1. Numerical Pilot Protection 7SD52 using digital wide-band communication

2. Numerical pilot protection relay 7SD52
Universally applicable to
power system
configurations
up to
six ends ,
containing : q
OH-
Lines q
Cables q
Transformers n
For
digital
data transmissen q
Via
dedicated optical fibres q
Via
Communication networks

3. Numerical Pilot Differential Protection PrincipleIB
IAS , IAC DI DI
IBS , IBC ID +j
operate IA
IAC
stabilize ID IB
Operate : ID = IA +IB
Bias: IB = IA + IB
Operating
Criterium: ID  K1 + K2 . IS
IBS
IAS + IB
IBC
IA = IAS + j IAC
IB = IBS + j IBC

4. Definition of Synchronous Phasor:
measured at different locations based on a common time reference
Time reference
Location : B
Location : A
Relay A RE iA iB B IB IM
Relay B
Alle folgenden Notizen ersetzen nicht das MS-PowerPoint-Benutzerhandbuch, sondern sind Notizen zu den vorliegenden Folien.
Falls Sie generell andere/keine Aufzählungszeichen wollen, können Sie über "Ansicht" in Ihrer "Folienvorlage" einzeln in jeder Textzeile über "Text" "Aufzählungszeichen..." andere Aufzählungszeichen auswählen/ das "verwenden" ausschalten. Dabei können Sie über "Text" "Zeilenlineal" mit der Maus auch die Einrückmarken zurückstellen.
Im vorliegenden Hauptteil dieser Folie wurde in den ersten, leeren Zeilen über "Text" "Aufzählungszeichen..." das "verwenden" ausgeschaltet.
Hinweis zum Drucken von Folien auf QMS PS 815 und Kyocera P-2002:
Im Fenster "Drucken" wählen "Drucken: Folien" abwählen: "An Seitengröße anpassen" wählen: "Druckereinrichtung..."
wählen: "Einrichtung..."
wählen: "Querformat" + "Optionen..."
wählen: "Ränder: Keine" + "Skalierung (%): 94" + (4x) "ok"

5. Numerical pilot protection: Advanced Fourier analysis of the currents - Supress DC components, harmonics
k-n n i k

6. Advanced Fourier Transformation - Optimized filtering coeffizients for 7SD52 -> Suppress DC 4 times better than conventional Fourier-filters -> Archieve high sensitivity i0 i1 i2 iN Dt 1 2 N n 1 2 N

7. Advanced Full Cycle Fourier analysis: Filter characteristic

8. Orthogonal Current Components (Advanced Fourier Filter)wt
I(wt)
Æ = 0
j IC I wt
t = 0 IS

9. Numerical Pilot Differential Relay Propagation Time Measurement and Phasor Angle CorrectionB I I
IS(A), IC(A)
...
tA1
tL1
tA1
tB1
tA2
tB2 tV
tA3
tB3
tA4
tL2
....
IS(B), IC(B)
tB4 tV
tA5
tB3
tA1
Propagation time: tL1= tL2= 1/2 x (tA-reception - tA1- tV)
Corrected sampling instant: tB3= tA-reception -tL2
IB(tA3) 
IB(tB3)
= (tB3 - tL2) x (360O/Tperiod)

10. Example for the delay time calculation
Flight from Berlin <-> New York
You can not calculate the duration of a flight if you look at the clock in Berlin on departure and later note the local New York time on arrival. The reason are the different time zones. The relays are also in two time zones.. Each relay has it´s own 1 us resolution timer.
Tdepart / B->NY (6:00) > Tarrival / B->NY (8:00)
From the flight back from New York to Berlin the local departure time in NY and the arrival time in Berlin is:
T arrival / NY->B (23:00) < T depart / NY->B (9:00)
Under the assumption, that the flight to New York and the flight back from NY have the same duration the relevant time results can be calculated.
The time difference between NY and B and the duration of the flight (transmission time)
Duration = ( T arrival / B->NY - T depart / B->NY+ T arrival / NY->B - Tdepart / NY->B ) / 2
Time difference = (Tdepart / B->NY - Tarrival / B->NY + Tarrival / NY->B - Tdepart / NY->B ) / 2
Duration = (8:00 - 6: : :00) / 2 = 8 hours (-> delay time)
Time diff. = (6 Uhr - 8 Uhr + 23 Uhr - 9 Uhr)/2 = 6 hours (-> difference between the time zones)

11. Coded message of current differential protection 7SD52
HDLC FRAME FORMAT
Frame
Check
Seqence
(FCS)
Opening
Flag
Address
Field (A)
Control
Field (C)
Information
Field (I)
Closing
Flag
16 bits
relays
address
8 or 16
bits
any length
0 - N bits
32 bits
Synchronizing
time data
status + command
Current vectors
message
validation

12. Multimode optic fibres
Numerical pilot differential protection: Communication options I
Monomode fibre
1300 ober 1550 nm
a) Dedicated optic fibre
PCM MUX
Optic fibre or microwave
Wire G.703
O.F.
G.703
Multimode optic fibres
850 nm
b) Channel of a data transmission system or of a data transmission network
(Protection and PCM-device in the same room)
Further services:
Telefon,
Data transmission,
etc.
Optic fibre or Microwave
Wire, G.703
b) Channel of a data transmission system, or of a data transmission network
(Protection and PCM-device not in the same room)

13. Application for a three terminal configuration
Monomode fibre optic cable up to 35 km with 1300 nm interface
up to 10 km (1300 nm modul)
Monomode fibre optic cable
Distance relay
7SA52
X21
G703.1
PCM
multi-
plexer
PCM
multi- plexer
SDH
comms-network o e e o
820 nm
max.
3 km
Option: I-REGB o e
Comms-
converter
G703.1: 64 kBit X21: N*64 kBit (1N8)
time
synchronisation

14. Scope of functions / Hardware options
Numerical line differential protection 7SD52
Scope of functions / Hardware options
- For system configurations with up to 6 terminals
- Fast high set charge comparision (subcycle trip) - Sensitive current phasor differential
- Inrush restraint (2nd harmonic) and vector group adaption
- CT saturation detector
- Autoreclosure 1/3 pole
- Overload protection
- Switch on to fault protection
- 4 remote commands, 24 remote signals
3Iph, and IE
4 U
8 binary inputs
16 contacts
1 - 2 protection interfaces System interface
PC-interface
Time synchronisation
½*19´´
16 binary inputs
24 contacts
24 binary inputs
32 contacts
Option: 5 fast trip contacts
1*19´´

15. Communication Options
FO5: distance 1,5 km (with clock feed-back)
FO6 : distance 3km O
820 nm 1,5 km / 3 km
internal
FO7 : distance 10km O
1300 nm 10 km
internal
FO8: distance 35km O
1300 nm 35 km
internal
KU : hook-up to communication network O E
X21
G703
Alle folgenden Notizen ersetzen nicht das MS-PowerPoint-Benutzerhandbuch, sondern sind Notizen zu den vorliegenden Folien.
Falls Sie generell andere/keine Aufzählungszeichen wollen, können Sie über "Ansicht" in Ihrer "Folienvorlage" einzeln in jeder Textzeile über "Text" "Aufzählungszeichen..." andere Aufzählungszeichen auswählen/ das "verwenden" ausschalten. Dabei können Sie über "Text" "Zeilenlineal" mit der Maus auch die Einrückmarken zurückstellen.
Im vorliegenden Hauptteil dieser Folie wurde in den ersten, leeren Zeilen über "Text" "Aufzählungszeichen..." das "verwenden" ausgeschaltet.
Hinweis zum Drucken von Folien auf QMS PS 815 und Kyocera P-2002:
Im Fenster "Drucken" wählen "Drucken: Folien" abwählen: "An Seitengröße anpassen" wählen: "Druckereinrichtung..."
wählen: "Einrichtung..."
wählen: "Querformat" + "Optionen..."
wählen: "Ränder: Keine" + "Skalierung (%): 94" + (4x) "ok"
external
Km data for worst-case conditions

16. Hardware option of the comms interfaces
Protection interface 2 Port E
Synchronous N x 64kB/sec
7SD52
Remote line end 2
Plug in
modules
Interfacemodul 1
RS485 or FO
or RS232
service-interface
DIGSI 4; also for
modem connection and Browser
Remote line end 1
Protection interface 1 Port D
Synchronous N x 64kB/sec
Subst. control interface
communication modules
Substation control
FO (Fibre optic) or RS485 or RS232
Available Protocols IEC - standard
Interfacemodul 2
RS485 or FO
local-PC
interface
DIGSI
local
Browser
Serial time
sync. input
GPS-receiver

17. Main board of the relay with it´s Communication - Interfaces
Main processor board of the relay
Sockets for the communication modules

18. Adaptive Algorithm: Fast Charge comparison and very sensitive Phasor differential
Fast normal trip stage IDiff>> Setting: 0,67*ILoadmax/IN
Fast, <1cycle
Phasor differential
For high resistive faults IDiff> Setting: 0,1-0,2 IN
1 cycle Phasor,
fundamental frequency
87L
87L
Every 5ms ( bBit), 10 ms (64 kBit)

19. Adaptive differential relaying Consideration of CT- and communication-errors
IDiff IN,load.
trip I2 I3 I1 I2
restrain
0,15
IDiff> I3 I1
Through fault
load I1
0.5
Irestr IN,Betr.
Calculated Phasor sum:
IDiff = I1 + I2 + I3
Minimum pick-up:
IDiff = Ilow set
Restrain:
IRestrain =  c.t. tolerance + Syncronising tolerance
 trip condition: IDiff >Ilow set and IDiff > IRestraint

20. Spill Current through Line Charging Capacitances
C.t.2
IDiff
C.t. 1
Protected Zone defined by c.t.1 and c.t.2 IC
Source V2
Source V1
Kichhoff equation: I1 + I2 - IDiff - IC = 0
Service conditions: IDiff = 0, IC = I1 + I  Difference equals charging current
Pick-up value: IDiff> >2,5.. 4 • IC  sensitive set point at short lines, minimum 0,1 IN

21. Setting above spill currents: c.t. error and line charging
I1´=0,95•I1
I2´=1,05•I1
IDiff=0,1 • I1
-I1 I1
Resulting
set point
IDiff
Set points:
Percentage bias
related to c.t. errors
IDiff = |- I1´ + I2´| = f1• I1 + f2 • I2
Load: I1 = IN IDiff=0,1 • I1 = 0,1• IN
Through Fault: I1 = 10 • IN
IDiff = 10,5 • IN - 9,5 • IN = IN
IDiff>
Minimum pick-up related to line charging current I1
IDiff> set point > line charging current
Percentage bias > Sum of c.t. errors

22. Approximated c.t. Tolerance Basis for the restraint current calculation
IDiff I1
Fault current tolerance
Tolerance of
a real CT
Load current tolerance
ALFe / ALFN • IN,c.t I1
: parameter 7SD52
Example: 10P10, fB < 3%, fK at ALFN = 10%

23. Current transformer data
C.t. Parameter
c.t. e.g. 5P20, 10VA
Pi + PN
% tolerance at ALFN
ALFe = ALFN
With PB = Pleads Prelay (0,1 VA)
Pi + PB
Thumb rule:
Ri  0,1...0,2 * RN
RN at 10 VA  10
=> Ri  2 
ALFe
ALFN
2 VA + 10 VA =
= 4
2 VA + 1 VA
Resulting Relay Parameter:
effective ALF / nominal ALF = 4 (calculation as per above)
IEC 44 -1: tolerance in load area up to ALFe / ALFN : 1% with 5P, 3% with 10P c.t.s
total error at accuracy limit nN = 5% with class, 5P and 10% 10 P

24. Internal restraint current calculation due to CT-errors
The restraint current is the sum of the maximal expected CT-errors
5P20 20 VA
1600:1 ALFe/ALFN = 5 fLoad 1 = 1% (0,01)
fSC 1 = 5% (0,05)
5P20 20 VA
1600:1 ALFe/ALFN = 2 fLoad 2 = 1% (0,01)
fSC 2 = 5% (0,05)
IC = 100 A
IN,load = 1600 A
800 A
4800 A
1200 A
5600 A
10P10 10 VA
400:1 ALFe/ALFN = 1 fLoad 3 = 3% (0,03)
fSC 3 = 10% (0,1)
400 A
800 A
IStab = 2.5 • line charge currents (basic restraint value) + c.t. error currents
IDiff = actual deviation of vector summation and charge summation
Case 1 (Through load)
IRest = 2,5 • 100 A A • 0, A • 0, A • 0,03 = 282 A Irestr / IN,load = 0,176
Idiff = 100 A IDiff / IN,load = 0,063
Case 2 (Through fault)
IRest = 2,5 • 100 A A • 0, A • 0, A • 0,1 = 658 A Irestrain / IN,load = 0,41
IDiff = 40 A IDiff / IN,load = 0,025

25. CT Saturation detector based on harmonic analysis
ct I2
ct I1
Harmonic content of the differential current 2
|fn|
|f1| t
Id = I1 - I2
Harmonic order 10 t

26. Charge comparison: Operating Principle1 3
protected Line configuration I Q =Q 1 +Q 2 +Q 3 +Q 4 4
diff I 2 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 1 = Q 1 Q 2 =Q 1 +Q 2 Q 3 =Q 1 +Q 2 +Q 3 p
art
part
part S
Alle folgenden Notizen ersetzen nicht das MS-PowerPoint-Benutzerhandbuch, sondern sind Notizen zu den vorliegenden Folien.
Falls Sie generell andere/keine Aufzählungszeichen wollen, können Sie über "Ansicht" in Ihrer "Folienvorlage" einzeln in jeder Textzeile über "Text" "Aufzählungszeichen..." andere Aufzählungszeichen auswählen/ das "verwenden" ausschalten. Dabei können Sie über "Text" "Zeilenlineal" mit der Maus auch die Einrückmarken zurückstellen.
Im vorliegenden Hauptteil dieser Folie wurde in den ersten, leeren Zeilen über "Text" "Aufzählungszeichen..." das "verwenden" ausgeschaltet.
Hinweis zum Drucken von Folien auf QMS PS 815 und Kyocera P-2002:
Im Fenster "Drucken" wählen "Drucken: Folien" abwählen: "An Seitengröße anpassen" wählen: "Druckereinrichtung..."
wählen: "Einrichtung..."
wählen: "Querformat" + "Optionen..."
wählen: "Ränder: Keine" + "Skalierung (%): 94" + (4x) "ok"
7SD52
7SD52
7SD52 Q 2 =Q 2 +Q 3 +Q 4 Q Q 3 = Q 3 +Q 4 Q 4 = Q 4
part
diff
part
part 1 2 3 4

27. Charge Comparison: Charge calculation, Operating characteristic, Tripping times|Q
diff |
Operate Q
diff
Charge calculation by numerical integration
(internal fault) D
slope depending on Q Q
DIFF
>
Settable pick-up value 1
=IDiff>>
Restraint Area
qdiff12.dsf t t t t t t t 1 2 3 4 5 6
Calculated charge restraint value from CT-errors , synch. errors
QRest
Current Measuring window
Relay calculates the charge. Setting as current value IDiff>>
Alle folgenden Notizen ersetzen nicht das MS-PowerPoint-Benutzerhandbuch, sondern sind Notizen zu den vorliegenden Folien.
Falls Sie generell andere/keine Aufzählungszeichen wollen, können Sie über "Ansicht" in Ihrer "Folienvorlage" einzeln in jeder Textzeile über "Text" "Aufzählungszeichen..." andere Aufzählungszeichen auswählen/ das "verwenden" ausschalten. Dabei können Sie über "Text" "Zeilenlineal" mit der Maus auch die Einrückmarken zurückstellen.
Im vorliegenden Hauptteil dieser Folie wurde in den ersten, leeren Zeilen über "Text" "Aufzählungszeichen..." das "verwenden" ausgeschaltet.
Hinweis zum Drucken von Folien auf QMS PS 815 und Kyocera P-2002:
Im Fenster "Drucken" wählen "Drucken: Folien" abwählen: "An Seitengröße anpassen" wählen: "Druckereinrichtung..."
wählen: "Einrichtung..."
wählen: "Querformat" + "Optionen..."
wählen: "Ränder: Keine" + "Skalierung (%): 94" + (4x) "ok"
5 ms (50 Hz)
Corrected time instants after end-to-end time synchronisation

28. 7SD52 Pilot Protection: Sliding data windows
fault-
inception
current,
voltage
voltage
current
time
5 ms charge and
20 ms phasor data windows

29. Familiar with digital communication networks Features of the relay to relay communication
Synchronous data transmission by HDLC- protocol
Permanent supervision of the data transmission
Measurement and compensation of signal transmission time (max. 20 ms)
Counts number of invalid telegrams Blocking the diff.protection if transmission failure rate is too high
Settings for the data transmission (N*64 kBit/s, N settable from 1 - 8, synchronous HDLC-protocol)
Communication device addresses (Protection devices are clearly assigned to a defined protection section)
Detection of reflected data in the loops in comms- network
Step 2: Microsecond exact time synchronisation via satellite (civil - IRIG-B) (If signal transmission time depends on the transmission direction, Online high resolution fault recorder)

30. Ring and Chain topologie
Automatic change from closed ring to chain, if one connection is lost
or not available I3 I2 I1
side 1
side 2
side 3
side 2
side 3 I2
Connection to
other diff. relays I3
I3+I1 I2
I1+I2 I3 I1
I3+I1
I1+I2
side 1
Closed ring
Partial current summation

31. Breaker-and-a-half Scheme, Through Fault Stabilisation
busbar 2
busbar 2
87L
To remote end
87L
If = through fault current
To remote end
If = through fault current
87L
busbar 1
busbar 1
Partial differential
Full differential

32. Topologies: Chain topology for max. 6 line ends1 2 3
PI1
PI1
PI2
PI1
PI2
PI - Protection Interface
PI1 6 5 4
PI1
PI2
PI1
PI2

33. Topologies: Ring topology, 6 line ends1 2 3
PI2
PI1
PI2
PI1
PI1
PI2
PI2
PI1 6 5 4
PI1
PI2
PI1
PI2
PI - Protection Interface

34. Web-Browser based commissioning tool

35. 7SD52: Commisioning and Monitoring using Web-Browser