Matpower 4.1User’s ManualRay D. Zim

Matpower 4.1
User’s Manual


Ray D. Zimmerman Carlos E. Murillo-S´anchez

December 14, 2011





































© 2010, 2011 Power Systems Engineering Research Center (Pserc) All Rights Reserved



Contents

1 Introduction 7
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 License and Terms of Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Citing Matpower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Getting Started 9
2.1 System Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Running a Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 Preparing Case Input Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Solving the Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.3 Accessing the Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.4 Setting Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Modeling 16
3.1 Data Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4 Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.5 Shunt Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.6 Network Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.7 DC Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 Power Flow 23
4.1 AC Power Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 DC Power Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 runpf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.4 Linear Shift Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5 Optimal Power Flow 29
5.1 Standard AC OPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2 Standard DC OPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.3 Extended OPF Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.3.1 User-defined Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.3.2 User-defined Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.3.3 User-defined Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33



5.4 Standard Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.4.1 Piecewise Linear Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.4.2 Dispatchable Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.4.3 Generator Capability Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.4.4 Branch Angle Difference Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.5 Solvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.6 runopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6 Extending the OPF 43
6.1 Direct Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.2 Callback Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2.1 ext2int Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2.2 formulation Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.2.3 int2ext Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2.4 printpf Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2.5 savecase Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 Registering the Callbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.5 Example Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.5.1 Fixed Zonal Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.5.2 Interface Flow Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.5.3 DC Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

7 Unit De-commitment Algorithm 62
8 Acknowledgments 63

Appendix A MIPS – Matlab Interior Point Solver 64
A.1 Example 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
A.2 Example 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
A.3 Quadratic Programming Solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
A.4 Primal-Dual Interior Point Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
A.4.1 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
A.4.2 Problem Formulation and Lagrangian . . . . . . . . . . . . . . 72
A.4.3 First Order Optimality Conditions . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.4.4 Newton Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Appendix B Data File Format 76



Appendix C Matpower Options 82

Appendix D Matpower Files and Functions 91
D.1 Documentation Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
D.2 Matpower Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
D.3 Example Matpower Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
D.4 Automated Test Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Appendix E Extras Directory 101

Appendix F “Smart Market” Code 102
F.1 Handling Supply Shortfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
F.2 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
F.3 Smartmarket Files and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Appendix G Optional Packages 109
G.1 BPMPD MEX – MEX interface for BPMPD . . . . . . . . . . . . . . 109
G.2 CPLEX – High-performance LP and QP Solvers . . . . . . . . . . . . 109
G.3 Gurobi – High-performance LP and QP Solvers . . . . . . . . . . . . 110
G.4 Ipopt – Interior Point Optimizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
G.5 KNITRO – Non-Linear Programming Solver . . . . . . . . . . . . . . 111
G.6 MINOPF – AC OPF Solver Based on MINOS . . . . . . . . . . . . . 112
G.7 MOSEK – High-performance LP and QP Solvers . . . . . . . . . . . 112
G.8 TSPOPF – Three AC OPF Solvers by H. Wang . . . . . . . . . . . . 113

References 114



List of Figures

3-1 Branch Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5-1 Relationship of wi to ri for di = 1 (linear option) . . . . . . . . . . . . 32
5-2 Relationship of wi to ri for di = 2 (quadratic option) . . . . . . . . . 33
5-3 Constrained Cost Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5-4 Marginal Benefit or Bid Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5-5 Total Cost Function for Negative Injection . . . . . . . . . . . . . . . 36
5-6 Generator P -Q Capability Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6-1 Adding Constraints Across Subsets of Variables . . . . . . . . . . . . 48
6-2 DC Line Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6-3 Equivalent “Dummy” Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60


List of Tables

4-1 Power Flow Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4-2 Power Flow Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4-3 Power Flow Output Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5-1 Optimal Power Flow Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5-2 Optimal Power Flow Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5-3 OPF Output Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6-1 Names Used by Implementation of OPF with Reserves . . . . . . . . 46
6-2 Results for User-Defined Variables, Constraints and Costs . . . . . . . 50
6-3 Callback Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6-4 Input Data Structures for Interface Flow Limits . . . . . . . . . . . . 59
6-5 Output Data Structures for Interface Flow Limits . . . . . . . . . . . 59
A-1 Input Arguments for mips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
A-2 Output Arguments for mips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
B-1 Bus Data (mpc.bus) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
B-2 Generator Data (mpc.gen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
B-3 Branch Data (mpc.branch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
B-4 Generator Cost Data (mpc.gencost) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
B-5 DC Line Data (mpc.dcline) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
C-1 Power Flow Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
C-2 General OPF Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Kết quả (Việt) 1:

Matpower 6.6
của hướng dẫn sử dụng


Ray D. Zimmerman Carlos E. Murillo-S´anchez

14 tháng 12 năm 2011


© 2010, 2011 điện kỹ thuật hệ thống Trung tâm nghiên cứu (Pserc) tất cả các quyền



nội dung

1 giới thiệu 7
1.1 nền................................ 7
1.2 giấy phép và điều khoản sử dụng................... . . . . . 7
1.3 trích dẫn Matpower............................ 8

2 bắt đầu 9
2.1 Hệ thống yêu cầu........................... 9
2.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.7 chạy một mô phỏng........................... 10
2.3.1 chuẩn bị trường hợp đầu vào dữ liệu... . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 giải quyết các trường hợp......................... 11
2.3.3 truy cập vào các kết quả...................... . 12
2.3.4 bật cài đặt tùy chọn.......................... 13
3.9 tài liệu............................. . 13

3 mô hình 16
5.0 dữ liệu định dạng.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4 Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.7 Shunt yếu tố............................. . 18
3.6 mạng phương trình............................ 19
3.7 DC Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 điện chảy 23
6.6 AC Power dòng chảy............................. . 23
4.2 DC Power Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 runpf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7.1 tuyến tính thay đổi yếu tố............................ 27

5 điện tối ưu chảy 29
8.2 tiêu chuẩn AC OPF............................ 29
8.3 tiêu chuẩn DC OPF............................ 30
8.5 mở rộng OPF xây dựng...................... . 31
8.5.1 người dùng xác định chi phí........................ 31
5.3.2 người dùng xác định chế..................... 33
5.3.3 người dùng định nghĩa biến...................... 33



5.4 tiện ích mở rộng tiêu chuẩn........................... 34
5.3.1 đường tuyến tính chi phí...................... 34
8.7.2 dispatchable tải........................ 35
5.4.3 đường cong khả năng máy phát điện................... 37
5.4.4 chi nhánh góc khác biệt hạn chế................. 38
5.5 Solvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.6 runopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6 mở rộng OPF 43
9.8 trực tiếp đặc điểm kỹ thuật............................ 43
10.0 gọi lại chức năng............................ 44
6.2.1 ext2int gọi lại......................... 45
6.2.2 xây dựng gọi lại...................... 47
6.2.3 int2ext gọi lại................. . . . . . . . . 49
6.2.4 printpf gọi lại......................... 51
6.2.5 savecase gọi lại........................ 54
10.1 đăng ký Callbacks......................... 56
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
10.5 ví dụ mở rộng................... . . . . . . . . 57
6.5.1 cố định Zonal dự trữ...................... . 57
6.5.2 giới hạn lưu lượng giao diện...................... . 58
6.5.3 DC đường dây...................... 59

7 đơn vị thuật toán de-cam kết 62
8 Acknowledgments 63

phụ lục một MIPS-Matlab nội thất điểm Solver 64
A.1 ví dụ 1............... . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
A.2 Example 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
A.3 bậc hai lập trình giải..................... 70
A.4 nguyên-Dual nội thất điểm thuật toán Hider 71
A.4.1 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
A.4.2 vấn đề xây dựng và Lagrange.............. 72
A.4.3 đầu tiên để điều tiết............... 73
A.4.4 Newton Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

phụ lục B dữ liệu tập tin định dạng 76



phụ lục C Matpower tùy chọn 82

phụ lục D Matpower tập tin và chức năng 91
D.1 tài liệu tập tin........ . . . . . . . 91
D.2 Matpower chức năng.......................... 91
D.3 ví dụ Matpower trường hợp...................... . 97
D.4 tự động bộ kiểm tra.......................... 98

thư mục tính năng bổ sung phụ lục E 101

phụ lục F "Thông minh thị trường" mã 102
F.1 xử lý cung cấp thiếu hụt...................... . . 104
F.2 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
F.3 Smartmarket tập tin và chức năng........ 108

phụ lục G tùy chọn gói 109
G.1 BPMPD MEX-MEX giao diện cho BPMPD.............. 109
G.2 CPLEX-hiệu suất cao LP và QP giải quyết............ 109
G.3 Gurobi-hiệu suất cao LP và QP giải quyết............ 110
G.4 Ipopt-nội thất điểm tối ưu hóa........ 111
G.5 KNITRO-phi tuyến tính lập trình Solver.............. 111
G.6 MINOPF-AC OPF Solver dựa trên MINOS............. 112
G.7 MOSEK-hiệu suất cao LP và QP giải quyết.......... 112
G.8 TSPOPF-ba AC OPF giải quyết bởi H. Wang............ 113

tham chiếu 114



danh sách nhân vật

3-1 chi nhánh mô hình............................... 17
5-1 mối quan hệ của wi để ri cho di = 1 (tuyến tính lựa chọn)............ 32
5-2 mối quan hệ của wi để ri cho di = 2 (bậc hai tùy chọn)....... . 33
5-3 hạn chế chi phí biến....... . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5-4 lợi ích cận biên hay giá thầu chức năng........ 36
5-5 tổng số chi phí các chức năng tiêu cực tiêm............... 36
5-6 máy phát điện P -Q khả năng đường cong........ 37
6-1 thêm khó khăn trên tập hợp con của biến............ 48
6-2 DC dòng mô hình............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6-3 tương đương "Giả" máy phát........ 60


danh sách bảng

kết quả dòng chảy năng lượng 4-1............................ 26
4-2 tùy chọn dòng chảy nguồn điện........................... 26
4-3 năng lượng dòng chảy đầu ra tùy chọn...................... . 27
5-1 tối ưu sức mạnh lưu lượng kết quả...................... . 40
5-2 tùy chọn dòng chảy tối ưu nguồn điện...................... 41
5-3 OPF sản lượng tùy chọn........................... 42
6-1 tên được sử dụng bởi thực hiện OPF với trữ lượng....... 46
kết quả 6-2 cho người dùng định nghĩa biến, khó khăn và chi phí....... 50
Chức năng gọi lại 6-3............................ 57
cấu trúc dữ liệu đầu vào 6-4 cho giao diện chảy giới hạn............ 59
6-5 cấu trúc dữ liệu đầu ra cho giao diện chảy giới hạn.......... 59
A-1 đầu vào đối số cho mips........................ 65
A-2 sản lượng đối số cho mips...................... . 66
B-1 Bus Data (mpc.bus) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
B-2 máy phát điện dữ liệu (mpc.gen)........................ 78
B-3 chi nhánh dữ liệu (mpc.branch)........................ 79
B-4 máy phát điện dữ liệu chi phí (mpc.gencost)................... 80
B-5 DC dòng dữ liệu (mpc.dcline)...................... . 81
quyền lực C-1 dòng chảy tùy chọn........................... 83
C-2 tổng OPF tùy chọn.......................... 84