Sistem Deteksi Informasi Kegagalan Perlindungan Rel Penyulang

I. Pendahuluan

Dalam beberapa tahun terakhir, dengan terus-menerusnya perluasan skala jaringan listrik, substation sebagai node penting dalam sistem listrik, memainkan peran vital dalam memastikan keandalan seluruh jaringan listrik melalui operasi yang aman dan stabil. Perlindungan relai berfungsi sebagai garis pertahanan pertama untuk operasi aman substation. Akurasi dan kecepatan perlindungan relai secara langsung berkaitan dengan stabilitas sistem listrik. Oleh karena itu, mendeteksi informasi kerusakan sistem perlindungan relai substation secara efektif, mengidentifikasi dan menangani potensi kerusakan dengan cepat, sangat penting untuk menjaga operasi aman sistem listrik.

Metode tradisional untuk mendeteksi kerusakan perlindungan relai sebagian besar bergantung pada inspeksi manual dan pemeliharaan rutin. Metode-metode ini tidak hanya memakan waktu dan tenaga, tetapi juga tidak dapat mencapai pemantauan real-time. Sebagai hasilnya, metode ini cenderung melewatkan sinyal awal kerusakan. Dengan perkembangan terus-menerus teknologi informasi, khususnya kemajuan dalam teknologi komputer dan komunikasi, sistem deteksi informasi kerusakan perlindungan relai substation modern mulai menerapkan metode otomatis. Melalui pengumpulan data real-time, sistem-sistem ini dapat mencapai pemantauan real-time status perlindungan relai dan dengan cepat menemukan kerusakan.

Oleh karena itu, makalah ini mengusulkan sistem deteksi informasi kerusakan perlindungan relai substation berbasis teknologi informasi modern dan menjelaskan secara rinci struktur keras, desain perangkat lunak, dan hasil eksperimennya.

II. Desain Struktur Keras Sistem
(1) Komputer Utama

Desain komputer utama secara langsung mempengaruhi kinerja seluruh sistem. Struktur kerasnya menggunakan mikrokontroler C8051F040 sebagai prosesor inti. Mikrokontroler C8051F040 adalah mikrokontroler campuran sinyal tinggi performa dan rendah daya yang mengintegrasikan banyak sumber daya perifer, termasuk port I/O analog dan digital, timer/penghitung, UART, SPI, dan antarmuka komunikasi I2C, di antaranya. Karakteristik-karakteristik ini membuat C8051F040 sangat cocok sebagai prosesor inti komputer utama, mampu memenuhi persyaratan pemrosesan data berkecepatan tinggi dan logika kontrol yang kompleks.

Untuk memastikan kemampuan pemantauan real-time sistem, unit pemantauan berkinerja tinggi digunakan dalam desain komputer utama. Unit ini biasanya mencakup ADC (Analog-to-Digital Converter) berkecepatan tinggi, DAC (Digital-to-Analog Converter), serta rangkaian pemantauan tegangan/arus. Ini dapat mengumpulkan dan mengonversi parameter listrik secara real-time, memberikan dukungan data akurat untuk diagnosis kerusakan.

Sementara itu, komputer utama perlu berkomunikasi dengan komputer bawah dan pusat pemantauan jarak jauh. Desain mengintegrasikan berbagai antarmuka komunikasi, seperti RS-232, RS-485, dan Ethernet. Antarmuka-antarmuka ini memastikan transmisi data yang cepat dan kemampuan kontrol jarak jauh.

Untuk memudahkan operator dalam memantau dan mengontrol sistem, komputer utama juga dilengkapi dengan antarmuka interaksi manusia-komputer, biasanya terdiri dari layar LCD dan keyboard. Operator dapat menggunakan antarmuka-antarmuka ini untuk melihat status sistem secara real-time.

(2) Sensor Deteksi Isolasi

Untuk memenuhi persyaratan renovasi sistem DC di pembangkit listrik lama dan substation, staf telah merancang sensor deteksi isolasi presisi tinggi yang dapat dilepas. Menggunakan teknologi elektronik dan material canggih, sensor ini memiliki sensitivitas tinggi, stabilitas tinggi, dan umur layanan yang panjang, dan dapat beroperasi stabil bahkan dalam lingkungan yang keras.

Presisi tinggi adalah indikator kinerja kunci sensor deteksi isolasi. Dengan menggunakan algoritma deteksi canggih dan komponen elektronik, ia dapat mendeteksi perubahan isolasi kecil dengan akurat, memastikan keakuratan dan ketepatan waktu informasi kerusakan.

Dengan melakukan peningkatan dan renovasi perangkat isolasi sistem DC di pembangkit listrik lama dan substation, serta menggunakan sensor deteksi isolasi presisi tinggi yang dapat dilepas, keamanan sistem dapat ditingkatkan secara signifikan. Sensor-sensor ini memiliki kemampuan deteksi presisi tinggi dan dapat mendeteksi kerusakan isolasi dengan cepat, sehingga secara efektif mencegah terjadinya kecelakaan.

(3) Modul Deteksi Peringatan Dini

Untuk meningkatkan akurasi dan kecepatan respons peringatan dini, modul ini umumnya mengintegrasikan mekanisme ganda peringatan dini aktif dan pasif.

Peringatan dini aktif merujuk pada deteksi proaktif sistem terhadap parameter listrik. Begitu parameter-parameter tersebut menyimpang dari rentang normal, sinyal peringatan dini akan segera dipicu. Peringatan dini aktif biasanya bergantung pada sensor dan perangkat pengumpulan data berkinerja tinggi. Perangkat-perangkat ini dapat memantau parameter-parameter kunci seperti arus, tegangan, dan frekuensi secara real-time dan menganalisis data terkait melalui algoritma bawaan untuk menentukan apakah ada risiko kerusakan potensial. Peringatan dini pasif, di sisi lain, melibatkan analisis parameter listrik relevan dan mengeluarkan sinyal peringatan dini setelah sistem menerima sinyal eksternal. Misalnya, ketika perangkat perlindungan relai di substation beroperasi, modul peringatan dini pasif akan segera diaktifkan untuk menganalisis penyebab operasi tersebut dan menentukan apakah tindakan pengolahan lebih lanjut diperlukan, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Desain Struktur Keras

Dalam desain struktur keras modul deteksi peringatan dini, menggabungkan peringatan dini aktif dan pasif dapat secara signifikan meningkatkan kemampuan peringatan dini dan kecepatan respons sistem. Peringatan dini aktif dapat memantau parameter listrik secara real-time dan dengan cepat mengidentifikasi risiko kerusakan potensial; sementara peringatan dini pasif dapat bereaksi dengan cepat ketika peristiwa tertentu terjadi dan melakukan analisis mendalam terhadap penyebab kerusakan.

Untuk menggabungkan kedua metode peringatan dini ini secara efektif, elemen-elemen kunci berikut perlu dipertimbangkan dalam desain keras:

• Pemilihan sensor dan perangkat pengumpulan data: Sensor dan perangkat pengumpulan data presisi tinggi harus dipilih untuk memastikan keakuratan data.

• Kemampuan pemrosesan dan analisis data: Modul pemantauan peringatan dini harus memiliki kemampuan pemrosesan dan analisis data yang kuat untuk dengan cepat mengidentifikasi data abnormal dan membuat penilaian peringatan dini.

• Antarmuka komunikasi dan protokol: Modul harus mendukung berbagai antarmuka komunikasi dan protokol untuk memfasilitasi pertukaran data dengan sistem atau perangkat lain.

• Keandalan: Desain keras harus memastikan bahwa modul dapat beroperasi stabil dalam lingkungan ekstrem dan menerapkan langkah-langkah keamanan yang diperlukan untuk mencegah kesalahan operasi dan akses tidak sah.

III. Desain Perangkat Lunak Sistem
(1) Pemodelan Simulasi Karakteristik Beban Kerusakan

Inti dari sistem deteksi informasi kerusakan perlindungan relai substation terletak pada desain struktur perangkat lunak, khususnya pembangunan model beban statis dan dinamis. Model-model ini bertujuan untuk mendeskripsikan daya aktif dan reaktif beban selama operasi sistem, serta perubahan lambat pada tegangan dan frekuensi, dan biasanya dinyatakan menggunakan model polinomial. Model beban statis biasanya dinyatakan sebagai:

di mana P dan Q masing-masing mewakili daya aktif dan reaktif, V adalah tegangan, P0, Q0, V0adalah nilai-nilai dalam keadaan referensi, dan n dan m adalah koefisien karakteristik beban.

Model beban dinamis relatif lebih kompleks. Ini mempertimbangkan respons dinamis beban terhadap perubahan tegangan dan frekuensi, termasuk beberapa konstanta waktu untuk mensimulasikan kecepatan respons beban terhadap perubahan tegangan dan frekuensi. Model beban dinamis dapat dinyatakan sebagai serangkaian persamaan diferensial yang mendeskripsikan laju perubahan daya beban seiring waktu.

Dalam desain struktur perangkat lunak, model-model ini diintegrasikan ke dalam sistem deteksi informasi kerusakan perlindungan relai untuk memantau dan menganalisis status operasi substation secara real-time. Sistem mengumpulkan data real-time, termasuk arus, tegangan, daya, dll., dan menggunakan model-model ini untuk perhitungan guna mengidentifikasi kondisi kerusakan potensial secara ilmiah.

(2) Pengumpulan Informasi Kerusakan

Untuk memastikan keandalan peralatan perlindungan relai, desain sistem deteksi informasi kerusakan sangat penting, terutama bagian pengumpulan informasi kerusakan. Bagian ini biasanya dibagi menjadi tiga modul: pengumpulan informasi steady-state, pengumpulan informasi transient, dan manajemen file status.

Modul pengumpulan informasi steady-state bertanggung jawab untuk mengumpulkan parameter listrik substation selama operasi normal, seperti tegangan, arus, daya, dll. Data-data ini merupakan dasar untuk mengevaluasi status operasi jaringan listrik dan juga penting untuk analisis dan prediksi kerusakan. Modul ini biasanya mencakup tiga sub-modul: pengumpulan data, pemrosesan data, dan penyimpanan data. Sub-modul pengumpulan data memperoleh parameter listrik secara real-time melalui antarmuka dengan sistem pemantauan substation; sub-modul pemrosesan data melakukan analisis awal pada data yang dikumpulkan, menghapus nilai-nilai abnormal, dan memformat data; sub-modul penyimpanan data menyimpan data yang telah diproses dalam database untuk analisis selanjutnya.

Modul pengumpulan informasi transient fokus pada penangkapan peristiwa transient dalam jaringan listrik, seperti hubungan pendek, putus-putus, dan kerusakan lainnya. Peristiwa-peristiwa transient ini sering disertai dengan perubahan tajam parameter listrik, sehingga diperlukan perangkat pengumpulan data berkecepatan tinggi dan presisi tinggi. Modul ini biasanya mencakup tiga sub-modul: pengumpulan data berkecepatan tinggi, identifikasi peristiwa transient, dan penyimpanan data peristiwa. Sub-modul pengumpulan data berkecepatan tinggi dapat merekam perubahan parameter listrik dengan resolusi mikrodetik; sub-modul identifikasi peristiwa transient menilai apakah terjadi kerusakan dan mengidentifikasi jenis kerusakan dengan tepat sesuai algoritma yang ditetapkan; sub-modul penyimpanan data peristiwa menyimpan informasi kerusakan yang diidentifikasi dalam basis data khusus, yang memudahkan analisis mendalam oleh staf.

Modul manajemen file status bertanggung jawab atas manajemen dan pemeliharaan file status peralatan perlindungan relai substation, dan mencatat informasi kunci seperti detail konfigurasi, status operasi, dan catatan kerusakan historis peralatan perlindungan secara rinci. Modul ini terutama mencakup empat sub-modul: pembuatan file status, pembaruan, pencarian, dan cadangan. Sub-modul pembuatan file status menghasilkan file status awal berdasarkan konfigurasi aktual peralatan perlindungan; sub-modul pembaruan memperbarui file status saat parameter atau konfigurasi peralatan berubah; sub-modul pencarian memungkinkan pengguna untuk mencari informasi dalam file status; sub-modul cadangan secara berkala membuat cadangan file status untuk menghindari hilangnya data secara efektif.

(3) Deteksi Informasi Kerusakan

Ketika lapisan kontrol stasiun menerima informasi peringatan "A - line merged network connection error" dari perlindungan relai, sistem harus segera memulai proses deteksi informasi kerusakan untuk mengkonfirmasi apakah peringatan ini adalah sumber tunggal, yaitu, apakah perangkat lain juga mengeluarkan peringatan serupa. Dalam contoh ini, jika perangkat lain tidak mengeluarkan peringatan, sistem akan fokus pada informasi "A - line merged network connection error".

Untuk memproses dan menganalisis informasi kerusakan dengan lebih efektif, sistem merancang lima kombinasi terminal virtual dan node kerusakan, seperti ditunjukkan pada Tabel 1.

Setiap terminal virtual bertanggung jawab atas tugas yang berbeda, dari memantau status koneksi jaringan hingga memberikan solusi, membentuk proses penanganan kerusakan yang lengkap. Melalui desain struktur perangkat lunak di atas, sistem deteksi informasi kerusakan perlindungan relai substation dapat secara efektif mendeteksi informasi kerusakan dan memastikan operasi aman substation. Terutama ketika menerima peringatan "A - line merged network connection error", sistem dapat merespons dengan cepat dan mengambil tindakan yang sesuai untuk meminimalkan dampak kerusakan pada sistem listrik.

IV. Verifikasi Eksperimental
(1) Struktur Topologi Jaringan

Desain struktur topologi jaringan sistem deteksi informasi kerusakan perlindungan relai untuk substation 500 kV yang dioperasikan pada tahun 2023 secara ketat mematuhi prinsip-prinsip inti keandalan tinggi, ketersediaan tinggi, dan mudah dipelihara. Sistem ini mengadopsi arsitektur jaringan berjenjang dan terdistribusi, dan langkah-langkah implementasinya terorganisir dengan baik, terutama mencakup tautan-berikut ini.

• Pengumpulan data: Melalui sensor dan perangkat pengumpulan data yang dipasang di berbagai simpul kunci substation, data operasi perangkat perlindungan relai dikumpulkan secara real-time.

• Transmisi data: Menggunakan teknologi komunikasi jaringan, data yang dikumpulkan ditransmisikan ke pusat pemrosesan data dengan tepat waktu dan akurat.

• Analisis data: Di pusat pemrosesan data, komputer berkinerja tinggi dan perangkat lunak analisis profesional digunakan untuk menganalisis data, mengidentifikasi pola abnormal dan potensi kerusakan.

• Diagnosis kerusakan: Setelah anomali terdeteksi, sistem secara otomatis melakukan diagnosis kerusakan untuk menentukan jenis dan lokasi kerusakan.

• Peringatan dan respons: Sistem memberitahu personel operasi dan pemeliharaan tentang informasi kerusakan melalui sistem peringatan dan memberikan saran penanganan kerusakan awal.

• Penanganan kerusakan: Personel operasi dan pemeliharaan dapat dengan cepat mengambil tindakan untuk menangani kerusakan berdasarkan informasi dan saran yang diberikan oleh sistem, sehingga memastikan operasi stabil jaringan listrik.

(2) Hasil Eksperimen dan Analisis

Dua sistem deteksi digunakan dalam eksperimen: satu adalah sistem deteksi online sekunder perlindungan relai substation konvensional berbasis file SCD, dan yang lainnya adalah sistem deteksi informasi kerusakan perlindungan relai substation berbasis analisis spatio-temporal. Kedua sistem diuji dalam lingkungan substation yang sama untuk memastikan perbandingan hasil [8].

Data eksperimen menunjukkan bahwa tegangan isolasi maksimum bus positif dan negatif yang diukur oleh sistem deteksi berbasis file SCD masing-masing adalah 192.1 V dan 191.4 V, sementara nilai-nilai yang sesuai yang diukur oleh sistem deteksi berbasis analisis spatio-temporal adalah 190.3 V dan 210.23 V. Data spesifik ditunjukkan pada Tabel 2.

Dari hasil eksperimen, dapat dilihat bahwa sistem deteksi berbasis analisis spatio-temporal memiliki nilai tegangan isolasi maksimum bus positif yang sedikit lebih rendah dibandingkan sistem deteksi berbasis file SCD, tetapi nilai yang sedikit lebih tinggi untuk bus negatif. Ini menunjukkan bahwa sistem deteksi berbasis analisis spatio-temporal dapat memberikan hasil pengukuran yang lebih akurat dalam situasi tertentu. Namun, perbedaan ini tidak signifikan. Oleh karena itu, untuk memperoleh pemahaman yang lebih mendalam tentang perbedaan kinerja antara kedua sistem ini, mungkin diperlukan pengumpulan dan analisis data eksperimental yang lebih banyak.

V. Kesimpulan

Sistem deteksi informasi kerusakan perlindungan relai substation baru yang dirancang dan diteliti dalam makalah ini dapat memantau status kerja perangkat perlindungan relai secara real-time, menganalisis dan mendiagnosis informasi kerusakan secara otomatis, dan dengan cepat mentransmisikan informasi kerusakan tersebut ke personel operasi dan pemeliharaan melalui teknologi komunikasi jaringan. Hal ini memungkinkan mereka untuk mengambil tindakan cepat untuk mencegah penyebaran kerusakan dan memastikan operasi aman dan stabil sistem listrik.