J R V 5 No.3 Oktober 2013, Hal. 124-136 ( 5 I – 240X Nomor : 402/AU2/P2MI-LIPI/04/2012

## METODE KALIBRASI ONLINE UNTUK PEMANTAUAN KONDISI PERANGKAT INSTRUMENTASI REAKTOR NUKLIR BERBASIS ELECTRICAL SIGNATURE ANALYSIS

## Syaiful Bakhri
P ! "#$ # % & '    ! # ) * " + $ ,   " - ! $& ) (PTRKN) – BATAN Email: bakhrisy@batan.go.id
Diterima editor 5 Agustus 2013
Disetujui untuk publikasi 19 September 2013 ABSTRAK METODE KALIBRASI ONLINE UNTUK PEMANTAUAN KONDISI PERANGKAT INSTRUMENTASI  REAKTOR  NUKLIR  BERBASIS ELECTRICAL  SIGNATURE  ANALYSIS . Metode electrical  signature  analysis dewasa  ini  menjadi  alternatif  dalam  pemantauan  kondisidi pembangkit  daya  reaktor  nuklir  tidak  hanya  bagi  komponen  stationer  seperti  sensor,  untai  instrumentasi dan  komponen-komponennya,  tetapi  juga  untuk  perangkat  dinamis  seperti  motor,  pompa,  generator  dan berbagai  jenis  aktuator.  Untuk  menjamin  akurasi  hasilnya,  kalibrasi  sistim  pemantauan  adalah  sebuah keharusan yang pada prakteknya biasanya dilakukan secara offline , sangat dibatasi dengan jadwal waktu tertentu  dan  prosedur  keselamatan  tertentu.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  memperkenalkan  teknik kalibrasi  secara online pada  pemantauan  kondisi  berbasis electrical  signature  analisis agar  perangkat pengukuran  dan  instrumentasi  bisa  dijamin  akurasinya  secara  kontinu  yang  akhirnya  juga  akan berimplikasi  pada  keselamatan  reaktor  secara  keseluruhan.  Penelitian  ini  dilakukan  secara  detil  dan bertahap,  mulai  dari  menganalisis  teknik  kalibrasi  secara  konvensional,  kalibrasi online berdasarkan informasi baseline dan  teknik  kalibrasi  berdasarkan  pengaturan  perbedaan  gain.  Teknik  kalibrasi  secara online berdasarkan  pengaturan differential  gain dibanding  dengan  teknik  kalibrasi  lainnya  memberikan hasil  terbaik  meskipun  diberi  perbedaan  gain  yang  ekstrim  dan  kemungkinan  pengganggu  eksternal seperti catu daya.
Kata kunci : pemantauan kondisi, kalibrasi online , electrical signature analysis

## ABSTRACT
ONLINE CALIBRATION METHOD FOR CONDITION MONITORING OF NUCLEAR REACTOR INSTRUMENTATIONS  BASED  ON  ELECTRICAL  SIGNATURE  ANALYSIS .  Electrical  signature analysis  currently  becomes  an  alternative  in  condition  monitoring  in  nuclear  power  plants  not  only  for stationary  components  such  as  sensors,  measurement  and  instrumentation  channels,  and  other components but also for dynamic componentssuch as electric motors, pumps, generator or actuators. In order to guarantee the accuracy, the calibration of monitoring systemis anecessary which practically is performed offline, under limited schedules and certain tight procedures. This research aims to introduce online calibration technique for electrical signature condition monitoring in order that the accuracy can be  maintained  continuously  which  in  turn  increases  the  reactor  safety  as  a  whole.  The  research  was performed  step  by  stepin  detail  from  the  conventional  technique,  online  calibration  using  baseline information  and  online  calibration  using  differential  gain  adjustment.  Online  calibration  based  on differential gain adjustment provides better results than other techniques even tough under extreme gain insertion as well as external disturbances such as supply voltages.
Key words : condition monitoring, online calibration, electrical signature analysis
./ /0 2 322 46 78 N 9 : 9 ; < 67 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 => ? @ ? A B ; C ?D E F D ; B GH K ?@ H @ L G F M ; H C 47OQ S > B K9G B T ?C H A ; ?@H Online Untuk Pemantauan .........
= U W ?H XEC Y ? D Z ; H )

## PENDAHULUAN
Pemantauan  kondisi  secara online dewasa  ini  banyak  dipilih  untuk  meningkatkan keselamatan sekaligus meningkatkan unjuk kerja dan efisiensi pengoperasian reaktor nuklir.Untuk sistem  instrumentasi  dan  kedali  reaktor  nuklir,  applikasi  pemantauan  kondisi  secara online memberikan alternatif terbaik bagi operator untuk senantiasa secara proaktif mengawasi sekaligus menjaga kinerja reaktor nuklir[1].
Electrical signature analysis menjadi topik yang popular untuk aplikasi pemantauan kondisi pada  reaktor  nuklir[2]. Electrical  signature  analysis dapat  diaplikasikan  baik  untuk  analisis komponen  stasioner  (seperti  kabel,  kanal  instrumentasi  dan  sirkuit  elektrik)  maupun  untuk perangkat  dinamis  (motor,  pompa,  generator  dan  aktuator).  Teknik  ini  pada  dasarnya  adalah menentukan  degradasi  ataupun  kerusakan  komponen  tanpa  merusak  dan  tanpa  menghentikan operasional  sebuah  komponen  dengan  menganalisa  pengaruh  perubahan  karakteristik  suplai  arus elektrik  yang  ditimbulkannya.  Dengan  kata  lain,  disamping  menampilkan  informasi  karakteristik arus listrik catu  daya, informasi arus listrik  yang  diakibatkan  oleh  kerusakan  alat dan lingkungan dapat ditentukan.
Untuk  menjamin  akurasi  hasil  pemantauan  kondisi,  kalibrasi  kanal  instrumentasi  menjadi sebuah  keniscayaan. Secara  konvensional, teknik  kalibrasi  menyeluruh ( full calibration ) terhadap seluruh  perangkat  dalam  untai  pengukuran  umumnya  dilakukan  secara  periodik  saat  pengisian ulang  bahan  bakar  nuklir.  Diantara  waktu  tersebut  kalibrasi  tanpa  melibatkan  sensor,  dikenal dengan nama s urveillance tests atau dikenal juga sebagai tes trip set point d ^ _ ^ ` d a b^ c e c ^ f e f ` e c memverifikasi  kanal  instrumentasi  sekaligus  menguji set  trip  point .  Beberapa  pengalaman menunjukkan bahwa 77 % sensor, mengalami pergeseran kalibrasi seiring dengan penuaannya[3], yang  akan  akan  mungkin  sangat  terlambat  untuk  diantisipasi  jika  rekalibrasi  menyeluruh  harus menunggu  waktu  jeda  saat  pengisian  ulang  bahan  bakar.  Terlebih  lagi,  untuk  aplikasi electrical signature  analysis akurasi  sinyal  akan  sangat  dipengaruhi  oleh  ketidakidealan  catu  daya  yang mungkin  tidak  diperhitungkan  saat  kalibrasi.  Selain  itu,  walaupun  metode electrical  signature analysis telah  berkembang  pesat  namun  umumnya  kalibrasinya  dilakukan  secara offline dan tinjauan  pustaka  yang  secara  khusus  membahas  kalibrasinya  secara online s  angatlah  terbatas. Beberapa kenyataan ini menunjukkan pentingnya penelitian untuk mengelaborasi metode kalibrasi secara online untuk  meningkatkan  akurasi  pemantauan  kondisi  berbasis electrical  signature analysis .
Makalah ini bertujuan untuk mendemonstrasikan metode kalibrasi online untuk pemantauan kondisisistim  instrumentasi  dan  kendali  di  reaktor  nuklir  berbasis electrical  signature  analysis . Untuk  memberikan  pemahaman  yang  komprehensif,  pengertian  dasar  kalibrasi,untai  sistem pengukuran,  analisis  kalibrasi  konvensional  dan  dua  metode  kalibrasi online berdasarkan eksperimen  akan  didiskusikan.  Teknik  kalibrasi online juga  mempertimbangkan  bagaimana mengurangi  ketidak  idealan  dari  catu  daya  dan  karakteristik  inheren  dari  perangkat  pengukuran. Sebagai  obyek  pengukuran  dari  sistim  pemantauan,  sebuah  motor  induksi  dengan power  rating relatif  kecil  yang  mensimulasikan  motor  sistem  pendingin pada  reaktor  nuklir  digunakan. Teknik kalibrasi online ini  diharapkan akan  memberikan  peningkatan akurasi  hasil  pengukuran sekaligus menjadi  sarana  pemantauan  kondisi  kelayakan  sebuah  sistem  instrumentasi  dan  kendali  untuk diimplementasikan direaktor nuklir.
g h ij k h lj m k n o p h q r k sh to s h u v No.3 Oktober 2013, Hal. 124-136
wx m y m zj p smk r { k p j |} nm y } y~| {  p } s  u v   q u uu – 240X Nomor : 402/AU2/P2MI-LIPI/04/2012

## TEORI

## Electrical Signature Analysis
Electrical signature analysis memanfaatkan arus listrik terukur untuk mengidentifikasi sedari dini cacat atau kerusakan sebuah komponen. Gambar 1 menunjukkan salah satu aplikasi metode ini pada  motor  listrik,  dikenal  dengan  nama Motor  Current  Signature  Analysis (MCSA),  dilakukan dengan  cara  mengukur  arus  satu,  dua  atau  tiga  fase  dari  catu  daya  menggunakan  sensor Clamp Transformer (CT) atau sensor Hall Effect ,dan tegangan catu daya menggunakan sensor differential isolation voltage . Informasi sinyal arus ini selanjutnya diekstraksi menggunakan berbagai metode pemrosesan sinyal menjadi informasi yang mudah dimengerti dan dapat dikatagorikan satu dengan lainnya[4].  Teknik  ini  dapat  digunakan  untuk  mengenali  berbagai  kerusakan  di  motor  dengan relative  akurat seperti misalkan kerusakan komponen motor ( stator shorted turn , broken rotor bar , dan berbagai macam bentuk motor eccentricity ), sekaligus juga ketidak idealan catu daya ( voltage unbalance dan harmonics ).  Gambar  1  juga  memberikan  ilustrasi  beberapa  implementasi  teknik signal  processing untuk  mendiagnosis  kondisi  sebuah  komponen  seperti Fast  FourierTransform (FFT), Short Time Fourier Transform (STFT), Short Time Discrete Fourier Transform (STDFT), dan Wavelet Transform.
Gambar 1. Skema aplikasi electrical signature analysis pada motor pompa pendingin AP1000 tipe RUV

## Kalibrasi
Kalibrasi  akan  menentukan  seberapa  akurat  interpretasi  dari  arus  listrik  terukur  dibanding nilai  sebenarnya.  Sebagaimana  ditunjukkan  di  Gambar  1,  kalibrasi  sebaiknya  dilakukan  pada seluruh  kanal  secara  independen.  Walaupun  dalam  aplikasi electrical  signature  analysis hanya membutuhkan  paling  tidak  informasi  dari  satu  kanal,  tetapi  data  yang  terbebas  dari  pengaruh gangguan  tegangan  catudaya  akan  diperoleh  secara  lebih  komprehensif  dengan  analisis  simultan tiga kanal catu daya.
Dalam  kalibrasi tiga fase seperti ditunjukkan  pada  Gambar  1,  kesesuaian  antar fase sangat penting  untuk  menghindari  kesalahan  interpretasi  yang  boleh  jadi  akan  memberikan  sinyal  yang mirip seperti cacat pada komponen terukur. Deviasi ini bisa diakibatkan oleh faktor diluar sistem
 b  a  c  b  a V c V bs V as V cs  ab  bc  ac  ark’s Vector  avelet Transform  TDFT  FT  istem Data Akuisisi  rekuensi (Hz)  mplitu do (db)  rek ue ns i (Hz )  aktu (s)  aktu (s)  k a la (a )
      ¡ ¢ ¡ £ ¤  2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 ¥¦ § ¨ § © ª £ « §¬ ­ ® ¬ £ ª ¯° ± §¨ ° ¨ ² ¯ ® ³ £ ° « ´µ ¶ ¦ ª ±¡¯ ª · §« ° © £ §¨° Online Untuk Pemantauan .........
¥ ¸ ¹ §° º­« » § ¬ ¼ £ ° )
pengukuran  ( voltage  unbalance,  noise )  atau  faktor  internal  dari  sistem  pengukuran  (penuaan, toleransi  perangkat,  dan  pergeseran  pengukuran  akibat  temperatur).    Deviasi  kalibrasi  dapat berbentuk differentialgain  error antar  masing-masing  fase, mean  gain  error antara  satu  fase dibanding  reratanya,  dan offset  error .  Deviasi  dan offset ini  dapat  diatasi  dengan  kalibrasi konvesional secara offline . Namun hal ini berarti kalibrasi tersebut berlaku  hanya untuk satu titik waktu  dan  tidak  akan  sensitif  terhadap  pergeseran  kalibrasi  kerena  berbagai  sebab.  Keterbatasan kalibrasi konvensional ini pula yang memberikan keunggulan implementasi kalibrasi secara online .
Gambar 2. Sistim kalibrasi online dengan baseline database pada kanal arus listrik
Pada  dasarnya  kalibrasi online pada electrical  signature  analysis dapat  dilakukan  dengan mengeliminasi  deviasi  berbagai error  gain dan offset. Teknik  ini  secara  praktis  ditunjukkan  di Gambar 2. Pertama, tiga fase arus terukur( i a , i b dan i c ) dalam koordinat abc-frame dikonversi agar lebih sederhana dan lebih mudah dipahami ke dalam bentuk koordinat qd 0 -frame . Sebagai catatan arus  terukur  ini  ( i a , i b dan i c )  sudah  dikonversi  menjadi  komponen  fasor  ( I a , I b , I c )  seperti ditunjukkan  pada  Gambar  2.  Perlu  dicatat  juga i 0 dieliminasi  mengingat  konfigurasi three wiresytem .  Selanjutnya, i q dan i d terukur  diatur  berdasarkan  informasi baseline  database dengan look  up  table agar  bersesuaian  dengan  target gain kalibrasi  yang  dikehendaki.  Teknik baseline calibration ini  walaupun  sangat  praktis  masih  sangat  mungkin  mengandung  ketidaksesuaian mengingat ketergantungannya dengan keakuratan informasi basis data.
Metode lebih lanjut untuk mengeliminasi deviasi dengan cara kompensasi differential  gain secara berkesinambungan seperti ditunjukkan di Gambar 3. Beberapa beberapa teknik koreksi gain dan offset terhadap  tegangan  sudah  dilakukan  untuk  berbagai  tujuan  [5-8],  namun  ternyata pengembangan  untuk electrical  signature  analysis untuk  aplikasi  pemantauan  kondisi  di  reaktor nuklir  tidak  ditemukan.  Metode  ini  ide  dasarnya  adalah,  pertama,  bagaimana  mengisolasi differential  gain dari  ketidaksesuain  yang  tidak  diharapkan  (misalkan  dari  faktor  eksternal noise catu  daya).  Selanjutnya differential  gain dihitung  dengan  matriks decoupling yang  dilanjutkan dengan estimasi gain setelah regulator (PI) memperkecil differential gain hasil perhitungan.
À Á ÂÃ Ä Á ÅÃ Æ Ä Ç È É Á Ê Ë Ä ÌÁ ÍÈ Ì Á Î Ï No.3 Oktober 2013, Hal. 124-136 ÐÑ Æ Ò Æ ÓÃ É ÌÆÄ Ë Ô Ä É Ã ÕÖ ÇÆ Ò Ö Ò×Õ Ô Ø É Ö Ì ÙÚ Î Ï Û ÜÝÝ Ê Î Þ ÎÎ – 240X Nomor : 402/AU2/P2MI-LIPI/04/2012
Gambar 3. Sistim estimasi differential gain untuk kalibrasi online
(a) âãä â å ä æç è ãç é êë ìí ç î ïð ïð ñòç ð ó é è ô õ óöô ÷ óè ñô íð ç ð ï ö ï ø ø ô éô í õ ï ç î ù ç ï í è ô í ú í û ú ÷ ÷ ç í â ç ä ÷ ó è ñó í ô í arus listrik terdiri dari positif sequence (ip) dan negative sequence (in) (b) differential gain hasil akumulasi dari tiga sensor (c ) differential gain hasil akumulasi dari dua sensor
Metode  kedua  ini  tetap  menggunakan  model  kalibrasi  persamaan  konvensional  seperti ditunjukkan di persamaan (1) (untuk satu kanal pengukuran) dan persamaan (2) (untuk tiga kanal pengukuran). Sedikit berbeda dengan teknik sebelumnya, sistem estimasi differential gain ini juga menggunakan prinsip konversi tiga fase arus dari abc-frame menjadi dq-frame dalam format fasor positive  sequence- nya  ( I p )  dan  fasor negative  sequence- nya  ( I n )  seperti  ditunjukkan  lebih  di persamaan (3)[9] dan Gambar 4 (a).
ü ( ) a m a m a i k i i - - = + â ý ä þ þ 0 0 0 0 a m a m a b m b m b c m c m c i k i i k i i k i - - - - - - æ ö æ öæ ö ç ÷ ç
÷ç ÷ = ç ÷ ç ÷ç ÷
ç ÷ ç ÷ç ÷ è ø è øè ø (2) ÿ ÿ ÿ dq p n = + â ( ä
dengan,
i a-m , i b-m , i c-m
= arus keluaran hasil pengukuran fase a, b atau c; i a,b,c = arus masukan hasil pengukuran fase a, b atau c; k a , k b ,k c = gain hasil pengukuran fase a, b atau c; i 0 = offset hasil pengukuran;
I p = arus listrik positive sequence ; I n = arus listrik negative sequence ;
I 2 N N 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 2
N M Online Untuk Pemantauan .........
S )
) j( ωt- I p p i e j = dan j(- ωt+ I n n i e g = .
Gambar 3 juga menunjukkan, tiga sensor arus listrik dari koordinat abc ditransformasikan ke dalam  koordinat dq0, diikuti  dengan implementasi first  order low-pass (LF) dan high-pass (HP). Butter worth filter untuk mengisolasi/mengekstraksi  komponen positive sequence dari komponen negative  sequence .  Selanjutnya, complex  conjugate  positive  sequence dalam  koordinat dq 0 digunakan untuk menentukan sudut komponen positive sequence yang detil phasornya ditunjukkan dalam Gambar 4 (b). Gambar ini mengilustrasikan resultan arus di sumbu dq terdiri dari rerata gain dari tiga kanal sensor ( S k abc ), deviasi vektor gain ( D k ), sudut positive sequence ( j ) , sudut negative sequence ( g ) dan complex conjugate dari positive sequence ( I * p ) seperti ditunjukkan di persamaan (4)[9].
*
I I I I dq abc abc p abc n p
k k k - = + + D å å ! " # 3 2 3 3
3 j ζ j I I I I I dq ab ab p ab p
ab n ab p k k e k k e f - = + D + + D å å $ "
dengan,
% ) 1 3 2 3 u u w
k k j k k é ù
D = - D +
D - D ê ú ë û (6)
3 a b c abc k k k k + + = å , & a b ab k k k + = å , ' b c bc k k k + = å + - a b ab k k k - D = + / b c bc k k k - D = (7)
Untuk  menghasilkan differential  error dari  komponen  arus positive  sequence yang  sudah berhasil  diisolasi,  kombinasi  dua  kanal  pengukuran, ab and bc dalam  koordinat- dq digunakan. Gambar 4 (c) menunjukkan tambahan fasor yang berasal dari differential gain pada fase ab untuk arus positive  sequence dan  komponen negative  sequence seperi  persamaan  (5) . Pada positive sequence , differential  gain berupa  phasor  hijau  dengan  arah  tegak  lurus  terhadap  arus  hasil pengukuran (sebagai contoh pada x = p /2) dan pada negative sequence diperoleh dengan memutar complex  conjugate dari positive  sequence tergantung  nilai  pengukuran  (sebagai  contoh f= p /6). Selanjutnya  ralat  distorsi  dari  dua  buah positive  sequence  gainab dan bc, yang  dilambangkan dengan parameter vektor e dan h , dilakukan perhitungan. Gambar 3 menunjukkan teknik isolasi dari kanal a dan b ( D k ab ) dan antara kanal b dan c ( D k bc ) dengan mengalikan 0 dengan rasio komponen imaginer dan komponen real dari persamaan (6) dan (7).
Selanjutnya  matrik decoupling melakukan  konversi  dua  matrik  diferensial  berbasis  dua sensor  menjadi  deviasi  berbasis  matrik  berbasis  tiga  sensor.  Selanjutnya differential  error  gain ( D k a , D k b and D k c ) dikompensasi untuk mengarahkan estimasi differential gain dari tiga sensor ini semakin mendekati nol menggunkan regulator Integral (I) atau Proportional-Integral (PI). Pilihan regulator  PI  akanmemberikan error pada  kondisi steady  state yang  stabil  sedangkan  regulator Integral (I) lebih sederhana dalam  pengaturannya  [6].  Berdasarkan informasi ( k a-(referensi) , k b-(referensi) , k c-(referensi) )  dari  parameter  desain,  estimasi  terakhir  ( k a-(est) , k b-(est) , k c-(est) )  dapat  ditentukan  dengan persamaan,
4 5 4 5 4 5
a estimasi a referensi a estimasi k k k - - - = + D 67 8
J 9 :; < 9 R; = < > ? @ 9 A B < C9 V? C 9 D E No.3 Oktober 2013, Hal. 124-136 FG = H = K; @ C=< B L < @ ; OP >= H P HQO L T @ P C UW D E X YZZ A D [ DD – 240X Nomor : 402/AU2/P2MI-LIPI/04/2012
Gain hasil estimasi inilah yang selanjutnya digunakan untuk menentukan nilai sebenarnya dari arus listrik terukur ditunjukkan dengan persamaan (9)
_ ` ( ) a sebenarnya a terukur a sebenarnya a estimasi k i i k - - - - = (9) a b c de c f b g b h ij dj b f ke lj f e differential gain ini akan mampu mengatasi berbagai bentuk ketidak idealan, baik itu akibat catudaya ataupun sekaligus karakteristik bawaan sensor.

## TATA KERJA
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  eksperimen  secara  detil  dengan  melewati  beberapa  tahap. Pada  eksperimen  pertama,kalibrasi  konvensional  terhadap  seluruh  sistem  dilakukan  dengan memanfaatkan komponen resistor sebagai beban (lihat Gambar 5) untuk mengetahui karakteristik ketidaksesuaian  dalam  kalibrasi.  Tiga  buah  sensor  arus  dan  tegangan  dengan  spesifikasi  seperti ditunjukkan di Tabel 1 diberi tegangan catu daya yang sama dan sebuah power analyzer digunakan sebagai kalibrator referensi arus dan tegangan.
Gambar 5. Konfigurasi perangkat untuk kalibrasi

## Tabel 1. Parameter sensor.
mno pqrqo s t r u v s v ps wx y wz v { | v ps wx } v pqo p ~ Input t v p ~ o p ~ o p Output
 x ns             y  t   ^   | \ \ \ ^^ ^ ^ q w ^ 
500mV/Amp
t v ~ o p ~ o p             voltage amplifiers |  \    isolation voltage
Amplifier
^ q w  ^ ^  10mV/V
Hasil kalibrasi konvensional ini selanjutnya dianalisis ketidaksesuaian magnitude dan sudut- sudutnya  serta  kemungkinan  mengkoreksinya.  Selanjutnya  mengingat  sebuah  motor  induksi berkapasitas 2.2 KW ( name plate lihat Tabel 2) yang sehat diberi suplai tegangan secara langsung dan digunakan sebagai obyek pengukuran untuk untuk menganalisa metode kalibrasi secara online untuk pemantauan kondisi berbasis electrical signature analysis .
Tabel 2. Data name plate dari motor uji dengan koneksi tipe Y.
k  k g aya  ¡ ¢ b £ b j k j d d¤ l e d j ¥ ¦§¦¨ h pm
© h b c b d f e ¨ ª z « ¤f f ¬­
a b ®j d ® j d saluran
§¦ ¨ ¯ ° l¥ j i pole §
± h  f d ¤ l e d j ¥ §¬ ² ± ° l¥ j i ¥e ¥ek j d³ ´j f b  ­  ¥ ilitan
µ db h f e j h otor
¬  ¨ c g m 2
¶ oltage Sensor · urrent Sensor ¸ ower Analyzer ¹ º º º » DC º ¼ ignal Conditioning Ch1 Ch2 Ch3 Ch1 Ch2 Ch3 ½ ¾ ¾ ¾ Digital Display ¿ oad
ÀÁ ÁÂ Ã ÄÃÃ ÅÆÄ ÇÈ Â É Ê É Ë Ì ÄÇ 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 ÍÎ Ï Ð Ï Ñ Ò Ë Ó ÏÔ Õ Ö Ô Ë Ò ×Ø Ù ÏÐ Ø Ð Ú × Ö Û Ë Ø Ó ÆÇÃÜ Ý Î Ò ÙÉ× Ò Þ ÏÓ Ø Ñ Ë ÏÐØ Online Untuk Pemantauan .........
ÍÁ ß ÏØ àÕÓ á Ï Ô â Ë Ø )

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Kalibrasi Konvensional
Hasil  kalibrasi  konvensional  tiga  fase  kanal  tegangan  dan  arus  untuk  seluruh  kanal ditunjukkan pada Gambar 6.  Gambar 6  menunjukkan tegangan dan arus listrik sebagai prediktor input dan tegangan terukur dari sistim pengukuran sebagai respon dari kalibrasinya.
å æ ç åèç
Gambar 6. Kalibrasi penuh (a) kanal tegangan dan (b) arus
Secara visual tiga kanal tegangan dan tiga kanal arus identik satu dengan yang lainnya. Selain itu, grafik  ini  juga  memberikan  informasi  bawa intercept kalibrasi  bisa  dianggap  nol  atau offset pengukuran bisa diabaikan. Persamaan kalibrasi dari grafik ini ditunjukkan di Tabel 3.
Tabel 3. Persamaan kalibrasi kanal tegangan dan arus
é ê ë ê ì í îí ë ïê ð ê ñ A ïê ð ê ñ B ï ê ð ê ñ C
ò í óê ð óê ð ô õ ö ÷ ø í ùú û ü÷ üø í ùý þ ô õ ã ÷ ÿ y í ùý û ü ÷ üü í ùý þ ô õ ø ÷ y í ù4 û ü ÷ + ä í ùý þ Aë ô õ - ø ÷ + ä í ùú û ÿ÷ ø ü+ þ ô õ -ü÷ ã +í ù4 û ÿ÷ ø + þ ô õ - ã ÷ ÿ 1 í ù4 û ÿ ÷ ø üü þ
Uji  validasi  terhadap  koefisien-koefisien  kalibrasi regressi  linear juga  menunjukkan kelayakan persamaan  kalibrasi  untuk  diaplikasikan  pada pengukuran.  Sebagai contoh,  pada  kanal pengukuran  A,  validasi  menggunakan  uji  hipotesis  “t”  dari  s lope (kemiringan).  Koefisien  t  dari kemiringan  (8,84e -3 ) adalah t = 1915,5 lebih besar dari nilai probabilitas t 10,0.05 = 1,812 (pada 95% confidence interval untuk observasi 12 sampel, dan 2 parameter yg diestimasi) yang sama dengan 0 (P » 0). Probabilitas ini berarti bahwa model garis lurus yang dimaksud layak dipakai dan variable x  dan  y  mempunyai  hubungan  yang sangat erat. Selain itu,  hasil uji  koefisien t  terhadap  intersep juga  menunjukkan  bahwa  hipotesis  perpotongannya  sama  dengan  nol,  sehingga  dapat  diterima. Sebagai contoh, untuk koefisien intersep  2,4e -5 , maka t = 0,0177 dan dengan hipotesis t 10,0.05 , maka probabilitas  yang  besar  (P  =  0,986)  menunjukkan  bahwa  intesep  sama  dengan  nol  tidak  bisa ditolak.Tiga  parameter  lainnya  juga  menunjukkan  diterimanya  model  regresi  secara  statistik, contohnya, residual  mean  error ( 2 s 2 s ) bisa  dianggap  nol  (6.5e -6 ),  koefesien  determinasi  (R 2 ) mendekati satu (0,99),  dan derajat kebebasan (R 2 ) juga mendekati 1. Dari beberapa parameter ini dapat disimpulkan bahwa sistim pengukuran memberikan respon linier terhadap tegangan saluran ( line voltage ) sebagaimana juga terhadap arus listrik.
Kalibrasi juga  bisa divalidasi secara  eksperimen  dengan  tes residual  atau  perbedaan  antara nilai  aktual  dan  nilai  responnya  seperti  ditunjukkan  secara  visual  di  Gambar  7.  Tes  dilakukan dengan  membandingkan  nilai  sebenarnya  dari  referensi  tiga  fase  tegangan  ( power  analyzer )  dan arus listrik terhadap hasil pengukuran dari sistim setelah terkalibrasi.
J R V 5 No.3 Oktober 2013, Hal. 124-136 ( 5 I – 240X Nomor : 402/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 ! " ! # $ % #& % # ' % # * % G, . /, 0 36 78 , 9 :; :; 0' ; <= 8 & , 0 : 8:9, : , > ? @ , 9 & , 8 ; :8B , 9 > ' 9 @ , 0 , 8 ? ' 0 > , 9 : / 0, ; : C # , % <' 8 D@ > @0, 8 tegangan, (b) pengukuran arus, (c) ralat magnitudo dalam pengukuran tegangan, (d) ralat magnitudo dalam pengukuran arus, (e) ralat relatif sudut dari pengukuran tegangan, (f) ralat relatif sudut dari pengukuran arus
Gambar  7(a)  dan  (b)  menunjukkan  komparasi  magnitude  fasor  dari  nilai  terukur  dan tegangan dan arus listrik dengan referensinya. Selanjutnya persentase ralat residual dihitung dengan menghitung  rasio  ralat  dan  skala  penuh  dari  maksimum  pembacaan  output.Gambar  7  (b)  dan  (c) menunjukkan untuk tegangan saluran ( line voltage ), persentase ralat sangat kecil (kurang dari 0,1 % atau 0,12 V dari tegangan fase nominal), dan kurang dari 0.1% atau 0.0049 A dari arus nominal. Nilai  yang sangat  kecil  ini dapat dianggap  diterima dan cukup  akurat  untuk applikasi  monitoring berbasis electrical signature analysis . Analisis ralat juga menunjukkan persentase ralat yang acak di berbagai  titik  pengukuran.  Hal  ini  semakin  menjustifikasi  persamaan  model  regresi  tidak membutuhkan  koefisien atau  variabel  tambahan  untuk  merepresentasikan sistim  pengukuran agar lebih akurat.
Gambar 7 (e) dan (f) menunjukkan analis sudut fasor dari tegangan dan arus.Analisis sudut dihitung  berdasarkan  perbedaan  dua  fase,  yaitu  antara  V a -V b dan  V a -V c .  Kanal  tegangan memberikan perbedaan yang lebih kecil dengan kondisi idealnya dibanding kanal arus listrik. Fase di  kanal  a  dan  kanal  c  mempunyai  perbedaan  perbedaan  yang  relatif  konstant,  berbeda  0,05 0 di kanal  tegangan  dan  berbeda  0,2 0 di  kanal  arus  listrik.  Meskipun  ralat  ini  sangat  kecil,  namun perbedaan yang relatif sistemik ini dapat dikompensasi dengan cara mengurangi selisih ini dengan
EF FH K LKK ML NO H P Q P S T LN 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 UW X Y X Z [ S \ X] ^ _ ] S [ `a b XY a Y c ` _ d S a \ MNKe f W [ bP` [ g X\ a Z S XYa Online Untuk Pemantauan .........
UF h Xa i^\ j X ] k S a )
perbedaan pada titik nominal tegangan maupun arusnya. Efek kompensasi ini akan meningkatkan akurasi hasil pengukuran dikarenakan analisis sudut yang lebih baik.

## Kalibrasi Online
Berbeda  dengan  kalibrasi  konvesional  ( offline )  yang  mensyaratkan  perlakukan  koreksi sudutsetelah sebuah plot lengkap dari beberapa titik kondisi pengukuran diperoleh, kalibrasi online bisa  dilakukan  saat  sistem  berjalan  normal  dan  tanpa  membutuhkan  manipulasi  input.Hasil kalibrasi online menggunakan metode seperti di Gambar 2 ditunjukkan di grafik-grafik berikut ini termasuk  hasil  koreksinya  dalam  koordinat dq .  Teknik  ini  bertujuan  untuk  menyesuaikan  hasil online kalibrasi  dengan  basis  data baseline kalibrasi  yang  memungkinkan  dihilangkannya  efek distorsi  dan  gangguan  catu  daya  itu  sendiri  sekaligus  efek  ketidakidealan  dari  perangkat pengukuran sekaligus obyek yg diukur (dalam tes ini menggunakan motor induksi sebagai obyek).
n o p nqp rs q s t uv w x a = 2.499 Ð 7.497 0 , I b =2.520 Ð 246.77 0 , I c = 2.496 Ð 126.610 0
Sebelum: I a + I b + I c = 0.0147 Ð 109.147 0 z { | z} | ~      a = 2.500 Ð 7.389 0 , I b = 2.524 Ð 246.848 0 , I c = 2.491 Ð 126.644 0
~      : I a + I b + I c = 0.0000558 Ð -75.188 
                     No.3 Oktober 2013, Hal. 124-136                      ¡¢   £ ¤¥¥   ¦  – 240X Nomor : 402/AU2/P2MI-LIPI/04/2012
§ ¨ ©
Gambar 8. Tahapan langkah per langkah kalibrasi online menunjukkan (a) fasor arus catu daya terukur (stator current) termasuk (b) gelombang tiga fasenya, kemudian (c) fasor diagram setelah kalibrasi termasuk (d) gelombangnya, (e) arus resultan (ia+ib+ic) sebelum dan sesudah eliminasi zero sequence dan (f) arus terukur iq dan id dibanding dengan nilai referensinya
Gambar 8 mendemonstrasikan magnitudo dan sudut fasor arus listrik terukur dapat dikoreksi dengan  membandingkannya  dengan  signal  basis  data  referensi  (i q and  i d )  pada  berbagai  kondisi pembebanan  motor  induksi.  Gambar  8  (a)  dan  (b)  mengilustrasikan  diagram  fasor  dan  tiga  fase gelombang arus listrik hasil pengukuran aktual. Dalam kondisi yang ideal jumlahan dari tiga fase fasor ( I a + I b + I c ) harus menghasilkan nilai resultan yang 0. Namun hasil pengukuran menunjukkan, walaupun  sudah  dikalibrasi  secara  konvensional  resultan  fasornya  adalah  0.0147 Ð 109.147 0 . Resultan  fasor  ini,  dengan  kata  lain  komponen zero  sequence -nya(grafik  8  (e)),  menunjukkan sebelum  koreksi  terjadi  variasiantara  -0.025  dan  +0.025  A.  Selanjutnya  grafik  di  Gambar  8(f) ditampilkan untuk membandingkan i q dan i d terukur dan nilai referensinya. Perbedaan nilai i q dan i d inilah  yang  digunakan  untuk  mengoreksi  sinyal  terukur  dalam  kalibrasi online .  Hasil  setelah koreksi ditampilkan pada Gambar 8 (c) serta 7 (e) yang menampilkan eliminasi zero sequence dan resultan  fasornya  (plot  berwarna  hijau)  setelah  implementasi  teknik  kalibrasi online. Hasil  ini memberikan  konfirmasi  bahwa  informasi  berbasis baseline hasil  pengukuran  dari  database  telah berhasil diimplementasikan dalam kalibrasi online .
Namun  perlu  dicatat  bahwa  walaupun  kalibrasi online berhasil  dilakukan,  akan  tetapi magnitudo  dari  fase-fase  hasil  pengukuran  tidaklah  sama  dan  bersesuaian  seperti    fasor  hasil pengukuran yang ditunjukkan pada Gambar 8(c). Ini artinya koreksi gain sangat dibutuhkan agar dari arus tiga fase secara sempurna bersimetri satu dengan lainnya pada gain yang diharapkan. Oleh karena  itu  kalibrasi online dengan  teknik  kedua  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  3  dan  4 dilakukan. Eksperimen pertama dilakukan dengan menggunakan nilai gain yang sama1A/500 mV untuk  semua  sensor. Gain referensi  diatur  pada  nilai  1A/500  mV  dan  gain  sistem  pengukuran ditetapkan pada 1 A/A.
Unjuk  kerja  dari  system  estimasi differential  gain didemonstrasikan  secara  sederhana  di Gambar  9.    Gambar  9  (a)  menunjukkan  perbedaan gain terestimasi  dari  tiga  buah  sensor  berikut sistem  pengukurannya  berkisar  2,2% setelah steady state .  Hal  ini  mengkonfirmasi ketidaksesuain magnitudo yang sebelumnya diamati di Gambar 8 (c).
ª « ¬ ª­ ¬
®¯ ¯° ± ²±± ³´µ ¶· ¸ ¹ º ¹ » ¼ µ¶ 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 ½¾ ¿ À ¿ Á Â » Ã ¿Ä Å Æ Ä » Â ÇÈ É ¿À È À Ê Ç Æ Ë » È Ã ´¶ÌÍ Î ¾ Â É¹Ç Â Ï ¿Ã È Á » ¿ÀÈ Online Untuk Pemantauan .........
½ Ð Ñ ¿È ÒÅÃ Ó ¿ Ä Ô » È )
(a) (b) (c)
Gambar 9. Test eksperimen dari kalibrasi onlinemengilustrasikan (a) estimasi gain dari hasil pengukuran (b) respon dari estimasi gain ketika perbedaan pengukuran dinisiasi dan (c) rasio dari gain sebenarnya dan terestimasi
Untuk  melihat  seberapa  kinerja  kalibrasi online ini,kasus  yang  sangat  ekstrem diimplementasikan  pada  tiga  sensor  ini,  masing-masing  dengan  1A/500  mV,  1A/750  mV  dan 1A/250  mV  serta gain referensi  tetap  diset  pada  1A/500  mV.  Input  arus  listrik  yang  sama (dengan  asumsi  1A/A  diaplikasikan  pada  ketiga  sensor).  Tiga  amplifikasi gain berbeda  ini diinisiasi secara  bersamaan  kurang  lebih  pada  0,125  detik  seperti  ditunjukkan  pada  plot  grafik estimasi gain di Gambar 9 (b) ( k (a)-estimasi = 1.0 k (b)-estimasi = 1,5 dan k (c)-est = 0,5) setelah sebelumnya mempunyai  nilai gain yang  sama.  Hasil  ini  juga  menunjukkan  bahwa  astimasi gain terbaru dapat  dihitung  segera  sesaat  setelah gain berbeda  terindentifikasi.  Estimasi gain terbaru kemudian diatur menurut target referensi gain yang diharapkan, sampai keluaran terukur sama dengan  input.  Komparasi  dengan gain pengukuran  (1  A/A)  diberikan  di  Gambar  9  (c)  bisa mengindikasikan  bahwa  model  bisa  merespon  perubahan  dengan  cepat  kurang  dari  0,02  detik selama eksperimen.
Hasil respon waktu dan penyesuaian akurasi yang sangat cepat secara online dan kontinyu ini memberikan kontribusi yang sangat signifikan dibanding dengan sistem konvensional, yang harus melepas sensor dan membahayakan radiasi pekerja perawatan reaktor. Selain itu sebagai perbandingan respon waktu berbagai jenis sensor di PWR[10] yang berkisar antara 0,05 sampai 2,5  detik,  memberikan  keyakinan  tentang  unjuk  kerja  sistem  kalibrasi online ini  untuk mengkompensasi atau mengoreksi anomali yang terjadi dalam sebuah untai pengukuran dengan cepat. Analisis pendahuluan ini menunjukkan kalibrasi online ini dapat diimplementasikan pada contoh  kasus  motor  sistem  pendingin  seperti  di  PWR  untuk  menjaga  keselamatan  operasinya dengan cara menjamin akurasi sistem pemantauan kondisi yang terpasang.Namun terlepas dari keberhasilan pengujian yang sudah didemontrasikan pada penelitian ini, investigasi lebih lanjut sangat  diperlukan  untuk  mengetahui  unjuk  kerjanya  pada  aplikasi-aplikasi  lain  yang  lebih  riil dalam reaktor nuklir.
Ø Ù ÚÛ Ü Ù ÝÛ Þ Ü ß à á Ù â ã Ü äÙ åà ä Ù æ ç No.3 Oktober 2013, Hal. 124-136
èé Þ ê Þ ëÛ á äÞÜ ã ì Ü á Û íî ßÞ ê î êïí ì ð á î ä ñò æ ç ó ôõõ â æ ö ææ – 240X Nomor : 402/AU2/P2MI-LIPI/04/2012

## KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  berhasil  didemonstrasikan  metode  kalibrasi online untuk  pematauan kondisi perangkat instrumentasi reaktor nuklir berbasis electrical signature analysis . Untuk itu, tiga teknik  kalibrasi dibandingkan  secara  detil:  dengan teknik  kalibrasi  konvesional ( offline) ,  kalibrasi online dengan baseline  data  base ,  dan  teknik  kalibrasi online dengan differential  gain .  Dapat disimpulkan  penelitian  ini  menunjukkan  perbedaan  unjuk  kerja  tiga  teknik  metode  kalibrasi  ini. Pertama,  kalibrasi  konvensional  ( offline )  tidaklah  menjamin  akurasi  jika  diimplementasikan  pada tiga fasa pengukuran atau tiga buah sensor yang diharapkan kesesuaiannya. Kedua, kalibrasi online berdasarkan  informasi baseline  data  base yang  pernah  terekam  oleh  sistem  instrumentasi  sangat mudah diimplementasikan, namun belum tentu menjamin keakuratan deteksi magnitudo dan sudut fasor dari sinyal terukur.Sedangkan teknik ketiga, kalibrasi online dengan kompensasi differential gain mendemonstrasikan unjuk kerja yang sangat menjanjikan, dimana hasil analisis pendahuluan menunjukkan bahwa secara akurat dan relatif cepat perbedaan gain mampu dikoreksi. Berdasarkan hal ini maka sistem kalibrasi online menggunakan differential gain ini selanjutnya siap diuji pada aplikasi riil di pembangkit daya bertenaga nuklir.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Hashemian  HM.  Aging  management  of  instrumentation  control  sensors  in  nuclear  power plants. Nuclear Engineering and Design. 2010;240(11):3781-90.
2. Agency IAE. On-Line Monitoring for Improving Performance of Nuclear Power Plants Part 2  :  Process  and  Component  Condition  Monitoring  and  Diagnostics:  International  Atomic Energy Agency; 2008.
3. Agency IAE. On-Line Monitoring for Improving Performance of Nuclear Power Plants Part 1 : Instrument Channel Monitoring International Atomic Energy Agency; 2008.
4. Benbouzid  MEH.  Review  of  induction  motors  signature  analysis  as  a  medium  for  faults detection. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2000;47(5):984-93.
5. Harke MC, Lorenz RD. The Spatial Effect and Compensation ofCurrent Sensor Differential Gains  for  Three-Phase  Three-Wire  Systems.  IEEE  Transactions  on  Industry  Applications. 2008;44(4):1181-9.
6. Younghoon  C,  LaBella  T,  Jih-Sheng  L.  A  Three-Phase  Current  Reconstruction  Strategy With  Online  Current  Offset  Compensation  Using  a  Single  Current  Sensor.  IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2012;59(7): 2924-33.
7. Won-Sang  I, Seon-Hwan H, Jang-Mok K, Jeaho C, editors. Analysis and compensation of current  measurement  errors  in  a  doubly  fed  induction  generator.  Energy  Conversion Congress and Exposition, 2009  IEEE ECCE 2009; 2009.
8. Han-Su  J,  Seon-Hwan  H,  Jang-Mok  K,  Cheul  UK,  Cheol  C.  Diminution  of  Current- Measurement Error for Vector-Controlled AC Motor Drives. IEEE Transactions on Industry Applications. 2006;42(5):1249-56.
9. Harke MC, Lorenz RD, editors. The spatial effect and compensation of current sensor gain deviation for three-phase three-wire systems. Applied Power Electronics Conference, APEC 2007 - Twenty Second Annual IEEE; 2007.
10. Coble J, Hashemian H, Meyer R, Shumaker B, Ramuhalli P, Cummins D, et al. A review of sensor calibration monitoring for calibration interval extension in nuclear power plants 2012: Available from: http://www.ntis.gov/search/product.aspx?ABBR= DE20131061413. úû û ü ý ý ü þ Oktober 2012.