background image

2 Steady State Calculation by the Using of Newton Iteration Method    

Before applying this method to the steady state calculation, in next will be shown 

principle of this method for solution of the common system of non-linear algebraic 

equations.  

At first, let’s assume one-dimensional non-linear equation               . 

0

)

(

f

x

Finding of the solution of this equation: 

1) choosing of the initial approximation 

2) determination of the tangential equation   

in this point 

(from definition of the function derivation)

 

 

3)  calculation of the first approximation  

(0)

x

 

    

)

0

(

)

0

(

'

)

0

(

f

f

f

x

x

x

x

x

(1)

x

    

)

0

(

)

1

(

)

0

(

'

)

0

(

f

f

0

x

x

x

x

 

 

 

)

0

(

'

)

0

(

)

0

(

)

1

(

f

f

x

x

x

x

4) verification of the computing accuracy 

)

0

(

)

1

(

x

x

root of the equation 

tangent    

line 

5) if accuracy condition isn’t fulfilled, the computation 

is repeated from event 3) according to: 

 

 

)

(

'

)

(

)

(

)

1

(

f

f

k

k

k

k

x

x

x

x

background image

Definition of the function derivation: 

 

x

y

x

y

x

0

x

'

lim

d

d

f

x

x

y

y

d

d

Common expression for Newton iteration method: 

background image

A system of non-linear equations can by written as:  

0

x

f

y

)

(

x

- vector of unknowns (with dimension 

n

n

 dimensional vector function of  

x

)

(x

f

y

Common expression for Newton iteration method in this case: 

 

x

J

x

x

x

f

y

n

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

y

y

2

1

2

1

2

2

2

1

2

1

2

1

1

1

2

1

)

(

f

)

(

f

)

(

f

)

(

f

)

(

f

)

(

f

)

(

f

)

(

f

)

(

f

This equation can be decomposed as: 

J

- Jacobian matrix 

background image

Steady State Calculation by the Using of Newton Iteration Method for Given 

(

P

Q

 ) nodes 

Let's assume, the network containing 

n

 nodes is given. In each node, except the 

balance one, is given the power: 

i

i

i

i

i

I

U

Q

P

S

*

.

 j

With regard to MNV we can write:  

n

j

j

ij

i

i

i

i

U

Y

U

Q

P

I

1

*

.

 j

n

i

,

,

3

,

2

n

i

,

,

3

,

2

n

j

j

ij

i

i

i

U

Y

U

Q

P

1

*

.

 j

Voltage and admittance phasors can be written by the component or polar form.  

When applying the polar form let’s assume:   

i

i

i

U

U

i

i

i

U

U

*

j

i

j

i

ij

Y

Y

 

n

i

,

,

3

,

2

background image

We divide the right hand-side of this equation into the real and imaginary parts: 

j

i

j

i

j

i

j

n

j

i

i

Y

U

U

P

cos

1

j

i

j

i

j

i

j

n

j

i

i

Y

U

U

Q

sin

1

n

i

,

,

3

,

2

n

i

,

,

3

,

2

We obtain 2.(

-1) non - linear equations with (

-1) unknown voltages and their (

-1) 

angles. 

Notation: We know absolute value of voltage and its angle (usually set as zero) in balance node. 

Then 

n

j

ij

j

i

n

j

j

ij

i

n

j

j

ij

i

i

i

j

i

j

i

j

j

i

i

Y

U

U

U

Y

U

U

Y

U

Q

P

1

j

-

1

j

j

j

-

1

*

e

e

e

e

.

 j

background image

 

 

 

 

 

U

Q

U

Q

P

U

P

Q

P

Expression of Newton iteration method for calculation of this equation system: 

Short expression: 

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

U

U

U

Q

Q

Q

U

Q

U

Q

U

Q

Q

Q

Q

U

Q

U

Q

U

Q

Q

Q

Q

U

Q

U

Q

U

Q

P

P

P

U

P

U

P

U

P

P

P

P

U

P

U

P

U

P

P

P

P

U

P

U

P

U

P

Q

Q

Q

P

P

P

3

2

3

2

3

2

3

2

3

3

3

2

3

3

3

3

2

3

2

3

2

2

2

2

3

2

2

2

3

2

3

2

3

3

3

2

3

3

3

3

2

3

2

3

2

2

2

2

3

2

2

2

3

2

3

2

background image

We obtain individual elements of Jacobian matrix by differentiation of previous 
equations with respect to appropriate variables as follows:

  

U

P

 

 

)

cos(

cos

.

.

2

,

1

j

i

j

i

j

i

n

i

j

j

j

i

i

i

i

i

i

i

Y

U

Y

U

U

P

  

)

cos(

j

i

j

i

j

i

i

j

i

Y

U

U

P

P

 

 

 

)

sin(

.

.

.

,

1

j

i

j

i

j

i

j

n

i

j

j

i

i

i

Y

U

U

P

      

)

sin(

.

.

.

j

i

j

i

j

i

j

i

j

i

Y

U

U

P

U

Q

Q

)

sin(

sin

.

.

2

,

1

j

i

j

i

j

i

n

i

j

j

j

i

i

i

i

i

i

i

Y

U

Y

U

U

Q

     

)

sin(

 

j

i

j

i

j

i

i

j

i

Y

U

U

Q

)

cos(

.

.

.

,

1

j

i

j

i

j

i

j

n

i

j

j

i

i

i

Y

U

U

Q

)

cos(

.

.

.

j

i

j

i

j

i

j

i

j

i

Y

U

U

Q

background image

The solution process is evident from the following algorithm: 

- network configuration 
- parameters of the network elements 

 

)

0

(

)

0

(

2

...,

,

n

U

U

giv 

giv 

P

i giv 

– given 

power in i-th node 

Calculation of PQ distribution 
Determination of 

in network 

background image

Steady State Calculation by the Using of Newton Iteration Method for Given 

(

P

) and (

P

U

 ) Nodes 

It  is  required  to  keep  voltage  on  the  specified  value  in  chosen  nodes  (

P

)  of  the 

power system. We could guarantee this condition if we have adequate reactive power 

in the power system (let’s assume, that a compensator is available in these nodes).  

 

We  can  evaluate  the  magnitude  of    the  compensation  reactive  power 

Q

  in  individual 

nodes by steady state solutions, e. g. with the aid of Newton method. 

 

Let’s  see  the  solution  of  the  given  problem  in  the  power  system,  which  contains 

n

 

nodes.  

 

Let’s assume, that in power systems is: 

• the 1

st

 node - the balance node, i.e. 

U

1

 and

 

1

 

(usually 

1

= 0) is given, 

• 2

nd

 till 

m - 

th node is of type 

P

Q

• (

m

+1) till 

– th node is regulating one, i.e. of type 

P

U

We know: 

• (

n

 – 1) equations with given active power 

P

2

, ..., 

P

n

 and  

• (

m

 – 1) equations with given reactive power 

Q

2

, ..., 

Q

,  

hence we calculate: 

• the  absolute values of voltage in nodes 2 till 

m

, (

U

2

, ..., 

U

m

) and  

• angles in all nodes except the balance node (

2

, ..., 

n

).  

 

background image

10 

With application of Newton method we can write:  

n

m

m

m

n

n

m

n

n

m

m

m

m

n

n

m

m

m

m

n

n

m

m

m

n

m

m

m

n

m

m

m

m

m

m

m

m

m

n

m

m

m

n

m

m

m

m

m

m

m

m

m

n

m

m

m

U

U

P

P

P

P

P

P

P

P

U

P

U

P

U

P

U

P

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

U

Q

U

Q

U

Q

U

Q

P

P

P

P

P

P

P

P

U

P

U

P

U

P

U

P

P

P

Q

Q

P

P

1

2

2

1

1

1

1

2

1

2

1

2

1

2

1

1

2

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

2

 

For short we can write this relation as:  

 

 

 

 

 

 

 







U

P

P

U

P

Q

Q

U

Q

P

P

U

P

P

Q

P

background image

11 

By iterative process solution with desired accuracy we obtain values of: 

• voltage 

U

2

, ..., 

U

m

 and  

• angles 

2

, ..., 

n

.  

 

Then the required compensation reactive power for the keeping of specified voltage in 

i - 

th node is:  

j

i

j

i

j

i

j

n

j

i

i

Y

U

U

Q

sin

1

n

m

i

,

,

1 

If  the  calculated  reactive  power  in  some  regulating  node  oversteps  the  allowable 

value (i.e. the installed power output of compensation devices), then the type of this 

node is changed from type (

P

U

 ) to type (

P

), where 

Q

 is appropriate reactive 

power limit. The specified voltage is cancelled and we repeat the calculation.