KOORDINASI OPTIMAL RELE DIRECTIONAL OVERCURRENT RELAY PADA SISTEM TRANSMISI 150 KV MENGGUNAKAN HYBRID PARTICLE SWARM OPTIMIZATION TIME VARYING ACCELERATION COEFFICIENT (PSO-TVAC) Septan Dwratha Jurusan Teknk Elektro Fakultas Teknk Industr, Insttut Teknolog Sepuluh Nopember Abstrak- Sstem tenaga lstrk tdak dapat terlepas dar terjadnya gangguan. Gangguan pada sstem tenaga dapat menggangu kontnutas pelayanan dan berpotens dapat merusak peralatan akbat alran arus hubung sngkat pada saluran. Oleh karena tu dbutuhkan sebuah sstem proteks yang dapat mengsolas daerah yang mengalam gangguan dan dapat menghndarkan kerusakan pada peralatan akbat arus hubung sngkat yang mengalr pada saluran. Pada paper n Koordnas drectonal overcurrent relay atau rele arus lebh berarah pada sstem loop menggunakan metode Hybrd PSO-TVAC dengan Lner programmng pada sstem transms mult-loop 150 kv. Metode Hybrd PSO-TVAC dengan Lner programmng dgunakan untuk menala parameter rele arus lebh berarah. Dar hasl smulas ddapatkan bahwa dengan menggunakan Hybrd PSO-TVAC lebh bak dbandngkan menggunakan Hybrd PSO. Dar hasl smulas ddapatkan bahwa total operas rele prmer dengan menggunakan metode Hybrd PSO-TVAC sebesar 7.45582 detk lebh bak dbandng menggunakan Hybrd PSO sebesar 7.70724 detk. Kata kunc- Koordnas Optmal, Drectonal Overcurrent Relay, Hybrd PSO-TVAC I. PENDAHULUAN Drectonal overcurrent relay atau rele arus lebh berarah merupakan salah satu jens rele proteks yang palng banyak dgunakan pada sstem proteks tenaga lstrk. arus lebh berarah dgunakan untuk mendeteks adanya gangguan hubung sngkat pada sstem yang mempunya sumber lebh dar satu dan mempunya jarng yang membentuk loop. Masalah yang muncul pada performans koordnas rele arus lebh berarah ketka beroperas pada sstem nterkoneks mult-loop, yatu sult untuk mendapatkan koordnas rele yang memenuh fundamental sstem proteks tenaga lstrk. Koordnas rele arus lebh pada sstem berbentuk loop membutuhkan waktu yang lama agar ddapatkan koordnas yang bak namun hasl koordnas yang dperoleh tdak optmal [1]. Untuk menyelesakan permasalahan koordnas rele arus lebh, berbaga metode dan teknk yang telah dlakukukan dklasfkaskan menjad tga jens, yatu teknk curve fttng, teknk teor Graph dan teknk optmsas. Teknk optmsas dbedakan menjad tga jens yatu teknk optmsas konvensonal, teknk optmsas nteror pont dan teknk optmsas menggunakan artfcal ntelegence [2]. Sebuah metode optmsas berbass artfcal ntellgent yatu Partcle Swarm Optmzaton (PSO), dperkenalkan oleh Kennedy and Eberhart pada tahun 1995 [3]. Metode PSO merupakan metode optmsas yang berdasarkan cara kawanan burung atau kan yang sedang mencar makan. Untuk mendapatkan hasl yang lebh bak metode PSO dkembangkan dengan memvaraskan koefsen partkel berdasarkan waktu pencaran. Hasl pengembangan PSO yang dkenal Partcle Swarm Optmzaton Tme Varyng Acceleraton Coeffcent (PSO-TVAC) [4]. Teknk optmsas konvensonal khususnya Lnear Programmng yatu suatu teknk optmsas berdasarkan suatu persamaanpersamaan lner. Lner programmng telah berhasl dgunakan untuk menyelesakan masalah koordnas rele arus lebh berarah dalam waktu yang relatve cepat [5]. Dharapkan dengan menggunakan metode Hybrd PSO-TVAC dengan Lnear Programmng dapat mengaslkan koordnas rele arus lebh secara tepat dan optmal. II. DASAR TEORI Untuk menjamn keandalan dan kontnutas penyaluran daya pada sstem tenaga lstrk maka dperlukan adanya pengaman yang handal sehngga rele proteks harus memenuh persyaratan sebaga berkut, 1. Senstvtas Senstvtas adalah kemampuan rele proteks untuk bereaks dan bekerja terhadap gangguan yang terjad pada sstem. 2. Selektvtas Selektvtas adalah kemampuan rele untuk beroperas ketka jka terjad gangguan ddaerah proteksnya atau rele proteks dapat memsahkan bagan sstem yang terganggu. 3. Kecepatan beroperas Kecepatan beroperas merupakan kemampuan rele proteks untuk beroperas sesua dengan lama waktu yang dbutuhkan. Kemampuan sstem proteks memsahkan gangguan secapat mungkn dar sstem sehngga mengurang dampak yang dtmbulkan oleh gangguan tersebut. Lama waktu sejak snyal gangguan dterma sampa dlakukan pemsahan gangguan merupakan penjumlahan waktu rele beroperas dan waktu PMT beroperas, drumuskan sebaga berkut, toperas = trele + tcb (1) 4. Keandalan (relablty) Keandalan merupakan kemampuan rele untuk selalu beroperas secara tepat pada berbaga konds.
5. Ekonoms Dsampng memenuh persyaratan 1 s/d 4, namun penggunaan rele harus dsesuakan dengan saluran dan peralatan yang damankan. 2.1. Dasar Settng Settng arus untuk rele arus lebh mempunya batas maksmum dan mnmum dar besarnya arus yang mengalr. Batas maksmum dan mnmum drumuskan sebaga berkut, 1. Batas mnmum Pada dasarnya batas mnmum settng rele arus lebh yatu rele tdak boleh beroperas pada saat mengalr arus beban penuh. 2. Batas maksmum Pada settng arus maksmum pada rele arus lebh perlu memperhtungkan arus hubung sngkat yang melewat rele. Suatu gangguan hubung sngkat tga fasa pada pembangktan maksmum akan menyebabkan mengalrnya arus gangguan maksmum dan gangguan hubung sngkat antar fasa akan menyebabkan mengalrnya arus hubung sngkat mnmum. harus dapat merespon terhadap dua konds yatu konds maksmum dan konds mnmum. I SC mn adalah arus hubung sngkat dua fasa dengan pembangktan mnmum yang terjad pada ujung saluran pada daerah perlndungan berukutnya. Sehngga persyaratan settng arus pada rele dapat drumuskan sebaga berkut, 1,25 I FL I P 0, 8 I SC mn (2) Untuk jens rele arus lebh dengan karakterstk nvers, settng waktu dtentukan pada saat arus gangguan maksmum mengalr pada rele, untuk dapat mensettng waktu pada rele nvers maka harus men-settng TMS rele berdasarkan settng arus dan kurva karakterstk rele. TMS ddefnskan sebag berkut, T TMS = T m (3) dengan, T : waktu yang dbutuhkan rele untuk bekerja T m : waktu yang ddapat dar kurva karakterstk rele dengan TMS = 1,0 dan menggunakan nla ekvalen PSM untuk arus gangguan maksmum. Untuk mendapatkan koordnas rele arus lebh berarah, kta harus menghtung arus hubung sngkat yang mengalr pada saluran. Optmsas dlakukan untuk mendapatkan waktu operas rele prmer secepat mungkn dan seselektf mungkn dengan tetap memenuh constran yang djnkan. 2.2. Constran Koordnas Untuk mendaptkan koordnas rele arus lebh yang optmal maka constran pada oordnas harus dpenuh. Consrtran pada koordnas rele arus lebh yang optmal drumuskan sebaga berkut [8], T T CTI (4) m b TMS TMS TMS (5) mnmum mum I I I (6) p p mnmum pmaksmum dengan, T m adalah waktu operas rele prmer T b adalah waktu operas rele backup TMS adalah Tme Multple Settng rele ke- I p adalah settng arus rele ke- Dengan CTI (Coordnaton Tme Interval) merupakan nterval waktu operas antara waktu operas rele prmer dan waktu operas rele sekunder. Pada paper n CTI yang dgunakan sebesar 0,3 detk. III. PEMODELAN SISTEM TENAGA Sstem kelstrkan yang dpaka yatu sstem transms 150 kv mult-loop yang terdr dar dua unt generator, dua unt transformator, delapan bus dan empat belas rele arus lebh berarah. Sstem yang dapat dlhat pada Gambar 1. yang dgunakan pada paper n adalah rele arus lebh berarah atau drectonal overcurrent relay IDMT (Invers Defnt Mnmum Tme) tpe Normal Inverse. arus lebh berarah yang dgunakan pada tugas paper n mempunya karakterstk sebaga berkut [7], TMS t = K1 K 2 I (7) + K 3 I p dengan nla K1, K2, K3 yatu 0,14, 0.02 dan -1 berurutan sedangkan nla TMS (Tme Multpler Settng) yatu dalam range 0.1 sampa dengan 1.0 [6]. Nla I merupakan hasl perkalan dar raso CT dan tap current settng. Nla tap current settng rele arus lebh yatu 0.5, 0.6, 0.8, 1,0, 1,5, 2,0 dan 2,5 [6]. Data raso current transformer (CT) yang dpaka pada paper n dapat dlhat pada Tabel 1. Pada paper n dgunakan metode matrk untuk menentukan pasangan rele prmer dan rele backup untuk semua kemungknan terjad suatu gangguan. Dengan menggunakan metode matrk dar ref [5] maka sstem pada paper n matrk plant ddapatkan menggunakan langkahlangkah sebaga berkut, Gambar 1. Sstem Transms 150 kv mult-loop p
a. Assums e adalah jumlah dar lne transms dan n adalah jumlah dar bus. b. Jumlah kolom dar matrk n sama dengan jumlah bus. Augmented ncdence matrx dsusun dengan mengalkan setap elemen node ncdence matrx dengan -1 pada jumlah kolom e + 1 hngga 2e. c. Kolom dar 1 hngga e mempunya nla sama dengan node ncdence matrk. d. Arah cabang untuk jarng dberkan secara bebas dan elemen dar ncdence matrk A dperoleh menggunakan aturan sebaga berkut: A cl 1. elemen dar matrk A dber nla -1 jka alran memasuk node. 2. elemen dar matrk A dber nla +1 jka alran mennggalkan node. Dengan menggunakan langkah datas maka matrk A mempunya ukuran 6 x 7 drepresentaskan sebaga berkut, 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 A = 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 Untuk mendapatkan matrk sstem maka matrk A dperluas hngga kolom matrk menjad menjad matrk Acl ukuran 6 x 14. Matrk Acl merupakan representas dar matrk sstem. 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 = 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 prmer dan backup dapat dnla dar augmented ncdence matrk dengan menggunakan langkah sebaga berkut, Langkah 1. Anggap kolom 1 sesua dengan rele 1. Ambl elemen negatf pada kolom tersebut. Tabel 1. Data raso CT pada setap rele Raso Current Transformer no CT Rato no CT Rato 1 240 8 240 2 240 9 160 3 160 10 240 4 240 11 240 5 240 12 240 6 240 13 240 7 160 14 160 (8) (9) Tabel 2. Prmer dan Backup prmer Pasangan rele pada saluran backup prmer backup 1 6 8 7 2 1 8 9 2 7 9 10 3 2 10 11 4 3 11 12 5 4 12 13 6 5 12 14 6 14 13 8 7 5 14 1 7 13 14 9 Langkah 2. Ambl bars yang sesua dengan elemen negatf. Langkah 3. Car elemen postf yang sesua bars ke- 1 pada kecual elemen postf pada kolom ke-8. Langkah 4. Langkah 1-3 dulang untuk rele prmer dan rele backup yang lan. Dar matrk A cl kta dapat mengetahu pasangan rele prmer dan rele backup. Dar matrk A cl kta dapat mengetahu pasangan rele prmer dan rele backup. Pasangan rele prmer dan rele backup dapat dlhat pada Tabel 2. IV. HYBRID PSO-TVAC Pada Paper n, optmsas yang menggunakan metode Hybrd PSO-TVAC. Metode Hybrd PSO-TVAC merupakan gabungan algortma partcle swarm opmzaton yang menggunakan teknk tme varyng acceleraton dengan metode Lner Programmng. Hybrd PSO-TVAC yatu terdr dar dua proses yatu proses PSO-TVAC dan proses Lner Programmng. 4.1 Proses PSO-TVAC I S Proses PSO-TVAC dgunakan untuk mendapatkan nla setap rele arus lebh agar ddapatkan koordnas rele arus lebh yang optmal. Nla I S merupakan varabel nonlner pada model rele arus lebh sehngga dengan menggunakan PSO-TVAC maka ddapatkan nla yang optmal. a. Pada langkah pertama, nsalsas jumlah partkel, teras maksmum, kecepatan partkel, poss awal, p, g. Poss pada algortma PSO-TVAC best best I p mempresentaskan nla. b. Langkah berkutnya evaluas ftness setap partkel. Nla ftness ddefnskan sebaga berdasarkan fungs objektf. Fungs ftness berdasarkan yang dgunakan untuk mendapatkan koordnas rele arus lebh sebaga berkut, Fobj = W Tk (10)
dengan T k merupakan waktu operas rele ketka terjad gangguan pada bus k dan W adalah probabltas terjadnya gangguan besarnya 1.0 [8]. c. Update pbest dan gbest. d. Update kecepatan dan poss semua partkel menggunakan. k v k = w. v + c11 r ( pbset x ) + c2r2( gbest x ). (11) x + = x + v (12) e. Update weght w w teras teras = + w (13) mn wmn teras f. Update koefsen akseleras kecepatan parkel menggunakan. teras c= ( c c ) + c (14) 1 1f 1 1 teras mum teras c = ( c c ) + c (15) 2 2f 2 2 teras mum g. Ulang mula proses a s/d e hngga teras maksmum dengan varabel sebaga berkut, v + v pbest gbest x + : update kecepatan parkel ke- : kecepatan awal partkel ke- : best poston partkel ke- : local best poston partkel ke- : update poss partkel ke- x : poss awal partkel ke- w : parameter weght w : weght akhr teras w : weght nsalsas c c 1 2 mn : koefsen acceleras nduvdu : koefsen acceleras sosal teras : maksmum teras 4.2 Proses Lner Programmng Lner programmng dgunakan untuk mendapatkan nla varabel TMS pada rele arus lebh. Sehngga ftness pada koordnas optmal rele arus lebh berarah ddapatkan. Untuk mendapatkan Flowcart hybrd PSO-TVAC dapat dlhat pada Gambar 2. Untuk menghtung nla ftness pada setap partkel djelaskan sebaga berkut, a. Untuk mendapatkan nla ftness maka dbutuhkan nla I p yang ddapatkan PSO-TVAC. b. Dengan menyelesakan ppersamaan lner maka dgunakan lner solver sehngga ddapat nla varabel TMS. Flowchart metode hybrd PSO-TVAC yang dgunakan untuk mendapatkan koordnas rele arus lebh berarah, dapat dlhat pada Gambar 2. Smulas menggunakan metode Hybrd PSO-TVAC dan metode Hybrd PSO. Hybrd PSO dgunakan sebaga pembandng. Parameter yang dgunakan untuk smulas dapat dlhat PSO-TVAC pada tabel 4 [4]. Arus hubung sngkat pada paper n dhtung menggunakan software Etap. Hasl smulas arus yang mengalr pada rele ketka terjad gangguan dapat dlhat pada Tabel 3. Dar hasl smulas bahwa metode Hybrd PSO-TVAC mempunya hasl yang lebh bak dbandngkan menggunakan Hybrd PSO. Nla ftness menggunakan metode Hybrd PSO- TVAC sebesar 7.45582 detk sedangkan menggunakan Hybrd PSO nla ftness sebesar 7.70724 detk. Grafk konvergens metode Hybrd PSO-TVAC dan metode Hybrd PSO dapat dlhat pada Gambar 3. Dengan parameter rele arus lebh berarah pada Tabel 5. Waktu operas rele ketka terjad gangguan dengan parameter rele yang ddapatkan menggunakan metode Hybrd PSO-TVAC dapat dlhat pada Tabel 6. Dagram plot waktu operas rele ketka terjad gangguan hubung sngkat pada saluran antara Bus 3 dan Bus 4 dapat dlhat pada Gambar 4. Pada gambar dagram plot, rele yang dgunakan yatu rele GE Multln 735 yang merupakan rele feeder Protecton tpe Normal Inverse [15]. Dar gambar plot dagram dapat dketahu bahwa rele 3 dan rele 2 beroperas secara tepat pada arus gangguan maksmum maupun ketka arus gangguan mnmum mengalr pada saluran. Table 3. Arus Hubung Ketka Terjad Gangguan prmer Arus (ka) backup Arus (ka) 1 2.898 6 3.126 2 5.893 1 0.947 2 5.893 7 1.8 3 3.824 2 3.824 4 2.545 3 2.545 5 1.555 4 1.555 6 5.893 5 0.486 6 6.893 14 1.8 7 5.04 5 0.486 7 5.04 13 0.947 8 5.893 7 1.8 8 5.893 9 0.486 9 1.658 10 1.658 10 2.661 11 2.661 11 4 12 4 12 6.354 13 0.947 12 6.354 14 1.8 13 3.126 8 2.898 14 6.36 1 0.947 14 6.36 9 0.486
Tabel 4. Parameter PSO-TVAC Jumlah partkel 20 Maksmum teras 100 Wegt maksmum 0.9 Wegt mnmum 0.1 c1 0.25 c1f 0.5 c2 0.5 c2f 0.25 I set Tabel 5. Nla Parameter TMS dan Ip dar Hasl Smulas no Hybrd PSO Hybrd PSO-TVAC TMS Ip TMS Ip 1 0.1 600 0.1 600 2 0.2499 600 0.2519 600 3 0.2069 400 0.2094 400 4 0.1134 480 0.1 600 5 0.1 240 0.1231 192 6 0.3023 192 0.1768 600 7 0.2287 400 0.23 400 8 0.2182 360 0.1639 600 9 0.1 240 0.1 240 10 0.2524 120 0.1 600 11 0.1841 600 0.1648 600 12 0.267 600 0.316 360 13 0.1 600 0.1 600 14 0.2342 400 0.2287 400 Tabel 6. Margn Waktu Operas Menggunakan PSO-TVAC Gambar 2. Flowchart Hybrd PSO-TVAC Gambar 3. Grafk konvergens Metode Prmer Waktu (detk) Backup Waktu (detk) Margn (CTI) 1 0.43752 6 0.73749 0.29996 2 0.75432 1 1.52686 0.77253 2 0.75432 7 1.0544 0.30008 3 0.63473 2 0.93452 0.29979 4 0.47748 3 0.77758 0.3001 5 0.4034 4 0.72808 0.32469 6 0.52943 5 0.91925 0.38982 6 0.49466 14 1.04844 0.55378 7 0.61947 5 0.91925 0.29978 7 0.61947 13 1.52686 0.90738 8 0.4908 7 1.0544 0.5636 8 0.4908 9 0.98512 0.49432 9 0.35523 10 0.6817 0.32648 10 0.46298 11 0.763 0.30001 11 0.59662 12 0.89668 0.30007 12 0.74863 13 1.52686 0.77823 12 0.74863 14 1.04844 0.29982 13 0.41713 8 0.7171 0.29997 14 0.56285 1 1.52686 0.96401 14 0.56285 9 0.98512 0.42227
Gambar 4. Dagram Plot Karakterstk Operas Gangguan dantara Saluran 3 dan Saluran 4. V. KESIMPULAN Metode Hybrd PSO-TVAC dengan Lner Programmng dapat dgunakan untuk menala parameter rele arus lebh berarah sehngga ddapatkan koordnas rele arus lebh bearah yang optmal. Optmsas yang dlakukan dengan menggunakan Hybrd PSO-TVAC mempunya nla ftness 7.45582 detk lebh bak dbandng dengan menggunakan Hybrd PSO mempunya nla ftness 7.70724. VI. REFERENSI [1] D. Vjayakumar, R. K. Nema, A Novel Optmal Settng for Drectonal overcurrent Relay Coordnaton usng Partcle Swarm Optmzaton, Internatonal Journal of Electrcal Power and Energy Systems Engneerng (2008) 220-225 [2] Dnesh Brla, Rudra Prakash Maheshwar, dan Har Om Gupta, Tme-Overcurrent Relay Coordnaton: A Revew, Internatonal Journal of Emergng Electrc Power Systems, (2005) Artcle 1039 [3] Yamlle del Valle, Ganesh Kumar Venayagamoorthy, Salman Mohaghegh, Jean-Carlos Hernandez dan Ronald G. Harley, Partcle Swarm Optmzaton: Basc Concepts, Varants and Applcatons n Power Systems, IEEE Transactons on Evolutonary Comput, Aprl (2008) 171-195 [4] Krshna Teerth Chaturved, Manjaree Pandt, Laxm Srvastava, Partcle swarm optmzaton wth tme varyng acceleraton coeffcents for non-convex economc power dspatch, Electrcal Power and Energy Systems 31 (2009) 249 257 [5] H. B. Elrafe, M. R. Irvng, Lnear programmng for drectonal overcurrent relay coordnaton n nterconnected power systems wth constrant relaxaton, Electrc Power Systems Research, 27 (1993) 209 216 [6] H.H. Zeneldn, E.F. El-Saadany, M.M.A. Salama, Optmal coordnaton of overcurrent relays usng a modfed partcle swarm optmzaton, Electrc Power Systems Research 76 (2006) 988-995 [7] Albert J. Urdaneta, Ramon Nadra, Lus G. Perez Jmenez, Optmal Coordnaton Of Drectonal Overcurrent Relays In Interconnected Power Systems, IEEE Transactons on Power Delvery, Jul (1988) 903-911 [8] Abbas Saber Noghab, Javad Sadeh, Habb Rajab Mashhad, Consderng Dfferent Network Topologes n Optmal Overcurrent Relay Coordnaton Usng a Hybrd GA, IEEE Trans. Power Delvery, Oktober (2009) 1857-1863 [9] Stevenson Jr, W. D, Analsa Sstem Tenaga, Jakarta: Erlangga. 1988 [10] Gonen, Turan, Electrc Power Transmsson System Engneerng: Analyss & Desgn, New York: Wley-Interscenc. 1988 [11] Wahyud, Dktat Mata Kulah Sstem Pengaman Sstem Tenaga Lstrk. [12] User mannual GE Multln Septan Dwratha lahr d Surabaya, Jawa Tmur pada tanggal 29 Desember 1988. Pada tahun 2000 penuls menyelesakan stud d SDN Ngagel Rejo VI Surabaya. Penuls melanjutkan stud d SLTPN 39 Surabaya dan lulus pada tahun 2003. Setelah lulus dar SMUN 4 Surabaya pada tahun 2006, penuls melanjutkan stud S1 d Insttut Teknolog Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya, Jurusan Teknk Elektro bdang stud Teknk Sstem Tenaga. Penuls dapat dhubung melalu alamat emal: s_ptan@elect-eng.ts.ac.d