 e-9 F/km - Panjang Line 1 = 1.631 km; Line 2 = 0.836 km; Line 3 = 0.318 km; Line 4 = 0.675 km; Line 5 = 0.296 km; Line 6 = 0.708 km; Line 7 = 0.708 km, Line 8 = 0.651 km, Line 9 = 0.268 km, Line 10 = 0.399 km - Waktu diskrit = 0,009 ms - Trafo: Pn = 100e6 VA; fn = 50 Hz, Winding1 (V =20 KV; R1= 0.002 pu; L1=0.08 pu), Winding2 (V =20 KV; R1= 0.002 pu; L1=0.08 pu) - Panjang Total Jaringan Distribusi = 6.49 Km Gambar 3.1 Diagram Alir Deteksi Lokasi dengan perambatan arus balik 4.2 Hasil Pengujian Simulasi Multi Point dengan Metode Perambatan Gelombang Sinyal Arus Balik Pengujian simulasi gangguan multi point yaitu dengan mensimulasikan gangguan di dua titik dengan jenis gangguan tertentu, dan waktu gangguan yang diatur sama atau berbeda di setiap titiknya. Hasil dari percobaan gangguan multi point dapat dilihat pada Tabel.4.1. SLG adalah tipe gangguan satu fasa ke tanah, dan DLG adalah tipe gangguan dua fasa ke tanah. 5. ANALISA Pada multi point, simulasi dilakukan pada dua titik lokasi gangguan yang berbeda yaitu pada titik 1,631 km dan 2,785 km. Gambar 5.1 adalah hasil dari simulasi dua titik gangguan, titik pertama gangguan satu fasa ke tanah pada jarak aktual 1,631 km, sedangkan titik selanjutnya juga gangguan dengan tipe gangguan yang sama yaitu gangguan satu fasa ke tanah dengan jarak 2,785 km. Waktu gangguan ( Transition Time) diatur sama pada 0,02-0,1 detik 113
Gambar 3.2 Simulasi dengan menggunakan metode perambatan gelombang sinyal arus balik Dari Gambar 5.1 terlihat bahwa sinyal arus balik gangguan hanya terbaca di satu titik gangguan pertama yang paling dekat dari sumber (Gardu Induk) yaitu pada jarak 1,631 km. Sama seperti pembacaan sinyal pada gangguan di satu titik, didapatkan gelombang maju S 2 pada saat t=0,02016 detik dan gelombang korelasi mundurnya sebagai sinyal arus baliknya adalah S 1 pada saat t=0,020175 detik. Gelombang maju S 2 adalah puncak tertinggi dari semua gelombangnya, sedangkan S 1 adalah gelombang mundur hasil korelasinya diambil dari titik ekstrim turun setelah gelombang puncak maksimalnya. Dengan Persamaan 2.6 maka jarak titik gangguan dari GI dapat dihitung gangguan disimulasikan di dua titik. Titik yang pertama pada jarak 1,631 km dengan simulasi tipe gangguan satu fasa ke tanah dan waktu gangguan 0,02 0,1 detik. Sedangkan pada titik selanjutnya diberikan gangguan pada jarak 2,785 km dengan simulasi tipe gangguan dua fasa ke tanah dan waktu gangguan 0,04 0,12 detik. Gelombang korelasi sinyal arus baliknya ditunjukkan pada Gambar 5.2 untuk hasil gelombang keseluruhan gangguan di dua titik, Gambar 5.3 untuk hasil gelombang gangguan di titik 1,631 Km, dan Gambar 5.4 untuk hasil gelombang gangguan di titik 2,785 km d = v * (ts 1 ts 2 ) = 289,942 * (0,020175-0,02016) *1000 2 2 = 2,175 Km Jarak gangguan aktualnya adalah 1,631 km, sehingga ada deviasi 0,544 km dari perhitungan. Error (%) didapatkan dari persamaan 2.12 Error (%) = (2,175 1,631) * 100% = 8,38% 6,49 Dapat dilihat bahwa simulasi gangguan di dua titik gangguan dengan tipe gangguan yang sama dan waktu gangguan yang sama meningkatkan nilai Percobaan berikutnya adalah memberikan gangguan dengan tipe gangguan yang berbeda dalam waktu gangguan yang berbeda pula. Hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel 4.1. Pada percobaan ini titik terbesar adalah arus pada saluran yang terdekat dengan sumber, semakin jauh dari sumber impedansi menjadi Gambar 5.1 Hasil Simulasi SLG pada Jarak 1,631 Km dan 2,785 Km dengan waktu gangguan yang sama 114
No Tipe Waktu (s) Jarak (Km) S 1 S 2 Jarak Titik Perhitungan dari GI Error (%) Selisih (Km) 1 2 3 4 5 6 7 SLG 0,02-0,1 1,631 0,020175 0,02016 2,175 8,38 0,544 SLG 0,02-0,1 2,785 - - - - - SLG 0,02-0,1 2,785 0,02005 0,020025 3,624 12,93 0,839 SLG 0,02-0,1 3,756 - - - - - SLG 0,02-0,1 1,631 0,02007 0,02005 2,899 19,54 1,268 SLG 0,02-0,1 6,49 - - - - - SLG 0,02-0,1 1,631 0,02004 0,02003 1,450 2,79 0,181 DLG 0,02-0,1 2,785 - - - - - DLG 0,02-0,1 1,631 0,020025 0,020015 1,450 2,79 0,181 SLG 0,02-0,1 2,785 - - - - - SLG 0,02-0,1 1,631 0,02009 0,02008 1,450 2,79 0,181 DLG 0,04-0,12 2,785 0,04007 0,04005 2,899 1,76 0,114 SLG 0,02-0,1 1,631 0,02009 0,02008 1,450 2,79 0,181 SLG 0,04-0,12 2,785 - - - - - Tabel 4.1 Perhitungan gangguan multi point dengan metode perambatan gelombang sinyal arus balik Gambar 5.2 Hasil Simulasi pada Jarak 1,631 Km Transition Time 0,02-0,1 detik dan pada Jarak 2,785 Km Transition Time 0,04-0,12 detik Gambar 5.3 Hasil Simulasi 2 titik pada Jarak 1,631 km pada Tipe yang berbeda dan Waktu yang berbeda. Gambar 5.4 Hasil Simulasi 2 titik pada Jarak 2,785 km pada Tipe yang berbeda dan Waktu yang berbeda Dapat dilihat bahwa simulasi gangguan di dua titik gangguan dengan tipe gangguan yang berbeda dan waktu gangguan yang berbeda dapat mendeteksi gangguan di dua titik tersebut, perhitungan nilai kesalahan (error) pada pendeteksian gelombang dengan menggunakan sinyal arus balik pada titik pertama pada jarak gangguan 1,631 km yaitu 2,79% dan pada titik gangguan kedua 2,785 km yaitu 1,76%, sehingga pendeteksian lokasi gangguan dapat dihitung dengan akurat. 6. KESIMPULAN 115
- Pada simulasi gangguan multi point dengan waktu yang sama dan jenis gangguan yang sama, pendeteksian lokasi gangguan akan terbaca hanya pada gangguan pertama, hal ini dikarenakan arus yang terbaca pada gangguan selanjutnya terlalu kecil sehingga tidak terbaca. Jenis gangguan yang sama di titik selanjutnya akan memperbesar error perhitungan sampai 19,54%. - Pada simulasi gangguan multi point dengan waktu yang berbeda, sinyal arus balik gangguan akan terbaca sesuai dengan lokasi terjadinya gangguan pada waktu yang ditentukan. Namun hal ini terjadi bila gangguan di titik selanjutnya mempunyai tipe yang berbeda dari gangguan di titik sebelumnya, sedangkan bila mempunyai tipe yang sama, sinyal arus balik gangguan hanya terbaca pada titik awal terjadinya gangguan saja. Perhitungan menghasilkan kesalahan hanya sebesar 2,79%. REFERENSI [1] A. Pongthavornsawad, and W. Rungseevijitprapa, Broken Conductor Detection for Overhead Line Distribution System, Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2011 [2] R. H. Salim, M. Resener, A. D. Filomena, K. R. Caino de Oliveira, and A. S. Bretas, Extended Fault-Location Formulation for Power Distribution System, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 24, No. 2, 2009 [3] K. J. Ferreira and A. E. Emanuel, A Noninvasive Technique for Fault Detection and Location, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 25, No. 4, 2010 [4] Reddy B.R, Kumar M.V, Kalavathi M.S, Kumar P.R, Localization of Faults on Power Transmission Lines Using Traveling Wave Theory, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 5, No. 3, 2010 [5] Gonen. T, Electric Power Transmission System Engineering, John Willey and Sons, California, 1988 116