Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  No.   3 Septem be r   2020 , pp.  12 8 7 ~ 12 9 7   IS S N:  20 88 - 8694 DOI: 10 .11 591/ ij peds . v 1 1 .i 3 . pp 12 8 7 - 12 9 7           1287       Journ al  h om e page http: // ij pe ds .i aescore.c om   Full ve rsus d ecou pled c onstant ma trices to  sp eed up  power  system stat e esti mation       Merie Majd ou b 1 ,  Bo uchr a Che dd ad i 2 , Om ar Sab ri 3 , Abdelaziz  Bel fqi h 4 , Jam al Bo ukher ouaa 5   1,4,5   La bora tory  o Elec tr ic Sys tems a nd  Ene rgy ,   ENSEM,  Univer sity  Hass an  II   of   Casablanc a, Moroc co   2,3   La bora tory  RI TM,   EST ,   Univ e rsity  Hass an  II   o Casablanc a, Moroc co       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved  J ul  15, 2 019   Re vised Ma r 1 8,   2020   Accepte d Apr  13, 202 0     Thi pap er  pr ese nts  a   per for mance   evalua t ion  of  two  solut ion to  red u ce   com put at ion al  b urde o the  traditi ona l   W ei ght e L ea st   Squar es  Algori thm  for  power   sys tem  st at e   esti m at i on:  Simp li fi ed   me thods   SWLS /   SWLS2   base on   ful consta nt   m at ri c es  and   Fast   de coupl ed   FD WLS   base d   on   dec oupl ed  const ant   m at ri ce s.   Fir st,  the  al gor it h ms  were   t este on  IEE E   14   and  118  bus  trans mi ss ion  sys te ms.  Second ,   the  soluti ons  were   te sted  on  a   rura d istri but io fee d er  to   ev aluate  the  response  of  th al gori th ms  to  high   R/X  ra ti o.   R esul ts  show   th at  fo r   tra nsmiss ion   sys te ms,   FD WL S   is  th f aste st   me thod   but  m ore   sensit ive  t err oneous   m ea surem ent s.   Si mpl ifica ti ons  conside red   in   FD WL S,  are  not   val id   in   distri bu ti on  sys tems  wit high   R/X   rat io  thi resul ts  in  slowing  down  the   al go rit hm  conve rge nce   spee d   co nsidera b ly  co mpa red   to   SWL S2  which  p erf or ms  well.  SW LS2  al gor it hm   pre sents  pro mis ing  soluti on   to   red uce  co mputat ion  t im e   for   app li c at ion   in   future   sm art gri d .   Ke yw or d s :   Decou pled  c on sta nt matrice s   Fu ll  consta nt  matri ces   Power syste sta te  esti mati on   Wei ghte le ast  squar e al gorithm   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in Aut h or :   M eriem   M aj do ub,    Lab or at or y of   Ele ct ric Sy ste ms a nd En e r gy, E NS E M   ENS E M ,  Uni ve rsity  Hassa n I I of  Casa blanc a,    ENS E M ,  El Ja did a R oa d,   km  7,  BP:  81 18, O asi   Ca sa bla nca, M orocc o.   Emai l:  majdou b. me riem @gm ai l.com       1.   INTROD U CTION   Re centl y,   the  powe sy ste is  underg oing  big   c hanges  due  to  the  massi ve  integ rati on  of   ren e wa ble   energ re sourc es  to  tra nsmi ssion   a nd d ist rib ution  syst ems w hic le ad to a  com plex   bi directi on al  pow e fl ow .   This  c onjuctu r incit es  re sea rch e rs  t im prov e   the   s peed  an reli abili ty  of  sta te   est imat ion  al gorit hm s   to   ens ur e a e ff ic ie nt r eal  ti me  monit or i ng of  f utur S mat G rid .   The  weig hte le ast - squares   ( WLS meth od  is  the  most   Sta te   Esti mati on  Algorith us e i c ontrol   centers  al ove the  w orl d.   In  fact,  WL st a te   est imat ion   al gorithm  prov i des  the  best  es ti mati on   qual it an good  c onve r ge nce  rate.   H owe ver,  t he  gain   a nd  Jac ob ia m at rices  nee to   be  recalc ulate each   it erati on  wh ic needs  la r ge   amo un of   c al culat ion bi mem ory  re qu i reme nt  an long  c ompu ti ng   t ime  [1].   On of    the  majo so l ution s p r opos e i li te ratur to  c ircum ve nt  the co m pu ta ti onal  b ur den   is  the F ast - dec oupled  WLS   (F D WL S)  te chn i qu e   based  on  dec ouple c onsta nt  m at rices  [ 1 - 5]  as  use to   s peed  up  loa flo w     cal culat ion   [6 - 8].  T he  fa st - de coupled   f ormu la ti on   ha pr oven  it ef fici enc to   re du ce   co mputat ion   ti m an data  sto rag e   a nd  has   f ound  wide  acce ptan ce  in  the  i ndust ry ,   va rio us   ve rsions  hav e   be en  im plement ed  in   con t ro ce nter s   al over   the   w or l [4].  H owe ver,  the   decou pled   meth od  m ay  fail   to  pro v i de  a   s olu ti on  on  il l - conditi on e syst ems  as  high   R/ rati of  di stribu ti on  br a nch e or  in  pr esence  of  er r oneo us  meas ur e ments.   Ther e f or e,   it   w il be  inte resti ng  t de velo te chn i qu e wh ic e nsure   co mpro mise  between  the   reli a bili ty  of   fu ll  W ei ghte Least   Squa res  Algorith a nd Converge nce  s peed  of f ast   de coupled   W LS an able  t ov e rcome   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele Dr i   S ys t ,   V ol 1 1 , N o.   3 Se ptembe r   2020   :    12 8 7     12 9 7   1288   li mit at ion dis cusse a bove.  A uthors  of  [ 5],  pr opos e t wo  va riants  of  WLS  meth od  with  f ull  c onsta nt  matri ces  (SW LS1   a nd  S WL S2 )   ba sed  on  Dishone st  Ga uss  Ne wton  M e thod  us ed   f o Loa Flo [2,  9 - 11]  t reduce  cal cula ti on   ti me  with ou decou pled   simpli ficat ions.  Th ough  the   pr i nciple  of  t hese  met hods   is  ver popula r, fe st ud ie s a nal ys ed   it s co nver ge nc e p er f ormances  [ 5,  12 - 15] on  Transmi ssio s ys te ms a nd  no  study  app l it   be fore   to   a   distri bu ti on  s ys te m.   T hi arti cl is   the   first  one  e xplo rin t he  pe rformance   of  f ull  ver s us  decou pled  c onsta nt  matri ces   on   distrib ution   s ys te sta te   est imat ion   with  W LS  al gorithm The  rest  o f     the  pa per  is  or gan iz e as  fo ll ow S ect ion   pr ese nts  des cri ptio of  th e   tradit iona we igh te le ast   squares   al gorithm   an the  al te r native   s olu ti ons   to   r edu ce   c omp utati on al   bur den.   T he  al gorith ms  st ud ie are   te ste bo t on  tra ns m issi on   a nd  distrib ution  syst ems,  e mp l oy i ng  accu rate  an e rron e ous  meas ur e ments.   Sim ulati on  resu lt s a re  pr es ented  a nd  disc us se in  Secti on3. T he mai n f ind in gs o the   pap e a re as  foll ow s:   -   Fo Tra ns missi on   Sy ste ms,  F DWLS  based   on   dec oupled  c on sta nt  matri c es  is  the  best  method,  it   is  to   ti mes  faster  than ba sic  W L S  and  requires  hal sto rag e  c ap aci ty.   -   SWL S1   meth od  c on si der i ng  const ant  Jac obia matri on l is  no reli abl an do es   not   represe nts  a ny  adv a ntage  on r edu ci ng com puta ti on  ti me.   -   Fo r   distri bu ti on  s ys te ms,   F D WLS  base on   dec oupled   co nst ant  matri ces  conve rg es   slo wly  a nd  re quir es   high  it er at ion s   numb e w hile  the  SWL S2   al gorithm  e valua ti ng   the  Jac obia an gain  m at rices  on ce  a t   the  flat   sta rt  is   ti mes  faster   tha basic  W LS  with  t he  sa me  reli a bili ty  wh ic make   it   le ss  se ns it ive  to   erron e ous  mea su re ments  a nd   high  R/ rati com par e to  FDWLS.   The r efore,  S WLS pr ese nts  go od   al te rn at ive to  re du ce  comp uta ti on  ti me i f ut ur e  po wer   sy st ems.       2.   WEIGHT ED   LE AS T SQ U AR ES  A L GO RITH MS   2.1.   Basic al go ri thm   The  Net wor model  empl oyed  is  the  sin gl e - phase  m od e with  bus es  and   me asur e ments   gathe red  f rom   rem ote  mete r s.  M ost   c om m on l us e me asur e ments   ar the  li ne   power  fl ow s bu po wer  injec ti on s a nd  bu s  volt age  ma gn it udes .   The  ai of   sta te   est imat or   is  to  pro vid t he  best  possi ble  va lues  of  the  bu volt age  ma gnit ud e an ang le s  by pr oc essing t he  a vai la ble   netw ork   data rec ognizin that t her e  are  erro rs  in  the  m easur e d q uan ti t ie s.   The  sta rting eq uation f or the   WLS  stat e esti mati on  al gorith m is [4,  16 - 18] :       =   ( )   +       (1)     Wh e re: z is t he  ( m x1) mea s urement  vecto r;   is   an   (nx 1)  sta te   ve ct or  t be   est ima te d:  T he  num be of  est imat ed   sta te is  n= 2*N - 1,  since     the b al a nce  ph ase’s is al ready  know ϴ =0 .   e is an  ( m x1)   measu reme nt e rror vect or .   is t he vect or  of no nlinear  f unct ions t hat  rel at e the stat es to  the mea surem ents  def ine d:   Re al  an d R eact ive po wer i nje ct ion  at  bus i:      =   (  +   )   (2)    =   (   +     )   (3)     Re al  an d react i ve powe fl ow  from b us  i t o b us  j:        =  2 (  +  )  (  +  )     (4)    =  2 (  +  )  (   )     (5)     Wh e re:   Vi  is t he vo lt a ge  magnit ude at  bu s  i   θi   is t he ph a se  ang le  at  bus i    =       Gij + jBi j   is t he  ij th element  of the  Y - bus  m at rix   gij +  j bij   is t he  ad mit ta nce  of  the series  bran ch betwee n bus i an d b us  j   gs i +  jbsj   is t he  ad mit ta nce  of the  shu nt bra nch at b us i .   In   pr act ic e,  it   is  require to  ha ve  the  numb e of  meas ur e m ents  la rg e tha num ber   of  sta te s,  this  is  cal le re dunda ncy  [ 19].  S o,   s ta te   est imat or   can  c on si der  the  var i ou s   ope rati on  la youts  us e an t c over  f or  the  una vaila bili ty  of  tran smis sion   a nd  te le m et ering   e quip ment  fail ures  [ 20].   m easu r of   t he  redu ndanc may be  de no te d by the  re dundanc y fact or  ɳ, w hich  is  d e fin ed  as  [21]:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Full vers us   dec oupled  const ant ma tri ces t s pe ed up p ower  s yst em  state e sti ma ti on  ( Meri e M ajdo ub )   1289   =                 = = 2 1   (6)     The me asu rem ent er rors  ei  a r e assume d t o s at isfy  the  foll owin sta ti sti cal  propertie s:    First,  t he  e rrors  ha ve  z er m ean:  E (ei)  =   0,  1,  . ..,  m.   Sec ond,  the   error s   are   ass ume to  b ind e pende nt,  s uch that t he  c ovaria nce m at rix  is  diag onal :     Cov(e)  = E (e,   e T = R =  d ia g { σ 1 2 σ 2 2 , …, σ m 2   (7)     The  s olu ti on  to  the  sta te   est imat ion   pro blem  can  be  f or m ulate as  mi nimiza ti on   of   t he  f ollow i ng   ob je ct ive  fun ct ion :   ( ) = ( ( ) ) 2  = [ ( ) ] 1 [ ( ) ] = 1     (8)     To   fin the   minimi zat ion  of  this   obje ct ive  functi on  t he  de rivati ve   sho uld  be  s et   to  z er o.    The deri vative  of the  obje ct ive fun ct io is  de no te d by g( x) :     ( ) =  ( )  =   ( ) 1 [ ( ) ] = 0   (9)     wh e re:  H(x) =   h(x )/∂ x, ca ll ed  the  meas ur e ment Jac obia n mat rix.   Ign or in the   hi gh e orde te r ms  of  t he  T ay lor   series   e xp a ns io of  t he   de rivati ve   of   th obje ct ive   functi ons  yield s an i te rati ve  s olu ti on as  sho wn b el ow :     + 1     = + [ ( ) ] 1 [ [ ( ) ] [ ] 1 [ ( ) ] ]   (10)     Whe re t he gain  matrix , G, is  de fine as:   ( ) =  ( )  = 1   (11)     Fo t he  first  it erati on  o t he  opti miza ti on   pr ob le m an  i niti al   gu ess h as  to b ma de  f or   th sta te   vecto r   x0  co rr e spo nding   t t he  flat   volt age  pro file or  flat   sta rt A   flat   sta rt  ref e rs  to   sta te   vecto whe re  al   the  vo lt age   ma gn it udes   are   1. per  un it   a nd  al the  volt ag an gles  a re  de gr ee s.  With   res pect  to   the   sta te   vecto r:  the  me asur e ment  f unct ion s,  Jaco bia a nd   gai mat rices  are  cal c ul at ed  each   it erati on   unti the  ab so lute   diff e re nce  between  tw s ucc essive  values   of  is  le ss   tha c ho se toler ance   ɛ WLS   fl ow c ha rt  prese nt ed  in   Figure  1, res ume s the  princi pal steps  of t he  algorit hm.           Figure  1. Ba sic  W L S f l ow c ha rt   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele Dr i   S ys t ,   V ol 1 1 , N o.   3 Se ptembe r   2020   :    12 8 7     12 9 7   1290   2.2.   Simpl ifie d a l gori th m s w i th   f ull  co ns tant  m at ri ces   M ost ly,   it   is  obser ve t hat  t he   el eme nts  of  Jaco bian   an ga in  m at rices  do  not  si gn i f ic antly  c ha nge   betwee flat   st art  init ia li zat io an t he  co nver ge so l utio [ 5].  S o,   t heir  eval uation  c ou l be   restrai ned   t so me   fi rst  it er at ion s   with out  al te rin t he  est imat ion   qua li ty.  Ba sed   on  this  pri nciple   tw meth od s   ha ve   emer ged SWL S1  a nd S WL S 2.     2.2.1.   The first  simp li fied meth od  SWLS1   The   first   sim plifie meth od  ( SWL S1)  cal c ul at es  the  Jaco bi an  matri at   e very   it erati on  bu t   prese rv es   the  gai matri c on sta nt  afte an   it erati on   ch os en   as  pr e sented  i Fi gure  2.  T he  obvi ou s   ad va ntage  of   t his   method is  to  re du ce  the  num be r of  calc ulati ons  of the  gain   matri x.     2.2.2.   The seco nd  si mpli fied met h od   SWLS 2   The  sec ond  me thod  S WLS a dm it that  t he  gain  a nd  the   Ja cob ia mat rices  remai c on st ant  after   an   it erati on   c hosen  as  prese nted  in  Fig ure  [ 5,   13 - 15] .             Figure  2. S WL S1   flo wc har t     Figure  3. S WL S2   flo wc har t       2.3.   Fast dec oupl ed w ei gh t ed le ast sq ua re algorithm  ( F DW LS)   The  pr i nciple   of   Fast  D ecoupled   Stat Esti mati on  Tech niques   consi sts  on   exp l oiti ng    the  act ive/r eac ti ve  decou plin pro per t bas ed  on   fast   dec oup le l oad  fl ow  met hods  [ 2,  9 - 11].  I nde ed,  f or  la rg e   scal e   po wer  s ys te ms   th tra ns missi on  li nes   hav e   a   ve ry  high   X/R   r at io.  In  s uc a   case,  the  real  powe changes  a re  le ss  sensiti ve  to  c hanges  in  volt age  ma gn it ude  and   ca be   ignore d.   Simi la rl y,  the  reacti ve  powe r   change  is  le ss   sensiti ve  to   c hanges  i a ng l es.  M a ki ng   t he se  simpli ficat ion s the  gain  matri in   W L sta te  est imat ion  alg ori thm ca n be  simpli fied  [1 0 - 11]   In   the  dec oupl ed  f ormulat io n,  the  meas ur e ment  vect or   is  portion e in to  two  par ts:   a ct ive  ZA  a nd  reacti ve  ZR c omp on e nts  [2 - 4].     Z= (   )   , Z A = (    )   , Z R   = (   )   (12)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Full vers us   dec oupled  const ant ma tri ces t s pe ed up p ower  s yst em  state e sti ma ti on  ( Meri e M ajdo ub )   1291   Wh e re:   Pinj,  Qinj: are   resp ect ivel y re al  an d react ive   powe injec ti on mea sureme nt s.   Pf lo w,   Q flo w:  are r e sp ect ivel y real  and  react ive po wer flo w   meas ur eme nts .   V: Volt age  me asur e ments .   By the  d e finiti on abo ve  the  J acob ia m at rix  H ,  and c ovaria nce m at rix  R  c an be  wr it te a s:   H= [     ]   , R= [ 0 0 ]   (13)     Ba sed  on   P - ϴ   an Q - dec ouplin g,  the   off - dia gonal  bl ocks     a nd     in   t he   meas ure ment   ja cob ia n H  are   ignore d:     H= [  0 0  ]   (14)      The the  g ai n mat rix  is e xpre ssed  as  foll ow:     G= [  0 0  ]   (15)     Wh e re:    =  1    (16)    =  1    (17)     Seve ral  ve rsions  of   t he  fast - decou pled  sta t est imat or   ha ve  been  pro po sed  in   li te rature  de pendin upon  the   ass umpti ons  a nd  a ppr ox imat io ns  adopted T he  ver si on  rec ogni zed  as  present ing   best  pe rformanc e   has  t he  f ollo wing f eat ur es  [2] :   -   The  Jac ob ia and   gain  matri ces  are  eval ua te on ce,  at   th flat   vo lt age  sta rt:  al V=1   p.u  an ϴ   degrees.   -   The  branc ser ie resist ance s ar ig nore in  f ormin the   el ements of  t he  Ja cob ia H, wh ic is   eq uiv al e nt   to  re placi ng  br anch  s us ce ptan ces  bij  by  -   xij.  Wh e re  xij  i the   reacta nce   of  t he  se ri es  branc betwee bu s  i a nd bus  j.   -   tra nsfo rme meas ur e ment   vect or s   Z A’  an ZR’   are   us e by   di vid in t he  flo w   an injec ti on   measu reme nts  by the c orres pondin cal c ulate d vo lt age  ma gnit ud e .   -   Fo r  bet te co nv erg e nce c ha rac te risti cs, a b l oc se quentia l so luti on   sche me i s u se d w her ei n:      =    (18)   TA= HAA T *RA - 1 * Δ ZA   (19)   ΔZA’= (Z A - hA)/V   (20)     hA is the  v ect or  of  acti ve  mea su re ments  fun c ti on s.     is sol ved an t he update   are  u se i the  RHS of :      =    (21)     Wh ic is t hen  so lve d for  .   TR= HRR T *RR - 1 *ΔZ R   (22)   ΔZR’ =(ZR - hR ) /V   (23)     hR is the  v ect or  of   reacti ve m easur e ments  fu nctions.   Fo r   m ore  deta il s,  ab ou t   ho w   to   cal culat t he  el eme nts   of   the   fast - dec ouple Ja co bian rea de ca ref e to  [2 - 4].  Algorith m step s ar de picte i Fi gure  4:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele Dr i   S ys t ,   V ol 1 1 , N o.   3 Se ptembe r   2020   :    12 8 7     12 9 7   1292       Figure  4.  F DWLS f l ow c ha rt       3.   SIMULATI O N RESULTS   The   obje ct ive   of   this   sect ion  is   to   c ompare   the   perf orma nce  of  t he   Weig hted   Le ast   S qu a res   Algorith ms  de scribe i t he   pre vious  Sec ti on Ba sic   W LS,   S WLS 1,  SWL S2  a nd  FDWLS   in   te rms  of  com pu ta ti on ti me, c onve rg e nc e rate, esti mat ion   qual it a nd num ber o it er at ion s.     3.1.   Descripti on   of  simul ati on s   The  fou al gor it hm hav e   bee te ste on  th r ee  stu dy   cases  IEEE  14,  118  bu s   s ys te ms  a nd  12 - bus   rural distrib ution  s ys te m   un de tw sce nar i os:   I s ce na rio   1,  acc ur at e   mea su re ments   e qual   to  l oad flow r esults   hav e   been  em pl oy e d.  I scena rio   2,  measu re ments   we re  al t ered  by  a   noise   of  10%   to   eva luate   the   res po ns of   the stu died  alg or it hms t o er roneous  meas ur e ments.   Fo r   IE EE  bus  sy ste ms the  ne twork  data  file can  be  dow nlo a ded  f rom  Power  Syst em Test   Ca se   Ar c hiv e  [22].   To  c ompare t he  stat e esti mate  accurac y of  t he  f ollo wing si mu la ti ons,  mea ab so l ute p e rc entage e rror  (MAPE is i ntr oduce as  foll ow [2 3]      = 1   | | × 100% = 1   (24)     Wh e re,   X   is  the  tr ue  value  of  s ys te sta te   ob ta ine from   load  flo resu l ts  and  Xe   is  th est imat ed   sta te . A  s mall er  value of   M A PE in dicat es a  more acc ur at sta te  esti mati on   resu lt .   M A PE V: mea a bsolute  per c entage e sti mati on er ror of  volt age m a gnit ude.   M A PE ϴ: m ea a bsolute  per c entage e sti mati on er ror of  volt age a ng le .   The  sim plifie al gorithms  ha ve  bee te ste for  di ff e ren value  of   t he  it erati on   f r om  wh ic just     the  gain   matri is   c on si der e c onsta nt   S WLS or  t he   gain   an Jac obia matri ces   are  c onsta nt   ( SWL S2 ).  Conver ge nce t olera nce  us ed  i the se test s is:  ɛ=1 0 - 4 for  both  vo lt age  ma gnit ud e  and  volt age a ng le   sta te s.     3.2.   Te st  syste ms    Fo r   al l   te st  cas es,  meas ur eme nts  we re  set   to  ensure  re dund a nc facto >1.   T hey   wer e   cho se of   diff e re nt  typ es   and   unifo rml distri bute th r ough  the  netw ork  to  e nsure  obser va bili ty  [16,   17].   Weig ht   of   al measu reme nts  is assu med  1.     a.   IEEE 1 4 bus s ys te m:   Fo r  IEEE  14  bus s ys te m  test  case, a set  of  41 mea sureme nt s ( η = 1,5) i s c hose as:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Full vers us   dec oupled  const ant ma tri ces t s pe ed up p ower  s yst em  state e sti ma ti on  ( Meri e M ajdo ub )   1293   -   1 vo lt age  ma gnit ud e  at b us 1 .   -   8 real  po wer   i nj ect ion s a nd 8 r eact ive powe i nject ion s  at b use s: 2, 3 , 7, 8,   10, 11,  12, 14.   -   12   real  power  flo a nd   12  reacti ve  po wer  flo on  bran ches:  1 - 2,   2 - 3,  4 - 2,   4 - 7,  4 - 9,  5 - 2,   5 - 4,  5 - 6,     6 - 13, 7 - 9, 11 - 6, 12 - 13.     b.   IEEE 1 18 bus   sy ste m:   set   of 72 m easur e ments   (η  = 3)   is  chose n a f ollow :   -   118 v oltage  m agn it udes  for a ll  b us es .   -   118 real   power i nject ion s  and  118 react ive  powe i nject ion s  for  all   buses.   -   186 real   power flo a nd  186 r eact ive powe r flo f or all  n et work bra nch e s.     c.   12 bus dist ri buti on  s ys te m:   ph ys ic al ly  e xi sti ng   rural  di stribu ti on  Fee der   [24]   is  c onside red.  Fig ure  s hows  t he   sing le - li ne   diag ram  of   t he   sy ste m w he re   node  is  t he  s ub sta ti on.  The  sy ste data  in cl ud in li ne  da ta   and   l oad  dat can   be fo und i n [25 ].           Figure  5. Sin gl e - li ne diag ram of  the  12 - bus  di stribu ti on s ys t em.       set   of 25  me asur e ments  ( η  =1,1)  is ch os e n as f ollo w:    -   1 vo lt age  ma gnit ud e  at b us 1 .   -   1 real  po wer  i nj ect ion  a nd 1 r eact ive powe i nject ion   at  bus 1.   -   11 r eal   powe r f low  a nd  11 r ea ct ive pow e r flo f or all  n et work branc hes .     3.3.   Results  of sc e na ri o 1  (accur at e  mea surem ents)   In  this  sect io n,   WL al go r it hm hav e   be en  te ste with   accu rate  mea su re ments   eq ua to  loa   flo re su lt s.      3.3.1.   Simul at i on  re sults  fo r  IEEE  14 bus sys tem   As  see i Ta bl e 1 :   FDWLS  is  t he  fastest   meth od   even   i num be r   of   it erati ons  is   increase c ompare to  t he  ba sic   WLS.  FDWLS  so l ution cha nges sli gh tl y b ut  pr eci sion remai ns   good.   SWL S1  do es   not  c onve rg e   at   flat   sta rt   ( k=1) for   k= num ber  of  it erati on a nd  c omp utati on  ti me  is   increase c ompare t the  o t her met ho ds . T he  s olu ti on is t he  sa me as Bas ic  W LS .   SWL S2  a pp li e at   flat   sta rt   ( k=1)   co nver ge in   half   ti me  com par e to   t he   basic   WLS   with   good   qu al it y o est i mati on  e ve if   numb e r of i te r at ion require d i s imp or ta nt c ompare t the  o the r met hods.       Table  1.   Per for ma nce e val uation o f WLS  alg or it hms  for IE EE 14  bus s ys t em un der scen ario 1   Alg o rithm   Co m p u tatio n  tim (secon d s)   Iter atio n s n u m b er   MAPE V ( %)   MAPE ϴ ( %)   Bas ic WLS   0 .00 4 5 4 1   4   1 .28   2 .41   SW LS1 (k=1 )   Prog ram  do es n o co n v erge    SW LS1 (k=2 )   0 .00 5 7 5 1   7   1 .28   2 .41   SW LS1 (k=3 )   0 .00 4 1 0 2   4   1 .28   2 .41   SW LS2 (k=1 )   0 .00 2 1 1 3   8   0 .57   0 .87   SW LS2 (k=2 )   0 .00 2 5 5 0   4   1 .33   2 .5   SW LS2 (k=3 )   0 .00 3 5 4 5   4   1 .28   2 .41   FDW LS   0 .00 1 4 1 8   6   0 .34   0 .45       Figure  sho ws  t hat  F D W LS  a nd  S WL S2  ( k=1)  a re  cl os er   to  t he  t ru e   val ue  t han  basic   W LS ,     the same  f ig ur e ap pear a nce  was ob ta i ned f or volt age a ngle .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele Dr i   S ys t ,   V ol 1 1 , N o.   3 Se ptembe r   2020   :    12 8 7     12 9 7   1294       Figure  6. Esti mate d vo lt a ge mag nitud e  (P. U)   by  dif fer e nt W L S alg or it hms f or IE EE  14  bu s     sy ste unde s ce nar i o 1       3.3.2.   Simul at i on  re sults  fo r  IEEE  118 bus  syste m   Accor ding  t Table  2:  he re  al so ,   S WLS do e not  c onve rg e   f or  k= 1.  It  seem t hat  const ant  gain   matri ass ociat ed  t va riable  Jaco bian   ma l ead  t c onve r ge nce  pro blems.   F DWLS  co m pu ta ti on  ti me   i the   lowest.  Th e  all  meth ods  hav e   pro vid e good esti mati on  qual it y.       Table  2.   Per for mance e val uation o f WLS  alg or it hms  for IE EE 11 8 bus s yst em und e sce na rio 1       3.3.3.   Simul at i on  re sults  fo r  12 bu s distribu tio system   As  noti ced  i Table  3,  S W LS1   has  c onve rg e f or  k= because   the  final  sta te   is  too   cl os to     the init ia l st at e (Basic  W L S c onve r ges on l i n 3 iterat io ns ) .   FDWLS   co nv erg e nce  sp ee slo wed  do w c ons ide rab l c ompare to  th oth e al gorithms.     The   so l utio of  F DWLS   is  t he   le ss   accu rate,  an th e p r ogra m r eq uire a h i gh  it erati on   nu mb e (60,5   a ga inst 3  for  the  basic  f ormulat io n).  S WLS (k = 1),  conve rg e i le ss  ti me  an i ts  so luti on  is  accurate  as   th bas ic   WLS  ones.       Table  3.   Per for mance e val uation o f WLS  alg or it hms  for 12  bu s  d ist rib utio s ys te unde r  scena rio 1       Re su lt are  de picte in  Fi gur 7:  the  dif fe re nces  be twee e sti mate volt ages  by  S WL S2(k = 1),  Ba sic   WLS  and t he  tr ue  values  are s s mall  that the ca nnot  be dis ti ng uis he d.     Alg o rithm   Co m p u tatio n  tim (secon d s)   Iter atio n s n u m b er   MAPE V ( %)   MAPE ϴ (% )   Bas ic WLS   0 .18 2 3 4 7   4   1 .79   1 .74   SW LS1 (k=1 )   Prog ram  do es n o co n v erge   SW LS1 (k=2 )   0 .26 5 6 2 9   7   1 .79   1 .74   SW LS1 (k=3 )   0 .15 6 1 2 7   4   1 .79   1 .74   SW LS2 (k=1 )   0 .08 4 7 2 6   10   1 .81   1 .13   SW LS2 (k=2 )   0 .09 8 5 1 8   5   1 .77   1 .72   SW LS2 (k=3 )   0 .13 5 4 9 5   4   1 .79   1 .74   FDW LS   0 .03 7 5 5 8   5   2 .07   1 .1   Alg o rithm   Co m p u tatio n  tim (secon d s)   Iter atio n s n u m b er   MAPE V ( %)   MAPE ϴ   (%)   Bas ic WLS   0 .00 2 2 0 1   3   0 .01   1 .02   SW LS1 (k=1 )   0 .00 3 6 0 1   5   0 .01   1 .02   SW LS1 (k=2 )   0 .00 2 0 2 1   3   0 .01   1 .02   SW LS2 (k=1 )   0 .00 1 5 4 5   5   0 .01   1 .02   SW LS2 (k=2 )   0 .00 1 9 0 6   3   0 .01   1 .02   FDW LS   0 .00 3 8 7 9   6 0 .5   0 .76   1 9 .87   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Full vers us   dec oupled  const ant ma tri ces t s pe ed up p ower  s yst em  state e sti ma ti on  ( Meri e M ajdo ub )   1295       Figure  7. Esti mate d vo lt a ge mag nitud e  (P. U)   by  dif fer e nt W L S alg or it hms f or  12 bus dist rib ution s yst em  unde sce nar i o1       3.4.   Results  of sc e na ri o 2  ( err oneous  meas ure ments )   In   this  sect io n,  measu reme nts   wer al te re by  noise   of  10 to  evaluate  t he  res pons of   the  stud ie al gorithms t e rron e ous  meas ur e ments.     3.4.1.   Simul at i on  re sults  fo r  IEEE  14 bus sys tem   Table  sho ws  that  ba meas ureme nts  al te the  est imat io qual it f or   al WLS  al gorith ms.  S pecial ly ,   FDWLS   w hic pro vi ded  the   l ess  acc ur at e   sol ution .   Howe ve r,   FDWL m et hod  sti ll   con s ta ntly  the   faste st  one.  Fo r  this ca se,  S WLS 1 ha ve  fai le not  on l at   flat  start b ut al so   for  t he  sec ond i te rati on (k =2).   Accor ding  to   Figure  8,  All  WLS   al gorith ms  s olu ti ons  a re  fa from   th true   val ues.  The  FDWLS   curve   is  t he  f urt hest  w hile  B asi W LS   cu r ve  is   the   near e st  one   to   the   t ru e   values   c urve.   T ho s res ul ts  are    the in ver se  of t ho s ob ta ine i sce nar i o 1.       Table  4.   Per for mance e val uation o f WLS  A l gorithms  fo r  IEEE  14 bus sy ste m un der   sce nar i o2   Alg o rithm   Co m p u tatio n  tim (secon d s)   Iter atio n s n u m b er   MAPE V ( %)   MAPE ϴ   ( %)   Bas ic WLS   0 .00 5 8 5 8   5   7 .82   5 .07   SW LS1 (k=1 )   Prog ram  do es n o co n v erge   SW LS1 (k=2 )   Prog ram  do es n o co n v erge   SW LS1 (k=3 )   0 .00 5 2 6 6   5   7 .82   5 .07   SW LS2 (k=1 )   0 .00 2 3 9 1   8   9 .08   7 .32   SW LS2 (k=2 )   0 .00 3 1 2 7   5   7 .3   4 .17   SW LS2 (k=3 )   0 .00 3 5 4 5   4   7 .8   5 .04   FDW LS   0 .00 1 4 5 9   6 .5   9 .6   8 .15           Figure  8. Esti mate d vo lt a ge mag nitud e  (p. u)  by d if fer e nt  WLS  alg or it hms f or IE EE  14  bu s  s ys te unde scenari o2       3.4.2.   Simul at i on  re sults  fo r  IEEE  118 bus  syste m   Re su lt prese nted  i Ta ble  5,  are  le ss   af fected  by  no ise   co mp a red  to   the   pr e vious   case  I EEE  14  bu s   sy ste m,  es peci al ly  for  volt ag ang le   sta te In   fact,  the  set   of   meas urem ents  ch os e f or  this  stu died  m odel ,   pr ese nts  a   hi gh  re dundanc le vel  (η  = 3)  wh i ch  al lo wed  to  t he  WLS   Al gor it hm to   pro vi de  good  est im at ion .   SWL S1 has  conv e r ged f or k = in  m or e  it erati on s  and c omp uting t ime c ompare t the  o t her al gorith ms.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele Dr i   S ys t ,   V ol 1 1 , N o.   3 Se ptembe r   2020   :    12 8 7     12 9 7   1296   Table  5.   Per for mance  Eval uation o f WLS  Al gori thms  for I EEE  118  B us  s ys te unde S cenari o2   Alg o rithm   Co m p u tatio n  tim (secon d s)   Iter atio n s n u m b er   MAPE V ( %)   MAPE ϴ   ( %)   Bas ic WLS   0 .18 4 7 4 7   4   6 .65   0 .99   SW LS1 (k=1 )   Prog ram  do es n o co n v erge   SW LS1 (k=2 )   0 .45 6 2 5 6   14   6 .66   0 .99   SW LS1 (k=3 )   0 .17 0 3 8 8   4   6 .65   0 .99   SW LS2 (k=1 )   0 .08 4 1 3 7   10   7 .27   1 .85   SW LS2 (k=2 )   0 .09 5 1 4 7   5   6 .54   0 .87   SW LS2 (k=3 )   0 .13 0 6 8 4   4   6 .66   0 .99   FDW LS   0 .04 1 3 4 3   5 .5   8 .37   2 .93       3.4.3.   Simul at i on  re sults  fo r  12 bu s distribu tio system   As  noti ced   in   Table  6,  her e   al so   t he  FDW LS  has   co nver ged  sl ow l wi th  high  it erati on  numb e rs.   Wh il e,  SWL S 2(k= 1), c onve rges in  reduce ti me compa re t the  b a sic  WL S, wit the  sa me r el ia bili ty.       Table  6.   Per for mance e val uation o f WLS  alg or it hms  for 12  bu s  d ist rib utio s ys te unde r  scena rio 2   Alg o rithm   Co m p u tatio n  tim (secon d s)   Iter atio n s n u m b er   MAPE V ( %)   MAPE ϴ   ( %)   Bas ic WLS   0 .00 2 9 3 4   4   1 0 .35   9 .07   SW LS1 (k=1 )   0 .00 5 5 3 6     9   1 0 .35   9 .06   SW LS1 (k=2 )   0 .00 2 8 0 1   4   1 0 .35   9 .07   SW LS2 (k=1 )   0 .00 1 6 0 2   6   1 0 .34   9 .08   SW LS2 (k=2 )   0 .00 2 2 0 8   4   1 0 .35   9 .07   FDW LS   0 .00 4 4 0 8   6 8 .5   9 .6   9 .11       4.   DISCU SSI ON    Applie on  tra ns missi on   sy st ems  with   lo R/ rati o,   FDWLS  is  t he  fas te st  WLS  Algo rithm.  It  is  2 - ti mes  faster   than  basic  W LS  e ven  if  c onve r gen ce   re quires  half   to  t wo  it erati ons  more  tha bas ic   WLS   (simp li ficat io ns  ass ume di minish  t he  tr ue  qua dr at ic   conve rg e nce  pro per ti es  of   ba sic   WLS ).   F DWLS  requires  half  s tora ge  capaci t since  off  di agonal  el eme nt of   a nd   matri ces  a r neg le ct e d.   D ia gonal  Jaco bian   el em ents  a re  sim ple an co ntain   only   reacta nce  branc hes.  Howe ver,  a pp li e on  distri bu ti on   syst em   with  hi gh   R/ X   rati o,   F D WL was  t he  slo west  al gorith an re quire hu ge  it era ti on numb e because   assumpti ons c onside red are  b a sed o tra ns mi ssion sy ste fe at ur es  (acti ve/r eact ive d ec oupl ing )   SWL S1   al gori thm  do e no t   co nv e r ge  f or   first  it erati on s.  It  see ms  t hat  co ns ta nt  gain  matri associat ed  to  var ia ble  Jaco bi an  may  le a to  co nv e r gen c pro blems.  S WLS is  not  reli able  an does  not   pr ese nt a ny advanta ges o re du ci ng comp ut at ion  ti me.   SWL S2   al go rithm  ap plied  a first  it erati o ( k=1),  requi res  the  e valua ti on   of  gai a nd   Jac obia matri ces  just  once  w hic re duces  c ompu ta ti on   ti me I ndee d,   S WL S2   ( k= 1)   is  ti mes  f ast er  tha basi WLS   even  it   re quire higher   it er at ion num ber.   S WLS 2(k= 1)  has  t he  sa me  c har act erist ic of  basic  WLS   wh ic make  it   le ss  se ns it ive  to   er roneous  meas ur e ments  a nd  high  R/ rati c ompa red  to  FDWLS   an it   c ould  be   app li ed  in dist r ibu ti on  netw ork  sta te  esti mati on.       5.   CONCL US I O N   This  pa per  has   prese nted   pe rformance   c omparis on  betwee t wo  s olu ti on to   re duce  c omp utati on al   bur den  of  tra di ti on al   Weig hted  Least   Squa re ( WLS Algo rithm:  S olu ti on  base on  f ull  co ns ta nt  m at rices  (simp li fie m et hods   S WL S S WLS 2)  and  S olu ti on  based   on  de coupled   co nst ant  matri ces  (F ast   Decou pled  W LS  F D WLS ).   Algorith ms  ha ve  been  te ste on  th ree  stu dy  cases  IE EE  14,   118  bus   sy ste ms  a nd   12 - bu s   r ur al   distrib utio s ys te m.  For  ea ch  case,  simul at ion wer pe rformed  on  ac cur at a nd  er r on e ous  measu reme nts.     Simulat io re su lt ha ve   show t hat  the   pe rformance   of  F D WLS   al gorithm  de pe nds  on  th e   app li cat io e nvir onment:  a pp li ed  on  tra ns mi ssion  s ys te ms FDWLS   is   the   fastest   W LS   Algorith m.   H oweve r,  on   distri bu ti on   sy ste with  hi gh   R/ rati o,  F DWLS  was  th slow est   a l gor it hm   an requi red   a   hu ge  it er at ion numb e r. The rfor e , FD WLS  is  not s uitable  fo r dist rib ution s ys te m stat e esti mati on .   SWL S2  ( k=1)   is  ti mes  fa ste tha basi WL with  t he  sa me  reli abili ty,  w hic make  it   le ss   sensiti ve  t e rron e ous  meas urements   an hi g R/ X   rati c ompa red  to   F D WLS T he refore S WL S2  a pp l ie at   the  flat   sta rt  presents   good  al te r nativ to  reduce   com pu ta ti on  t ime  in  f utu re   distri bu ti on  sy ste m     sta te  esti mati on .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.