KOORDINASI PROTEKSI RELE ARUS LEBIH DENGAN METODE FUZZY LOGIC MENGGUNAKAN PLANT PT.KPI (KALTIM PARNA INDUSTRI) Dani Brami Purwosetyo, Margo Pujiantara, Heri Suryoatmojo Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Abstrak PT. Kaltim Parna Industri adalah perusahaan industri petrokimia yang memproduksi ammonia, dengan kapasitas produksi 500 MTTP, berlokasi di Bontang Kalimantan Timur. PT. KPI memiliki STG (Steam Turbine Generator) dengan kapasitas 7,5 MVA ; KV ; PF 0,8; 500 rpm yang selalu dioperasikan dalam kondisi normal. Karena PT. KPI adalah perusahaan industri petrokimia, maka koordinasi sistem proteksi PT. KPI harus benar-benar baik, agar keandalan sistem dapat terjaga. Pada Tugas Akhir ini bertujuan untuk menyajikan analisis terhadap koordinasi rele pengaman menggunakan plant PT. KPI dengan cara konvensional dibandingkan dengan metode fuzzy logic FIS. Untuk membantu proses pengerjaan tugas akhir ini digunakan software pendukung yaitu ETAP 7.0, Power Plot, dan Matlab R200a. Dari Tugas Akhir ini akan dapat mempermudah dan membantu pengguna awam untuk mensetting TDS (Time Dial Setting) untuk kurva invers rele dari suatu sistem proteksi khususnya pada plant PT. KPI. P Kata Kunci Koordinasi, rele pengaman, fuzzy logic. PENDAHULUAN eralatan pengaman arus berlebih memiliki skema terbesar dalam sistem pengamanan pada berbagai sistem distribusi dan biasanya digunakan sebagai cadangan pada pengaman utama. Sebelum sistem proteksi diimplementasikan, diperlukan perhitungan dan analisis agar setting rele dapat diketahui supaya rele dapat bekerja secara baik. Apabila nantinya terjadi gangguan, sebagai contoh overload atau beban lebih, hubung singkat antara fasa dengan fasa, hubung singkat antara fasa dengan tanah maka sistem proteksi akan bekerja sesuai fungsinya sebagai pengaman, sehingga stabilitas tenaga listrik akan berlangsung. Pada tugas akhir ini akan menguraikan koordinasi pengaman arus lebih (Overcurrent) dengan metoda fuzzy logic. Dengan metode ini kita dapat menggantikan metode konvensional dalam menentukan waktu operasi dari rele arus lebih dan selisih waktu operasi antar rele yang berdekatan yang menggunakan plant PT Kaltim Parna Industri yang selanjutnya disebut PT. KPI. Dengan latar belakang tersebut, maka dilaksanakan tugas akhir ini dengan tujuan sebagai berikut: Melaksanakan studi mengenai hubung singkat dan koordinasi proteksi sistem kelistrikan PT. Kaltim Parna Industri (KPI) untuk mempermudah pengguna awam untuk mensetting kurva invers rele dari suatu sistem proteksi khususnya plant PT. KPI. Adapun untuk dapat mencapai tujuan seperti tersebut di atas, maka dalam pelaksanaan tugas akhir ini digunakan blok diagram perencanaan sistem yang diberikan dalam diagram alir pada Gambar. START Pengumpulan Data dan Literatur Pemodelan Single Line Diagram Sistem dan Penentuan Typical pada software ETAP Analisis Load Flow Simulasi dan Analisis Hubung Singkat Simulasi Setting Koordinasi Sistem Proteksi Setting Koordinasi Aman? Didapatkan Nilai Ip dan Variabel Input (Ip dan ) FUZZY LOGIC Variabel Output (t) Analisis (t) konvensional dengan (t) Fuzzy Logic Pembuatan laporan STOP Ya Gambar. Blok diagram perencanaan sistem 2. Rele Arus Lebih 2. TEORI PENUNJANG Tidak Rele arus lebih merupakan suatu jenis rele yang bekerja berdasarkan besarnya arus masukan, dan apabila besarnya arus masukan melebihi suatu harga tertentu yang dapat diatur (Ip) maka rele arus lebih bekerja. Dimana Ip merupakan arus kerja yang dinyatakan menurut gulungan sekunder dari trafo arus (CT). Bila suatu gangguan terjadi didalam daerah perlindungan rele, besarnya arus gangguan (If) yang juga dinyatakan terhadap gulungan sekunder CT juga. Rele akan bekerja apabila memenuhi keadaan sebagai berikut []: If > Ip rele bekerja ( trip ) If < Ip tidak bekerja ( block )
Rele arus lebih ini dapat berupa rele arus lebih waktu invers (inverse time overcurrent relay), rele arus lebih waktu tertentu (definite overcurrent relay), dan rele arus lebih waktu instan (instantaneous overcurrent relay) Waktu (detik) t = 80 milidetik If besar Gambar 2. Instantaneous Arus (Ampere) Karakteristik overcurrent Arus relay Lebih Seketika Gambar 4. Definite overcurrent relay Gambar 3. Invers overcurrent relay Karakteristik Arus Lebih Waktu tertentu 2.2 Setting Rele Pengaman a. Setting Arus Pada dasarnya batas penyetelan rele arus lebih adalah rele tidak boleh bekerja pada saat beban maksimum. Arus settingnya harus lebih besar dari arus beban maksimumnya. Arus penyetelan pun harus memperhatikan kesalahan pick up sesuai dengan British Standard Pick Up =.05 s/d.3 Iset [2]. Pada penyetelan rele arus lebih juga harus memperhatikan batas maksimum setting, untuk Karakteristik Arus alasan Lebih keamanan Waktu dan terbalik back up, estimasi setting ditetapkan Iset < 0.8 Isc min [3]. Pada rele arus lebih, besarnya arus pickup ini ditentukan dengan pemilihan tap. Adapun untuk menentukan besarnya tap yang digunakan dapat menggunakan persamaan berikut : I set Tap = () Sedangkan menentukan time dial dari masingmasing kurva karakteristik invers rele IEC 60255-3 or BS 42 standards adalah sebagai berikut [4]: INVERSE (Type A) 0.4 (2) t 0.02 I Ip VERY INVERSE (Type B) t I Ip EXTREMELY INVERSE (Type C) 80 t 2 I Ip (3) (4) LONG INVERSE (Type B) 20 (5) t I Ip b. Setting Waktu Penyetelan waktu kerja rele terutama dipertimbangkan terhadap kecepatan dan selektivitas kerja dari rele, sehingga rele tidak salah operasi, yang dapat menyebabkan tujuan pengaman tidak berarti. Untuk setting waktu sesuai standard IEEE 242, yaitu sebagai berikut : waktu terbuka circuit beaker : 0,04 0, det (2-5 Cycle) overtravel dari rele : 0, det faktor Keamanan : 0,2 0,22 det. 2.3 Fuzzy Inference System (FIS) Dasar logika fuzzy adalah teori himpunan fuzzy. Pada teori himpunan fuzzy, peranan derajat keanggotaan sebagai penentu keberadaan elemen dalam suatu himpunan sangatlah penting. Nilai keanggotaan atau derajat keanggotaan atau membership function menjadi ciri utama dari penalaran dengan logika fuzzy tersebut [5]. Ada beberapa alasan mengapa orang menggunakan logika fuzzy, antara lain : a. Konsep logika fuzzy mudah dimengerti. Konsep matematis yang mendasari penalaran fuzzy sangat sederhana dan mudah dimengerti. b. Logika fuzzy sangat fleksibel. c. Logika fuzzy memiliki toleransi terhadap data-data yang tidak tepat. d. Logika fuzzy mampu memodelkan fungsi-fungsi nonlinier yang sangat kompleks. e. Logika fuzzy dapat membangun dan mengaplikasikan pengalaman-pengalaman para pakar secara langsung tanpa harus melalui proses pelatihan. f. Logika fuzzy dapat bekerjasama dengan teknik-teknik kendali secara konvensional. g. Logika fuzzy didasarkan pada bahasa alami Biasanya seorang operator/pakar memiliki pengetahuan tentang cara kerja dari sistem yang bisa dinyatakan dalam sekumpulan IF-THEN rule. Dengan melakukan fuzzy inference, pengetahuan tersebut bisa ditransfer kedalam perangkat lunak yang selanjutnya memetakan suatu input menjadi output berdasarkan IF-THEN rule yang diberikan. Sistem fuzzy yang dihasilkan disebut Fuzzy Inference System (FIS)[6]. INPUT pelayanan makanan Input berupa bilangan skor 0-0 Gambar 5. Struktur FIS[6] RULE Rule # IF pelayanan is mengecewakan OR makanan is hambar THEN bonus is sedikit Rule #2 IF pelayanan is bagus THEN bonus is sedang Rule #3 IF pelayanan is memuaskan OR makanan is enak THEN bonus is banyak Semua rule dievaluasi secara paralel Σ defuzzifikasi OUTPUT bonus Output berupa bilangan 2
Proses fuzzy inference dalam gambar 5 bisa dibagi dalam lima bagian: fuzzifikasi variabel masukan, operasi fuzzy logic menggunakan operator fuzzy AND atau OR pada bagian antecedent ke consequent, agregasi semua consequent dari semua IF-THEN rule dan defuzzifikasi. 3. SISTEM KELISTRIKAN PT. KALTIM PARNA INDUSTRI DAN PEMODELAN DENGAN FUZZY LOGIC 3. Sistem Kelistrikan PT. KPI PT Kaltim Parna Industri adalah perusahaan industri petrokimia, yang memproduksi Ammonia, dengan kapasitas produksi 500 MTPD, berlokasi di Bontang Kalimantan Timur. KPI akan melakukan sharing power dengan pembangkit lain yaitu PT.KDM, dengan komposisi sharing 80: 20. KPI memiliki STG (Steam Turbin Generator) dengan kapasitas 7,5 MVA; KV; PF 0.8; 500 rpm yang selalu dioperasikan dalam kondisi normal. Khusus pada kondisi di mana tidak ada supply listrik dari KDM, maka kebutuhan listrik untuk area storage dan jetty akan di supply oleh 2 (dua) Diesel Generator dengan kapasitas masing-masing MW yang digunakan saat STG dalam keadaan tidak beroperasi. Gambar 6. Single Line Diagram PT. KPI Gambar 8. Single Line Diagram Tipikal Gambar 7. Single Line Diagram Tipikal 3.2 Pemilihan Tipikal Koordinasi Pada tugas akhir ini analisa meliputi short circuit level dan koordinasi proteksi pada sumber 3 penyulang dan 2 tingkat proteksi pada PT. KPI, maka diambil tipikal koordinasi. Tipikal koordinasi yang diambil dapat dilihat jelas pada Gambar 7. dan Gambar 8. Tipikal : Koordinasi mulai dari Bus 9 pada level tegangan 6.9 kv hingga Bus 8 pada level tegangan KV. Pada Bus 9 level tegangan 6.9 kv terdapat motor tegangan menengah 500 kw. 3 4. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS 4. Simulasi Hubung Singkat Minimum Hubung singkat minimum adalah hubung singkat yang terjadi ketika sistem beroperasi pada kondisi suplai beban minimum. Tetapi pada tugas akhir ini hanya menggunakan sumber, sehingga cara pengambilan data dari hubung singkat minimum dengan hubung singkat maksimum hampir sama tetapi beda pada cycle nya dan jenis hubung singkatnya. Di mana pada kondisi ini sistem disuplai oleh PT. KDM dan STG dari PT. KPI dengan perbandingan sharing 20:80. Pada
simulasi hubung singkat minimum, diperoleh nilai arus hubung singkat minimum 30 cycle yang diperoleh dari simulasi hubung singkat pada software ETAP. Tabel. Data Hubung Singkat Minimum 30 cycle BUS Isc min 30 cycle ID KV KA Bus 9 6.9 7.007 MSG 6.9 7.544 Bus 4 4.334 HSG-KPI 4.984 4.2 Simulasi Hubung Singkat Maksimum Adapun nilai arus hubung singkat maksimum 4 cycle yang diperoleh dari simulasi hubung singkat pada software ETAP disajikan pada Tabel 2. Tabel 2. Data hubung singkat maksimum 4 cycle BUS Isc max 4 cylce ID KV KA Bus 9 6.9.847 MSG 6.9 3.304 Bus 4 22.096 HSG-KPI 23.26 4.3 Koordinasi Rele Pengaman secara Konvensional Setelah mengetahui besar arus nominal dan arus gangguan hubung singkat yang mungkin terjadi pada peralatanperalatan yang perlu diamankan, maka dapat dihitung arusarus yang perlu diamankan agar tidak merusak peralatan dan menggangu kestabilan sistem. Relay 5-MSG-CB MSG A (CT Ratio : 800/5),05 x FLA 0,8 x I sc min 30 cycle,05 x 53 A 0,8 x 7007 A 55.65 A 5605,6 A dipilih = 55.65 A 55.65 Iset = = = 3,7 A 75 / 5 Sehingga setting arus pickup inverse = 3,7 A Waktu operasi yang diinginkan = t = 20 s = Time Dial I = Istarting-motor I Istartingmotor 43,4 x20 55.65 9.52 Setting Time Dial = 3.2 Istarting Iset 0,8 x Iscmin - 30cycle 43.4 Iset 0,8 x 7007 ; didapatkan 27,56 Iset 75/5 75/5 373,7 A Dipilih setting arus pickup definite = 30 A Setting waktu (t>>) = 0. s Relay 4-MSG-CB MSG- (CT Ratio : 2500/5),05 x FLA 0,8 x I sc min 30 cycle,05 x 487.8 A 0,8 x 7544 A 562.9 A 6035,2 A dipilih = 562.9 A 562.9 Iset = = = 7.8 A 000/ 5 Sehingga setting arus pickup inverse = 7.8 A Waktu operasi yang diinginkan = t = 20 s = Time Dial I Iscmin busmsg 7544 x20 562.9 5.67 Setting Time Dial = 3.2 Iset 0.8 x Iscmin - 30cycle 562.9 Iset 0.8 x 7544 ;didapatkan 7.8 Iset 000/5 000/5 30.8 Sehingga setting arus pickup definite = 5 A Setting waktu (t>>) = 0.3 s Relay 29-Bus 4-CB 52F (CT Ratio : 500/5),05 x FLA 0,8 x I sc min 30 cycle,05 x 629,8 A 0,8 x 4334 A 66,29 A 467,2 A dipilih = 66,29 A 66,29 Iset = = = 6.6 A 500 / 5 Sehingga setting arus pickup inverse =6.6 A Waktu operasi yang diinginkan = t = 2 = Time Dial I 4
Iscmin bus4 4334 x2 66,29 3.06 Setting Time Dial = 3.06. x I definite rele4 Iset 0.8 x Iscmin - 30cycle 3300 Iset 0.8 x 4334 ; didapatkan 33 Iset 500/5 500/5 38,224 Sehingga setting arus pickup definite = 35 Setting waktu (t>>) = 0. s Relay 30-HSG-KPI-CB GEN KPI (CT Ratio : 600/5),05 x FLA 0,8 x I sc min 30 cycle,05 x 393.6 A 0,8 x 4984 A 43.28 A 987,2 A dipilih = 43,28 A 43,28 Iset = = = 3,44 A 600 / 5 Sehingga setting arus pickup inverse = 3,44 A Waktu operasi yang diinginkan = t = 4 = Time Dial I definiter.29 3500 x4 43.28 2.2 Setting Time Dial = 2.2. x Definite Relay 29 Iset 0.8 x x 35 00 600/5 Iscmin -30cycle, Iset 0.8 x 4984 ; didapatkan 32.08 Iset 600/5 99,89 A Sehingga setting arus pickup definite = 40 A Setting waktu (t>>) = 0.3 s Gambar 9. Hasil plot setelan konvensional rele OCR 4.4 Penentuan karakteristik input fuzzy logic FIS Pada penentuan karakteristik input ini data yang digunakan adalah variabel Ip dan dari perhitungan konvesional kemudian membuat semesta pembicaraan untuk membatasi nilai dari setiap variabel. Tabel 3. Nilai Ip dari perhitungan konvensional Relay Ip (ampere) 5-MSG-CB MSG A 55.65 4-MSG-CB MSG- 562.9 29-HSG-KPI-CB 52F 66.29 30-HSG-KPI-CB GEN KPI 43.28 Setelah didapatkan nilai Ip-nya kemudian membuat semesta pembicaraan dari variabel Ip. Dari tabel 3 nilai minimum Ip = 55.65 ampere dan maksimum Ip = 562.9 ampere, maka batasan bawah untuk Ip dibuat bernilai 50 dan batasan atas bernilai 565, sesuai dengan Tabel 4. Tabel 4. Nilai domain Ip Tabel 5. Nilai dari manual rele Nilai 0. 2 0.2 3 0.4 4 0.8 5.6 6 3.2 5
Setelah didapatkan nilai nya kemudian membuat semesta pembicaraan untuk membatasi fungsi keanggotaan variabel. Dari Tabel 5 nilai minimum = 0. dan maksimum = 3.2, maka batasan bawah untuk dibuat bernilai 0 dan batasan atas dibuat bernilai 3.3, sesuai dengan Tabel 6. Tabel 6. Nilai domain Interval 0 0. 0.2 2 0. 0.2 0.4 3 0.2 0.4 0.8 4 0.4 0.8.6 5 0.8.6 3.2 6.6 3.2 3.3 Setelah didapatkan nilai t fuzzy(s) kemudian nilai ini digunakan untuk mencari nilai -nya menggunakan persamaan 6 dan hasilnya dapat dilihat pada Tabel 0. Agar hasil dari -nya dapat diplot dan bisa dibandingkan Tabel 0. Nilai menggunakan t fuzzy(s) atau CB t fuzzy(s) (A) MSG A 0.3 55.65 3.2 MSG- 0.3 562.9 2.92 52F 7.89 66.29 3.2 GEN KPI 9.07 43.28 3.2 Hasil plotting kurva sistem proteksi dengan fuzzy logic dapat dilihat pada Gambar 0. 4.5 Penentuan karakteristik output fuzzy logic FIS Pada penentuan karakteristik output ini data yang digunakan adalah nilai t(sekon) waktu operasi yang diperoleh dari perhitungan menggunakan rumus IEC dengan standart IEC 60255-3 or BS 42, untuk penentuan nilai t(sekon) kemudian membuat semesta pembicaraan untuk membatasi nilai dari membership function variabel t(sekon). Adapun fungsi keanggotaan output t(sekon) dan rumus perhitungan penentuan nilai dapat dilihat dibawah ini (6) t I Tabel 7. Hasil nilai t(sekon) 0, 0,2 0,4 0,8,6 3,2 Ip 55.65 0.200 0.4200 0.8400.6800 3.3600 6.7200 43.28 0.808 0.365 0.7230.4460 2.8920 5.7840 66.29 0.0653 0.306 0.262 0.5223.0447 2.0894 562.9 0.3526 0.705.402 2.8205 5.640.2820 Pada rumus diatas = dan Ip = Setelah didapatkan nilai t(sekon) kemudian menentukan semesta pembicaraannya. Dari Tabel 7 nilai minimum t(sekon) = 0.0653 dan maksimum t(sekon) =.2820, maka batasan bawah t(sekon) dibuat bernilai = 0 dan batasan atas t(sekon) dibuat bernilai =.3 sesuai dengan Tabel 8. Tabel 8. Nilai domain t(sekon) t(sekon) Interval Sangat_cepat 0 0.97.9 Cepat.9 2.9 4.3 Sedang 4.3 5.7 7. Lambat 7. 8.5 9.4 Sangat_lambat 9.4 0.3.3 4.6 Hasil fuzzy logic FIS Hasil dari Fuzzy Logic ini, yakni t(sekon) didapatkan dari rule viewer yang ada pada matlab R200a Tabel 9. Hasil t(sekon) dengan fuzzy logic CB (A) t(sekon) MSG A 3.2 55.65 0.3 MSG- 3.2 562.9 0.3 52F 3.06 66.29 7.89 GEN KPI 2.2 43.28 9.07 Gambar 0. Hasil plot dengan fuzzy logic 4.7 Analisa Konvensional dan Fuzzy Logic Hasil dari perhitungan konvensional maupun dengan Fuzzy Logic FIS dapat dilihat pada Tabel. Tabel. Perbandingan Konvensional dengan Fuzzy Logic CB t(s) t(s) konvesional konvensional Fuzzy Fuzzy MSGA 55.65 3.2 20 3.2 0.3 MSG- 562.9 3.2 20 2.92 0.3 52F 66.29 3.06 2 3.2 7.89 GEN KPI 43.28 2.2 4 3.2 9.07 Apabila setting pada Tabel yang menggunakan fuzzy dimasukkan dalam setting rele yang ada pada ETAP dengan plant yang sama dan dicoba duji koordinasi proteksinya, maka koordinasi relenya bisa dikatakan baik dengan melihat sequence viewer pada ETAP STAR Protection pada saat terjadi hubung singkat, dibuktikan dengan melihat Gambar 6
, 2, 3, 4 yang menggambarkan koordinasi rele pada saat hubung singkat minimum pada bus-busnya. Sehingga untuk setting menggunakan fuzzy bisa mewakili setting konvensional dan dapat mempermudah pengguna awam untuk melakukan setting rele dalam plant PT. KPI. Gambar. Koordinasi rele pada saat Hubung Singkat minimumn pada Bus 9 Gambar 2. Koordinasi rele pada saat Hubung Singkat minimum pada Bus MSG 5. PENUTUP 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil analisis koordinasi rele pengaman menggunakan Single Line Diagram PT. Kaltim Parna Industri (KPI) menggunakan fuzzy logic, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:. Seting menggunakan Fuzzy Logic FIS dapat mewakili perhitungan konvensional yang dibuktikan dengan pengujian setting fuuzy pada plant PT. KPI menggunakan tool STAR Protection pada ETAP untuk koordinasi proteksinya. 2. Dapat mempermudah dan membantu pengguna awam untuk menyetting TDS(Time Dial Setting) dalam plant PT. KPI 5.2 Saran Sebagai penutup dari buku proyek akhir ini penulis memberikan saran-saran kepada pembaca dengan tujuan segala kekurangan yang ada pada buku ini agar lebih diperbaiki dalam mendapatkan hasil yang sesuai mendekati sebenarnya atau yang diinginkan. Terutama pada pengaturan rule base pada fuzzy logic dan pemilihan metode fuzzy logic yang lain agar penggunaan software fuzzy logic ini lebih fleksibel bisa digunakan dibanyak plant industri selain PT. KPI. REFERENSI [] Wahyudi, Diktat Kuliah Pengaman Sistem Tenaga Listrik, Teknik Elektro ITS, Surabaya, 2004. [2] Hewitson, L.G., Brown, Mark, Balakrishnan, Ramesh, Practical Power System Protection, IDC Technologies,Netherland, 2004. [3] Cristophe Preve, Protecton of Electrical Network, ISTE Ltd, Great Britain and the United States, 2006. [4] Manual Book, 7SJ62/64 use commissioning, Siemens 2009. [5] Kusumadewi Sri, Purnomo Hari, Aplikasi Logika Fuzzy, Graha Ilmu, Yogyakarta, Bab, 200. [6] Naba, Eng.Agus, Belajar Cepat Fuzzy Logic Menggunakan MATLAB, ANDI, Yogyakarta, Bab 3, 2009. BIOGRAFI PENULIS Gambar 3. Koordinasi rele pada saat Hubung Singkat minimum pada Bus 4 Gambar 4. Koordinasi rele pada saat Hubung Singkat minimum pada Bus HSG-KPI Dani Brami Purwosetyo, lahir di Blitar pada tanggal Juni 987. Lahir dengan jenis kelamim laki-laki dan sehat. Menempuh pendidikan pertama di Sekolah Dasar Negeri Purwosari Pasuruan di tahun 994. Kemudian melanjutkan ke Sekolah Menengah Pertama Negeri Lawang Malang. Setelah menempuh pendidikan selama 3 tahun, lulus dan langsung melanjutkan ke Sekolah Menengah Umum Negeri Lawang Malang. Setelah lulus memuaskan dengan waktu 3 tahun kemudian penulis melanjutkan jenjang pendidikan ke tingkat Perguruan Tinggi di Politeknik Negeri Malang pada Jurusan Elektro program Studi Telekomunikasi. Penulis menempuh pendidikan ini selama 3 tahun. Pada tahun 2009 penulis melanjutkan pendidikannya di Teknik Elektro ITS dengan program Studi Sistem Tenaga Listrik hingga sekarang. Penulis dapat dihubungi di email address: daniepol.nig@gmail.com 7