I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.  15 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 26 ,   p p .   1 4 3 9 ~ 1 4 5 7   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v 1 5 . i 3 . p p 1 4 3 9 - 1 4 5 7          1439     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : // ija p e. ia esco r e. co m/   Vo ltag e stability   a na ly sis  of power  trans mis sio n sy stems us ing   multi - in dex  f ra m ewo rk of hybri d  wha le and pa rti cl e swa rm  o ptimiza tion te ch nique       T it us   T er wa s e   Ak o r 1 ,   T heo p hil us   C hu k wudo lue   M a du e m e 2 ,  Chib uik e   P et er   O h a n u 1 , 2 ,   T o l e   S u t i kn o 3 , 4   1 A f r i c a   C e n t r e   of   E x c e l l e n c e   f o r   S u st a i n a b l e   P o w e r   a n d   En e r g y   D e v e l o p me n t   ( A C E - S P ED ) ,   U n i v e r si t y   of   N i g e r i a ,   N su k k a ,   N i g e r i a   2 D e p a r t me n t   of   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   of   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r si t y   of   N i g e r i a ,   N s u k k a ,   N i g e r i a   3 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   I n d u st r i a l   Te c h n o l o g y ,   U n i v e r s i t a s   A h m a d   D a h l a n ,   Y o g y a k a r t a ,   I n d o n e si a   4 Emb e d d e d   S y st e m  a n d   P o w e r   El e c t r o n i c s   R e sea r c h   G r o u p ,   Y o g y a k a r t a ,   I n d o n e s i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   8 ,   2 0 2 5   R ev is ed   J u l 1 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Au g   1 5 ,   2 0 2 6       Th e   p e rsiste n t   in c re a se   in   g rid   c o ll a p se   h a s  n e c e ss it a ted   th e   n e e d   f o r  ro b u st   so lu ti o n s  fo r  sta b il it y .   Hy b r id   wh a le  a n d   p a rti c le  sw a rm   o p ti m iza ti o n   (W APS O)  a lg o r it h m   i n teg ra ted   with   m u lt i - in d e x   sta b il i ty   i n d ice s   (M IS )  h a s   b e e n   a p p li e d   to   e n h a n c e   v o lt a g e   sta b il it y   i n   t h is  p a p e r.   Th e   m e th o d   is   tes ted   o n   th e   Nig e ria  4 8 - b u s,  3 3 0   k V  tran sm issio n   sy ste m   a n d   sim u late d   in   M ATP OWE R  e m b e d d e d   in   M A TL AB.  T h e   WAP S O   a lg o r it h m   is  o p ti m ize d   with   p a ra m e ters   w   =   0 . 4 ,   c ₁   =   1 . 4   a n d   c ₂   =   1 . 5 .   T h e   o u tc o m e   a c h iev e d   9 8 . 8 4 %   re d u c ti o n   in   m e a n   M IS   fro m   0 . 3 9 5 9   to   0 . 0 0 4 8   a n d   a   ro b u st n e ss   in d e x   o f   0 . 0 0 5 1 .   T h is  d e p icts  lo w  v a riab il it y   o f  0 . 0 5 7   a n d   1 0 0 %   su c c e ss   ra te  a c ro ss   fiv e   d y n a m ic  sc e n a rio s  e x p lo re d   su c h   a s  g ra d u a l  l o a d   g r o wth   wi t h   9 8 . 7 9 % ,   su d d e n   sp i k e s  a c h iev e d   9 8 . 8 4 % ,   c y c li c   flu c tu a ti o n s  a t  9 8 . 6 7 % ,   r e n e wa b le  u n c e rtain t y   a t  9 8 . 7 4 % ,   a n d   N - 1   c o n ti n g e n c ies   a t  9 8 . 8 4 %   imp ro v e m e n t ,   re sp e c ti v e ly .   Crit ica l  li n e s,  3 4 - 3 5   a n d   2 4 - 3 3   e x h i b it   m o re   t h a n   9 9 %   M I S   imp ro v e m e n t,   wh il e   we a k   l in e s,  2 1 - 2 2   a n d   2 4 - 4 0   a c h iev e d   8 5 – 8 7 %   e n h a n c e m e n t,   in d ica ti n g   a re a s  fo r  fu rth e r  re in f o rc e m e n t.   Th e   LS I  a n d   F VSI   a re   re d u c e d   to   0 . 0 0 4 8   a n d   0 . 1 4 7 7   sh o win g   5 6 . 7 9 %   imp r o v e m e n t  re sp e c ti v e ly   a s  a g a in st  th e   3 8 . 9 %   M I S   imp r o v e m e n t  o b tai n e d   wit h   t h e   P S O - G A.  Th is   d e m o n stra tes   WAP S O  a s  a   h ig h l y   ro b u st  a n d   a d a p tab le  tec h n iq u e   o ffe rin g   a   sc a lab le so lu ti o n   f o r  e n h a n c in g   g r id   re li a b il it y   u n d e r  d y n a m ic co n d i ti o n s.   K ey w o r d s :   An aly s is   Mu lti - in d ex   f r am ewo r k     Op tim izatio n   T r an s m is s io n   s y s tem   Vo ltag e  s tab ilit y   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   C h ib u ik e  Peter   Oh an u   Af r ica   C en tr e   of   E x ce llen ce   f o r   Su s tain ab le   Po wer   an d   E n er g y   Dev elo p m en t   ( AC E - SP E D)   Un iv er s ity   of   Nig er ia   Nsu k k a,   Nig er ia   E m ail:  ch ib u ik e. o h an u @ u n n . e d u . n g       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  ev alu atio n   o f   v o ltag e  s ta b ilit y   is   am o n g   th e  m o s t  in ter esti n g   s tu d ies  in   th e  d o m ai n   o f   p o we r   s y s tem s .   T h e  co n ce p t  o f   v o lta g e  s tab ilit y   d escr ib es  th e  ca p a city   o f   a  p o wer   s y s tem   to   s u s tain   co n s tan t  v o ltag es   at  ea ch   b u s   af ter   ex p er ien cin g   a  d is r u p tio n   f r o m   a  ce r tain   in itial   o p er atin g   co n d itio n .   T h e  ab ilit y   o f   p o wer   tr an s m is s io n   s y s tem   to   m ain tain   b alan ce   b etwe en   l o ad   d e m an d   an d   s u p p ly   is   a  cr iter io n   f o r   s t ab ilit y   ass es s m en t.   On e  p o s s ib le  in d icato r   o f   th is   i n s tab ilit y   is   th e  g r ad u al  in c r e m en t o r   r ed u ctio n   in   v o ltag es  o f   s o m e   b u s es in   th e   n etwo r k   as  p r esen ted   in   [ 1 ] .   Vo ltag e  in s tab ilit y   ca n   r esu lt  in   ca s ca d e  o u tag es,  lo s s   o f   g e n er ato r   s y n ch r o n is m ,   o r   lo ca lized   lo ad   lo s s .   I t  ca n   also   ca u s e  tr an s m is s io n   lin es  a n d   o th er   n etwo r k   co m p o n en ts   to   tr ip   d u e  to   s af ety   m ec h an is m s ,   as  s tated   in   [ 2 ] .   I n   o r d er   to   p lan   f o r   an d   p r e d ict  v o ltag e  co llap s e,   e n g in ee r s   r el y   h ea v ily   o n   v o ltag e   s tab ilit y   an aly s is   as  en u m er at ed   in   [ 3 ] .   Var io u s   s tr ateg ies  ca n   b e   ap p lied   to   tac k le  v o ltag e  in s tab ilit y   an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  15 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 26 :  1 4 3 9 - 1 4 5 7   1440   co n tin g en cies  o n   th e  p o wer   tr an s m is s io n   s y s tem .   Stab ilit y   i s   a  cr itical  f ac to r   in   en s u r in g   th e  r eliab ilit y   o f   a  p o wer   s y s tem   d u r in g   o u ta g es,  as  em p h asized   in   [ 4 ] .   Po wer   s y s tem   s tab ilit y   r em ain s   a  k ey   r esear ch   ar ea   in   elec tr ical  en g in ee r in g ,   with   v o ltag e  s tab ilit y   an aly s is   as  th e  m ain   in d icato r .   Giv en   th e   in c r ea s in g   d em an d   f o r   elec tr icity ,   m ain tain in g   a  r eliab le  p o wer   in f r astru ctu r e  is   ess en tial.  T h e  Nig e r ian   elec tr ical  g r id   f ac es  m u ltip l e   ch allen g es,  in clu d in g   s ab o tag e,   lo n g   tr an s m is s io n   lin es,  in ad eq u ate  wh ee lin g   p o wer ,   f r e q u en t  g r id   f ailu r es,   v an d alis m ,   o u t d ated   in f r astru c tu r e,   f u el  s h o r tag es,  in s u f f icie n t in v estme n t,  an d   wea k   d is tr i b u tio n   n etwo r k .   Sev er al  r esear ch er s   h av e  d is cu s s ed   in s tab ilit y   an d   co n tin g en cies  in   p o wer   tr an s m is s io n   n etwo r k   h o wev er ,   th e r e  ar e  m an y   s h o r t f alls   d esp ite  n u m er o u s   s o lu tio n s .   Fo r   in s tan ce ,   au th o r s   in   [ 5 ]   r ep o r ted   5 7 3   p a r tial  an d   to tal  g r id   f ailu r es  in   Nig er ia  b etwe en   2 0 0 0   an d   2 0 2 2 .   Ad d itio n ally ,   t h e  wo r k   in   [ 6 ]   d o c u m en ted   th r ee   f ailu r es  in   2 0 2 3 ,   wh ile  th e  s tu d y   in   [ 7 ]   r ec o r d ed   f i v e  co llap s es  in   2 0 2 4 ,   co n s is tin g   o f   o n e   p ar tial  f ailu r e  an d   f o u r   to tal  b r ea k d o wn s .   Data   f r o m   th e  tr an s m is s io n   co m p an y   o f   n ig er ia  ( T C N) ,   an   in d e p en d en t  s y s tem   o p er ato r   [ 8 ]   f u r th er   r e v ea led   s ev en   s y s tem   co llap s es,  b r in g in g   t h e  to tal  f ailu r es  in   2 0 2 4   to   twelv e  an d   th e  cu m u lativ e  f ailu r es  b etwe en   2 0 0 0   an d   2 0 2 4   to   5 8 8 .   T wo   s y s tem   co llap s e   ev en ts   o cc u r r ed   i n   2 0 2 5   an d   a n   ad d itio n al   two   in   J an u ar y   2 0 2 6 ,   r esu ltin g   in   a  t o tal  o f   5 9 2   r ec o r d ed   in ci d en t s   o v er   th e  p ast  2 7   y ea r s   as  r ep o r ted   b y   Nig er ian   I n d ep e n d en t  Sy s tem   O p er ato r .   T h e  f r eq u e n t  g r id   f ailu r es  a r e  d u e   to   m u ltip le  ca u s es;  in clu d in g   g en er atio n   lo s s es,  tr an s m is s io n   lin e  an d   tr an s f o r m er   o v e r lo ad s .   I s s u es  li k e  h ig h   v o ltag es,  ca s c ad in g   f a u lts ,   h ig h - f r eq u e n cy   d ev iatio n ,   a  wea k   g r i d   n etwo r k ,   in f r astru ctu r e  lim itatio n s ,   p r o tectiv e  d e v ice  m alf u n ctio n s ,   n atu r al  d is aster s   s u ch   as  f lo o d in g ,   an d   in ten tio n al  s ab o tag e  a r e  h ig h lig h ted   in   [ 6 ] ,  [ 8 ] – [ 1 1 ] .   I f   we  wan t  to   ac h iev e  lo n g - ter m   ec o n o m ic  ad v an ce m e n t  an d   e n er g y   s ec u r ity ,   s u b s tan tial  in v estme n ts   in   p o wer   in f r astru ct u r e  ar e  n ec ess ar y   to   en h an ce   g r id   s tab ilit y   an d   r eliab ilit y .   T ab le  1   p r esen ts   a  2 5 - y ea r   s u m m ar y   o f   g r id   f ailu r es with   to tal  b lack o u ts   su r p ass in g   p ar tial b r ea k d o wn s ,   u n d er s co r in g   th e   b r o ad er   ec o n o m ic  im p licatio n s   o f   th e   co u n tr y ’ s   en e r g y   cr is is   [ 5 ] – [ 9 ] .   T h e  r ec u r r in g   g r id   c o llap s e  im p o s e   s ig n if ican t  ec o n o m ic  co s ts .   T h e  W o r ld   B an k   esti m ates  th at  u n r eliab le  elec tr icity   s u p p ly   r ed u ce s   Nig er ia’ s   GDP  b y   5 %   to   7 %   an n u ally ,   th is   is   e q u iv alen t  to   a b o u t   7 – 1 0   tr illi o n   n air a  ( US$ 2 5   b illi o n )   lo s s   in   p r o d u ctiv ity   an d   in v es tm en t   [ 1 2 ] .   Similar ly ,   th e  Af r ican   Dev elo p m en t   B an k   ( ADP)   r ep o r ted   th at  th e   co u n tr y   lo s es  r o u g h ly   US$ 2 9   b illi o n   ea ch   y ea r   o r   a b o u t  5 . 8 %  o f   GDP  d u e  to   in ad eq u ate  an d   u n s tab le  p o wer   s u p p ly   [ 1 3 ] .   E ac h   b lac k o u t  ca n   co s t  th e  ec o n o m y   o v er   US$ 1 0 0   m illi o n   p er   d a y ;   d is r u p tin g   m an u f ac tu r in g ,   telec o m m u n icatio n s ,   an d   f in an ci al  s er v ices.  T h ese  im p ac ts   r e v ea l  th e  u r g en cy   o f   s tr en g th en in g   v o ltag e  s tab ilit y   to   en h a n ce   b o t h   en er g y   r eliab ilit y   an d   n atio n al  ec o n o m ic  r e s ilien ce .       T ab le  1 .   Nig er ia n   g r id   co llap s e  f o r   th e   p er io d   o f   y ea r   2 0 0 0 – 2026   S / N   Y e a r   To t a l   b l a c k o u t   P a r t i a l   b l a c k o u t   To t a l   S / n   Y e a r   To t a l   b l a c k o u t   P a r t i a l   b l a c k o u t   To t a l   1   2 0 0 0   5   6   11   15   2 0 1 4   9   4   13   2   2 0 0 1   14   5   19   16   2 0 1 5   6   4   10   3   2 0 0 2   9   32   41   17   2 0 1 6   22   6   28   4   2 0 0 3   14   39   53   18   2 0 1 7   15   9   24   5   2 0 0 4   22   30   52   19   2 0 1 8   12   1   13   6   2 0 0 5   21   15   36   20   2 0 1 9   7   4   10   7   2 0 0 6   20   10   30   21   2 0 2 0   3   1   4   8   2 0 0 7   18   8   26   22   2 0 2 1   2   2   4   9   2 0 0 8   26   16   42   23   2 0 2 2   6   2   8   10   2 0 0 9   19   20   39   24   2 0 2 3   2   1   3   11   2 0 1 0   22   20   42   25   2 0 2 4   10   2   12   12   2 0 1 1   13   6   19   26   2 0 2 5   2   0   2   13   2 0 1 2   16   8   24   27   2 0 2 6   2   0   2   14   2 0 1 3   22   2   24     To t a l   3 3 9   2 5 3   5 9 2       2.   SUM M ARY  O F   R E VI E W E D  L I T E R AT U RE   T h e  s tu d y   in   [ 1 4 ]   r ep o r te d   th e   o cc u r r e n ce s   o f   v o ltag e  co llap s e  b etwe en   2 0 0 0   a n d   2 0 1 7 ;  h o wev er ,   it  d id   n o t  p er f o r m   an y   an aly tica l  in v esti g atio n   to   p r o p o s e  s o l u tio n s   to   th e  id en tifie d   p r o b le m s .   W h ile  s tu d y   in   [ 1 5 ]   illu s tr ated   th e  u s e  o f   r ea ctiv e  p o wer   co m p e n s atio n   to   ad d r ess   v o ltag e  in s tab ilit y   b u t  f ailed   to   ad d r ess   d y n am ic  d is tu r b a n ce   v ar iatio n .   T h e  r e p o r t   in   [ 1 6 ]   ev alu ate d   a  m o d er n   v o ltag e  s tab ilit y   in d ex   f o r   p r ed ictin g   v o ltag e  co llap s e  an d   id e n tify i n g   wea k   b u s es  an d   cr itical  lin es.  T h is   p r o v es  th at  th er e  ar e  ef f ec tiv e  in d ices  b u t  th e  r esu lts   lack s   an   o p tim izati o n   tech n iq u es  in te g r atio n .   T o   en h an ce   p o wer   q u ality   [ 1 7 ] ,  [ 1 8 ]   a p p lied   a  g l o w - wo r m   s war m   o p tim izer ,   y et  f u r th er   o p tim izatio n   an d   m u lti - in d ex   ap p r o ac h es  r em ain   u n ex p lo r ed .   Stu d y   in   [ 1 9 ]   p r o p o s ed   a  r elay - b ased   lo ca l  in d ex   ad d r ess in g   b o th   v o ltag e  s tab ilit y   an d   lin e  p r o t ec tio n ,   ef f ec tiv ely   d is tin g u is h in g   b etwe en   s tab l e  an d   u n s tab le  ca s es  d u r in g   d is tu r b a n ce s .   R esear ch er s   in   [ 2 0 ]   em p lo y e d   Mo d al/E ig en v alu e   an aly s is   to   ass ess   Nig er ian   p o wer   s y s tem   s tab ilit y .   C o n tr astl y ,   [ 2 1 ]   v alid ated   a  q u ad r atic   ap p r o x im atio n   f o r   lo ad   m a r g i n   esti m atio n ,   p r o p o s in g   p o wer   f lo w  eq u atio n   m o d if icatio n s   to   id en tify   cr itical   co n tin g en cies,  th o u g h   r an k in g s   r em ain ed   im p r ec is e.   Ar ticl e  in   [ 2 2 ]   im p r o v e d   d is tr ib u ti o n   n etwo r k   v o ltag e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       V o lta g e  s ta b ilit y  a n a lysi s   o f p o w er tr a n s mi s s io n   s yste ms u s i n g   mu lti - in d ex   …   ( Tit u s   Ter w a s e  A ko r )   1441   s tab ilit y   b y   tu n in g   a  v o ltag e  s tab ilit y   in d ex   u s in g   th e  f ast  v o ltag e  s tab ilit y   in d icato r   an d   s im u lated   an n ea lin g   o p tim izatio n .   B ad r u d ee n   et  a l.   [ 2 3 ]   in tr o d u ce d   a   n o v el  v o lta g e  s tab ilit y   p o in ter   ( NVSP)  tr ain ed   with   SVM  an d   th e  m ed iu m   Ga u s s ian   k er n el   class if icatio n   to o lb o x   ( m G k C T )   in   MA T L AB ,   ef f ec tiv el y   d is tin g u is h in g   s tab le  an d   u n s tab le  lin es.  Stu d ies   in   [ 2 4 ] ,  [ 2 5 ]   an al y ze d   v o ltag e   s tab ilit y   in d ices  to   id e n tify   wea k   b u s es  an d   em p lo y ed   PS O  to   m itig ate  p o wer   lo s s es.  Ho wev er ,   th e   s tu d ies   in   [ 2 6 ] ,  [ 2 7 ]   r elied   o n   a  s in g le   s tab ilit y   in d ex ,   d esp ite  m u lti - in d ex   a p p r o ac h es o f f e r i n g   g r ea te r   ac cu r ac y ,   s en s itiv ity ,   an d   ad ap tab ilit y .     2 . 1 .     St a t em ent   o f   pro blem s   a nd   re s ea rc h c o ntr ibu t io ns   T h e  p r o b lem s   id en tifie d   i n   th i s   r esear ch   af ter   an   e x ten s iv e  liter atu r e  r ev iew  in d icate   th e  f o l lo win g :   ˗   T r ad itio n al  s tatic  s tab ilit y   in d ices  lik e  lin e  s tab ilit y   in d ex   ( L SI) ,   v o ltag e  s tab ilit y   in d e x   ( VSI ) ,   lo ad in g   m ar g in   ( L M) ,   FVSI  o f te n   f ail  to   ac co u n t   f o r   r ea l - tim e  d y n a m ic  v ar iatio n s   s u ch   as  l o ad   g r o wth ,   r en ewa b le  en er g y   f lu ctu atio n s ,   N - 1   co n tin g en cies,  o r   s u d d en   s p ik es.   ˗   C o n v en tio n al  s tatic  o p tim izatio n   ap p r o ac h es  s u c h   as  d eter m in is tic  MI S  m in im izatio n   ex h ib it  o v er - o p tim is m ,   p r o d u cin g   s o l u tio n s   th at  d eg r ad e  u n d e r   d is tu r b a n c es  an d   r esu lt  in   h ig h   v ar iab ilit y   ( co ef f icien t  o f   v ar iatio n ,   C V)   in   s tab ilit y   m ar g in s   with   lim ited   ad ap ta b ilit y .   W h ile  h y b r id   m etah eu r is tics   lik e  W APSO  i s   ef f ec tiv e   f o r   m u lti - d im en s io n al  p r o b lem s   s u ch   as  r ea ctiv e   p o wer   s ca lin g   ac r o s s   lar g e   n etwo r k s ,   th eir   ef f ec tiv en ess   r em ain s   h ig h ly   s en s itiv e  to   p ar am eter   s ettin g s ,   p ar ticu lar ly   th e  in er tia  wei g h t  ( w)   an d   t h e  co g n itiv e/so cial  co ef f icien ts   ( c ₁,   c₂) .   T h e  af o r m en tio n ed   p r o b lem s   f o r m ed   t h e  g a p s   in   th is   p a p er ,   th er ef o r e ,   th e   m ain   o b jectiv e  o f   th is   p ap er   is   to   f ill  th is   g ap   b y   ex p lo r in g   v o ltag e  s tab ilit y   an aly s is   th r o u g h   th e   i n teg r ati o n   o f   h y b r i d   wh ale  an d   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   alg o r ith m s   with   m u lti - in d ex   in d ices  ( f ast  v o ltag e  s tab ilit y   in d ex   an d   lin e  s tab ilit y   in d ex )  to   en h an ce   n etwo r k   s tab ilit y   u n d er   r ea l - tim e  d y n am ic  v ar i atio n s .   T h is   p ap er   d e m o n s tr at es  th at  th e  p r o p o s ed   W AP SO  ap p r o ac h   d eliv e r s   m o r e  r eliab le  an d   s ca lab le  s tab ilit y   im p r o v em en ts   th an   th e  PS O - GA  m eth o d ,   o win g   to   its   s u p er io r   r o b u s tn ess   u n d e r   d y n am ic  co n d itio n s ,   r e d u ce d   p ar am eter   s en s itiv ity ,   an d   e n h an ce d   a d ap tab ilit y   to   r ea l - ti m e  d is tu r b a n ce s .   T h e  m ain   co n tr ib u tio n s   o f   th is   r esear ch   ar e  s u m m a r ized   as f o llo w s :   ˗   Mu ltip le  s ce n ar io   d y n am ic  ev alu atio n :  T h is   s tu d y   d e v elo p ed   f iv e  r ea lis tic  o p er atin g   s ce n ar io s   in clu d in g   g r ad u al  g r o wth ,   s u d d e n   d e m an d   s p ik es,  cy clic  lo ad   f l u ctu atio n s ,   r en ewa b le  u n ce r t ain ty ,   an d   N - 1  co n tin g en cies to   test   MI S p e r f o r m an ce   u n d er   d iv er s e  c o n d iti o n s .   B y   ap p ly in g   th e   W APSO  f r am ewo r k ,   th e   ap p r o ac h   e n s u r es  r esil ien ce ,   a ch iev in g   lo w  v ar iab ilit y   ( C V  <  0 . 1 )   a n d   h ig h   r eliab ilit y   ( s u cc ess   r ate  >  9 0 %).   ˗   C o m p r eh en s iv e  s en s itiv ity   a n aly s is :  T h e  s tu d y   s y s tem atica lly   ev alu ate d   2 7   p ar a m eter   c o m b in atio n s   o f   in er tia  weig h t  ( w)   an d   co g n iti v e/so cial  co ef f icien ts   ( c₁,   c₂)   ac r o s s   3 0   in d ep en d e n t  r u n s .   A  r o b u s tn ess   in d ex ,   d ef in ed   as  μ   ×  ( 1   +   C V) ,   is   u s ed   to   id e n tify   t h e  m o s t  s tab le  p ar am eter   s et  ( lo we r   v alu es  i n d icate   s tr o n g er   p er f o r m an ce ) ,   th er eb y   ad d r ess in g   th e  co m m o n   g ap   i n   p ar am eter   tu n in g   f o r   m etah eu r is tic  a lg o r ith m s .   ˗   Re - o p tim izatio n   f o r   a d ap tab ili ty :  Simu lates  r ea l - tim e  co r r ec tiv e  ac tio n s   with   a  +3 0 %  Qᵣₑ  d is tu r b an ce   an d   2 0   r e - o p tim izatio n   r u n s ,   en s u r in g   <5 %  p er f o r m an ce   d eg r ad atio n .   I t   d em o n s tr ates  ~2 0 – 3 0 %  p er - lin e  M I S  im p r o v em e n t  th r o u g h   a v er ag e d   r esu lts   an d   in ter p r etab le  v is u aliza tio n s   ( h ea tm ap s ,   b o x p lo ts ) ,   ad d r ess in g   th e   lack   o f   s ce n ar io - r o b u s t m etr ic s .     2 . 2 .     P a per  o rg a niza t io n   T h is   p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo ws:   Sectio n   1   in tr o d u ce d   th e  r esear ch   to p ic  a n d   d is cu s s ed   th e   b ac k g r o u n d   at  wh ich   th e  s tu d y   is   b ased .   Sectio n   2   p r esen ted   an   ex ten s iv e  liter atu r e  r ev ie w  th at  h elp ed   in   th e   in d en tific tio n   o f   g a p s   wh ile  s ec tio n   3   p r esen ts   th e   m eth o d o lo g y ,   in clu d in g   t h e  f o r m u l atio n   o f   MI S,  th e   d ef in itio n   o f   d y n am ic  s ce n ar i o s ,   th e  W APSO  alg o r ith m ,   an d   I PF C   m o d elin g .   Sectio n   4   d is cu s s ed   th e  r esu lts ,   co v er in g   v o ltag e   p r o f ile  im p r o v em e n ts ,   MI S  r ed u ctio n s ,   s ce n ar io - b ased   p er f o r m an ce ,   an d   co m p a r ativ e   ev alu atio n   with   PS O - GA.   Fin ally ,   s ec tio n   5   s u m m ar ized   al l  th e  f in d in g s   an d   r ec o m m en d atio n   s o m e  f u t u r e   r esear ch   d ir ec tio n s .       3.   M AT E R I AL S AN D  M E T H O DS   T h is   r esear ch   u tili ze d   t h e  L SI  an d   th e   f ast v o ltag e   s tab ilit y   in d ex   ( FVSI)   as m u ltip le  s tab il ity   in d ices.   E ac h   in d ex   was  m o d ele d   in d iv id u ally   b ef o r e  c o m b in i n g   th em   in to   a  co m p o s ite  s tab ilit y   m ea s u r e.   W ith   r ef er en ce   to   th e  lin e  s tab ilit y   in d ex   s u g g ested   in   [ 2 3 ] ,   Fig u r e   1   illu s tr ates  a  s ch em atic  o f   a  2 - b u s   n etwo r k   m o d el.   All  p ar am eter s   an d   v ar iab les  ar e  ex p r ess ed   in   p er - u n it  v a lu es.  T h e  p r o b lem   f o r m u latio n   o f   L SI   is   f u r th er   d etailed   in   [ 2 8 ] .   T h e   p ar am eter s   o f   Fig u r e   1   ar e  s tated   as f o llo ws:   T h e  lin e  im p ed an ce   is   g iv e n   b y :  Z L   =  R L   +  jX L .      =  +  =   ∗   ( 1 )     W h er e,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  15 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 26 :  1 4 3 9 - 1 4 5 7   1442    ∗ = ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ =  ∠  −    ∠  ∠   ( 2 )     Su b s titu tin g   in   ( 2 )   in to   ( 1 )   we  h av e   ( 3 ) .      =  ∠  [  ∠  −    ∠  ∠ ] = |  | |  | | | ∠ ( +  −  ) − |  | 2 | | ∠   ( 3 )     Af ter   ap p r o p r iate  m ath e m atica l e v alu atio n ,   we  h av e   ( 4 ) .     1 − 4  |  | 2  2 ( − ) ≥ 0   ( 4 )     Hen ce ,   th e  lin e  s tab ilit y   in d e x   will b e  ( 5 ) .     ℎ = 4  |  | 2  2 ( − ) , ≤ 1   ( 5 )     F o r m u l a t i o n   o f   t h e   F VS I   a s   p r o p o s e d   i n   [ 2 4 ] :   A l s o   c o n s i d e r i n g   F i g u r e   1   a n d   d e r i v i n g   f r o m   t h e   O h m ’ s   l a w   i n   ( 6 ) .     =    ( 6 )     T h e  ac tu al  cu r r en t,     is   ex p r ess ed   as  ( 7 ) .      =   ( 7 )     Usi n g   ( 1 )   an d   ( 2 ) ,   we  h a v e   ( 8 ) .     = =  =  ∠  −  ∠  ∠   ( 8 )     An d   th e  r ec eiv i n g   en d   cu r r en t  is   g iv en   b y   ( 9 ) .      = (   ) ∗ =  −   ∠ −    ( 9 )     Su b s titu tin g   ( 8 )   in t o   ( 9 ) ,   we  h av e  ( 1 0 ) .      ∠  −  ∠  +  =  −   ∠ −    ( 1 0 )     B y   ev alu atin g   ( 1 1 ) .     4  ( 2 ) (     −     ) 2 ≤ 1   ( 1 1 )     B y   ass u m p tio n ,   if   → 0 ,  → 0   an d    → 1 .   T h e n ,   ( 1 2 ) .     4  2 2  2 ≤ 1   ( 1 2 )     Hen ce ,   th e  FVSI  ca n   b e  wr itte n   as ( 1 3 ) .      = 4  2  2 ≤ 1   ( 1 3 )     B r in g in g   ( 5 )   an d   ( 1 3 )   to g et h er   y ield s   th e  m u lti - in d e x   s tab ilit y   in d ices ( MI S)  as sh o wn   i n   ( 1 4 ) .     = 4  |  | 2 [ ( | | ) 2 −  2 ( − ) ( − 1 ) ] ≤ 1         = { − 1 ,   < 0 ,   ≥   ( 1 4 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       V o lta g e  s ta b ilit y  a n a lysi s   o f p o w er tr a n s mi s s io n   s yste ms u s i n g   mu lti - in d ex   …   ( Tit u s   Ter w a s e  A ko r )   1443   W h er e     is   th e  m o d i f ier   an d     is   th e  th r esh o ld   v alu e.   T h e   ( 1 4 )   u s es  a  s witch in g   f u n ctio n ,   σ ,   to   d eter m in e  v o ltag e  co llap s e  p r o x im ity   an d   co m p ar es  ea ch   r esu lt  to   a  th r e s h o ld   v alu e.   T h e  f u n ctio n   σ   f o r   s witch in g   is   b ased   o n   th e  in s ig n if ican t  f lu ctu atio n   in   an g le,   δ,  wh ich   in d icate s   a  s ev er ely   lo ad ed   p o wer   s y s tem   g r id .   A  co n s id er ab le   an g le  v ar iatio n   in d icate s   h ig h   p o wer   f lo w  o r   r esis tan ce .   Stab ilit y   is   m ain tain ed   wh en   MI S  is   les s   th an   1 ,   b u t  as   it  ap p r o ac h es  1 ,   in s tab ilit y   ar is es,  r esu ltin g   in   v o ltag e  co llap s e  as  en u m er ated   b y   [ 2 8 ] .  A  s u m m ar y   o f   k ey   eq u atio n s   is   s h o wn   i n   T a b le  2 .   T h e  p a r am eter   σ   c h ar ac ter izes  th e  d o m in an t   in s tab ilit y   m ec h a n is m   as  th e   s y s tem   ap p r o ac h es  v o ltag e  co llap s e.   At  lo w  lo ad s   ( σ ≈ 0 ) ,   in s tab ilit y   is   r ea ctiv e - p o wer - lim ited ,   w h er ea s   at  h ig h   lo a d s   ( σ ≈ 1 ) ,   it  b ec o m es  a n g le - lim ite d ,   am p lify in g   p o wer   s win g s   an d   r is k in g   s y n ch r o n is m   lo s s .   Fo r   th e  Nig er ian   g r i d ,   h ig h   σ   v alu es  u n d er   p ea k   d em an d   h ig h lig h t  s tr ess ed   o p er atin g   c o n d itio n s ,   u n d er s co r in g   t h e  n ee d   f o r   r ein f o r ce m e n ts   s u ch   as  FAC T S  d ev ices  to   p r ev e n t  ca s ca d in g   o u tag es.   T h e  th r esh o ld   an g l e  ( )   d ef in es  th e  cr itical  s tab ilit y   m ar g in   in   th e  s witch in g   f u n ctio n   σ ( δ) ,   m a r k in g   th e  p o in t  wh er e  t h e  MI S  s h if ts   b etwe en   L SI -   an d   FVSI - d o m in an ce .   I n   tr an s m is s io n   s y s tem s ,   ac tiv e  p o wer   tr an s f er   ≈ (   ) s in ( )   r ea ch es  its   m ax im u m ,   b ey o n d   wh ich   = 90   s tab ilit y   d eter io r ates.           Fig u r e  1 .   A  tr a n s m is s io n   n etwo r k   m o d el  o f   a  2 - b u s   s y s tem       T ab le  2 .   A  s u m m a r y   o f   k e y   eq u atio n s   I n d e x   Eq u a t i o n   C o n d i t i o n   LSI   4  |  | 2  2 ( − ) , ≤ 1   -   F V S I   4  2  2 ≤ 1     M S I   4  |  | 2 [ ( | | ) 2 −  2 ( − ) ( − 1 ) ] ≤ 1   = { − 1 ,   < 0 ,   ≥ ,    i s t h e   m o d i f i e r   a n d     i s t h e   t h r e s h o l d   v a l u e .       Pra ctica lly ,    is   s et  at  o r   s lig h tl y   b elo w  th is   v alu e  ( ty p ically   8 0 ° – 8 5 °)  to   p r o v i d e  a  s af ety   m ar g in .   I t   d is tin g u is h es  s ec u r e  o p e r atio n   ( < )   f r o m   s tr ess ed   o r   em er g e n cy   co n d itio n s   ( > ) ,   wh er e  s m a ll   d is tu r b an ce s   ca n   tr ig g er   v o ltag e  co llap s e.   I t  is   im p o r tan t   to   n o te  th at  t h e  ass u m p tio n   δ→0   is   in tr o d u ce d   o n ly   as   a  m ath em atica l simp lific atio n   d u r in g   th e   d er iv atio n   o f   th e   FVSI  f o r m u latio n .  I n   r ea l tr an s m is s io n   s y s tem s ,   th e  p o wer   an g le  d if f er en ce   is   s m all  b u t  n o n - ze r o ,   ty p ically   r an g in g   f r o m   5 °  to   3 0 °  u n d er   n o r m al  o p er atin g   co n d itio n s .   T h e r ef o r e ,   th is   ap p r o x im atio n   d o es  n o t  im p ly   ze r o   p o wer   tr an s f er ;  r at h er ,   it  s im p lifie s   th e  an aly tical  ex p r ess io n   wh ile  p r eser v i n g   th e  p r ac tical  o p er atin g   ch a r ac ter is tics   o f   th e  s y s tem .   Fu r th er m o r e ,   alth o u g h   th e   m ax im u m   th eo r etica l  p o wer   tr an s f er   o cc u r s   at  δ   =   90 o ,   p r ac tical  tr an s m is s io n   s y s tem s   o p er ate  at  s ig n if ican tly   s m aller   p o wer   an g les  ( ty p ically   5 ° – 4 0 °)   to   m ain tain   s u f f icien t  s tab ilit y   m ar g in s   an d   p r e v en t   in s tab ilit y .   C o n s eq u en tly ,   δ =9 0 o   r e p r esen ts   o n ly   th e  th e o r etica l  s tead y - s tate  s tab ilit y   lim it ,   r ath er   th an   an   a ctu al  o p er atin g   co n d itio n .   L o a d   f lo w  an al y s is   is   ap p lied   to   d eter m in e  th e  s tead y - s tate  s o lu tio n   o f   a   p ar tic u lar   p o wer   s y s tem .   I t  p r o v id es  an   in itial  ass ess m en t  o f   th e   p o w er   s y s tem ,   wh ic h   is   n o n lin ea r   d u e  to   th e  d y n am ic  r elatio n s h ip   b etwe en   lo ad ,   v o lt ag e  m ag n itu d e ,   an d   cir cu it im p ed an ce .   Sin ce   it is   a  n o n - lin ea r   p r o b lem ,   it  h as  to   b e  s o lv ed   iter ativ ely .   T h e  m eth o d   h as  a  b etter   co n v er g e n ce   r ate  th an   o th er   m eth o d s   o f   l o ad   f l o w  s o lu tio n   as st ated   in   [ 2 5 ] .   T h e  lo ad   f lo w  f o r m u latio n   is   g iv en   b y   ( 1 5 )   an d   ( 1 6 ) .     ℎ = ∑ | ℎ | | | | ℎ |  ( ℎ − ℎ + ) = 1 ≠ ℎ   ( 1 5 )     ℎ = − ∑ | ℎ | | | | ℎ |  ( ℎ − ℎ + )     = 1 ≠ ℎ   ( 1 6 )     T h e   ( 1 5 )   an d   ( 1 6 )   f o r m   a  s et  o f   n o n - lin ea r   alg e b r aic  eq u ati o n s .   B y   ap p ly in g   a  T a y lo r   s er ies  ex p an s io n   a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  15 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 26 :  1 4 3 9 - 1 4 5 7   1444   n eg lectin g   h i g h er - o r d e r   ter m s ,   th e  s y s tem   ca n   b e  lin ea r ize d ,   r esu ltin g   i n   th e  J ac o b ian   m atr ix   f o r m u latio n ,   wh ich   d escr ib es th e  in ter ac tio n   b etwe en   v o ltag e  m ag n itu d e,   v o ltag e  an g le,   an d   ac tiv e  an d   r ea ctiv e  p o wer :     [ ∆ ∆ ] = [ 1         2 3         4 ] [ ∆ ∆ | | ]     ( 1 7 )     wh er e  J 1 ,  J 2 ,  J 3 ,   an d   J 4   ar e  th e  s u b m atr ices  o f   th e  J ac o b ian   m atr ix .   ∆ P  an d   ∆ Q  r ep r esen t  th e  m is m atch es   b etwe en   s ch ed u le d   an d   ca lcu lated   v alu es  o f   ac tiv e   an d   r ea ctiv e  p o wer ,   r esp ec tiv ely .   ∆ δ  an d   ∆| V  |   ar e  th e   in cr em en tal  co r r ec tio n s   to   t h e  b u s   v o ltag e   an g les  an d   m ag n itu d es.  T h ese  m is m atch es  at  iter atio n   k  a r e   ex p r ess ed   as:  T h u s ,     ∆ ℎ = ℎ  ℎ  − ℎ ( )   ( 1 8 )     ∆ ℎ = ℎ  ℎ  − ℎ ( )     ( 1 9 )     h en ce ,   th e  m ea s u r ed   v o ltag e  m ag n itu d e  a n d   a n g le  ar e  g iv en   as   ( 2 0 )   a n d   ( 2 1 ) .     ℎ ( + 1 ) = ℎ ( ) + ∆ ℎ ( )   ( 2 0 )     | ℎ ( + 1 ) | = | ℎ ( ) | + ∆ | ℎ ( ) |   ( 2 1 )     T h is   is   r ep ea ted   u n til it  co n v er g es   ( 2 2 )   a n d   ( 2 3 ) .     | ∆ ℎ | ≤   ( 2 2 )     | ∆ ℎ | ≤   ( 2 3 )     W h er e    s tan d   f o r   th e  to ler an ce   lev el.     3 . 1 .     Dy na m ic  dis t urba nce  s c ena rio   f o r m ula t io n   In   th is   p ap e r ,   f iv e   ca teg o r ies  o f   d y n am ic  l o ad   d is tu r b an ce s   ar e   ex p lo r e d   to   s tr ess   r ea l  wo r ld   c o n d itio n s .   T h e  d y n am ic  l o ad s   in clu d e  i )   g r ad u al   lo ad   g r o wth   ( GL G) :   th e  s tep wis e  in cr ea s e  in   ac tiv e  an d   r ea ctiv e   p o wer   at  lo ad   b u s es  ( 1 0   –   3 0 %)  o f   b ase  v alu e ;   ii)   Su d d e n   s p ik es   ( SS ) :  R an d o m   in s tan tan eo u s   d em an d   s u r g es   (5 - 1 0 %  o f   th e  to tal  lo a d ) ;   iii)   C y clic  f lu ctu atio n s   ( C F):  Per i o d ic  o s cillatio n s   in   lo ad s   as  s h o wn   in   ( 2 4 )   an d   ( 2 5 ) .     ( ) = ( 1 + s in (  ) )   ( 2 4 )     ( ) = ( 1 + s in (  ) )   ( 2 5 )     W h er e    an d     ar e  th e  s tead y   s tate  ac tiv e  an d   r ea ctiv e  p o wer   r esp ec tiv ely ;   α   is   th e  f lu ctu atio n   am p litu d e   ( r an g e  0 ≤ α ≤ 1 , if   α = 0 . 1 , it   me a n s   10%   va r ia tion   a r ound   the   b a s e   l oa d ) ,     is   th e  o s cillatio n   f r eq u en cy ,   ( )   an d   ( )   ar e  th e   tim e - v ar y in g   ac tiv e  an d   r ea ctiv e  p o wer   d em a n d   a t  a  lo ad   b u s ,   r esp ec tiv ely .   I n   th is   s tu d y ,   cy clic  lo ad   f lu ctu atio n s   wer e  m o d eled   u s in g   a  s in u s o id al  lo a d   v ar iatio n   with   a  f r eq u en cy   o f   ap p r o x im ately   0 . 2   Hz ,   r ep r esen tin g   s lo w   p er io d ic  v ar iatio n s   co m m o n ly   o b s er v ed   in   in d u s tr ial  an d   ag g r eg ate d   d em a n d   p atter n s .   T h er ef o r e,   th e  m ax im u m   lo a d   p o wer   co r r esp o n d s   to   1 1 0 %  o f   th e  b ase  lo ad ,   wh ile  t h e  m in im u m   lo a d   co r r esp o n d s   to   9 0 %  o f   th e  b ase  lo ad .   I n er tial  lo ad s ,   s u ch   as  in d u ctio n   m o to r s ,   p r o v i d e  tem p o r ar y   k in etic  en er g y   s u p p o r t  b u t  in cr ea s e  r ea ctiv e  p o wer   d em an d   d u r i n g   v o ltag e   d ip s ,   wh er ea s   n o n - in er tial  lo a d s   r esp o n d   r ap id ly   to   v o ltag e   v a r iatio n s   an d   m ay   in cr ea s e  s y s tem   s en s itiv ity ,   t h er eb y   in f lu e n cin g   o v er all  v o ltag e   s tab ilit y .   iv )   R en ewa b le   u n ce r tain ty   ( R U) :  Var iab ilit y   in   r en ewa b le  p o wer   in   r en ewa b le  in jectio n   m o d eled   as  Gau s s ian   n o is e  in   ( 2 6 ) .      ( ) =  + ,           ~ ( 0 , 2 )   ( 2 6 )     W h er e   ( )   r ep r esen ts   th e   ac tu al  r en ewa b le  p o wer   o u t p u t  at  a   tim e  ( s o lar   PV,  win d   o r   h y d r o   with   v ar iab l e   in f lo w) ,      is   th e  ex p ec ted   o r   f o r ec asted   g en er atio n   ( m ea n /b ase   v alu e) ,   ~ ( 0 , 2 )   d ep icts   th e  er r o r   f o llo ws   n o r m al   ( Gau s s ian )   d is tr ib u tio n   with :  m ea n   =   0   ( d ev iatio n s   ar e  u n b iased ) ,   v ar ia n ce   =   2   ( th e   d eg r ee   o f   u n ce r tain ty ,   lar g e r   2 =        ) ,   t   =   tim e  in d ex   ( m in u tes,  h o u r s   o r   s tep   s im u latio n .   v .   N - 1  C o n tin g en cy   ( N1 C ) :  lin e  o r   g en er ato r   o u tag e  s im u lated   b y   r em o v in g   an   elem en t  an d   r ee v alu atin g   th e  p o we r   f lo w.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       V o lta g e  s ta b ilit y  a n a lysi s   o f p o w er tr a n s mi s s io n   s yste ms u s i n g   mu lti - in d ex   …   ( Tit u s   Ter w a s e  A ko r )   1445   3 . 2 .     T he  a pp lica t io n o f   pa rt i cle  s wa rm   o ptim iza t io n t ec hn iqu e   T h e   o p tim izatio n   p r o ce s s   is   m ath em atica lly   m o d eled   as  p r esen ted   in   [ 2 6 ] .   L et  th e   p o s itio n   o f   a  p ar ticle   in   an   n - d im en s io n al  s ea r ch   s p ac e  be   d ef in e d   as   ( 2 7 ) .     Let  = ( 1 , 2 …  )   ( 2 7 )     W h er e    r ep r esen ts   th e  p ar ticle  p o s itio n   in   th e  n - d im en s io n al  s ea r ch   s p ac e.   T h e  p ar ticle   ten d s   to   ac h iev e  n ew   p o s itio n   ( + 1 )   b y   u p d atin g   th eir   v el o city   ( + 1 )   u s in g   s p ee d   c h an g es.  T h is   is   r ep r esen ted   b y   th e  ( 2 8 )   an d   ( 2 9 ) .     ( + 1 ) = . ( ) + 1 1 ( ( ) − ( ) ) + 2 2 (  ( ) − ( ) )   ( 2 8 )     ( + 1 ) = ( ) + ( + 1 )   ( 2 9 )     W h er e   ( )       ( )   ar e  th e  p ar ticles  an d   s war m   o p tim al  p o s itio n s   r esp ec tiv ely ,   1      2   ar e  th e  r an d o m   v alu es  b etwe en   0   an d   1   o f   th e   Par ticle,   an d   g r o u p   r esp ec tiv ely ,   an d   1      2   ar e  th e   ac c eler atio n   co ef f icien ts   o f   th e  p ar ticle  an d   g r o u p   r esp ec tiv ely .   T h e  v elo cit y   v ec to r   h as  th r ee   co m p o n en ts   n am ely :  th e  in er tia   co m p o n en t  g iv e n   as  ( ) ,   th e  c o g n itiv e  co m p o n e n t  1 1 (  ( ) − ( ) )   an d   th e  s o cial  co m p o n e n t  r ep r esen ted   as  2 2 (  ( ) − ( ) ) .     ( )   r ep r esen ts   th e  in er tia  weig h t  v alu e  at  iter ati o n   ( t)   an d   it  is   g iv en   as   ( 3 0 ) .     ( ) = (  − −        ) ×   ( 3 0 )     T h e  in er tia   ad ju s ted   th e   ex p lo r atio n   a n d   ex p lo itatio n .   E x p lo r atio n   is   g r o win g   d u r in g   th e  p r o ce d u r e,   wh ile   ex p lo itatio n   is   r ed u cin g   th e  e f f icac y   o f   th e  s ea r ch .   T h e  s ea r c h   p r o ce d u r e  lo wer s   lin ea r ly   f r o m   0 . 9   to   0 . 4   o r   0 . 2   d u r in g   th e  o p tim izatio n   p h ase.     3 . 3 .     Appl ica t io n o f   wha le  o ptim iza t io n t ec hn iqu e   T h e  m ath em atica l  m o d el  was   cr ea ted   b y   th e   wh ale  ar o u n d   th e  p r ey ,   th e  s p ir al  b u b b le - n et  ea tin g   p atter n ,   an d   th e  s ea r ch   s p ac e  f o r   th e  p r ey   as  d em o n s tr ated   i n   [ 2 9 ] .   T h e  wh ale  ca n   r ec o g n ize  an d   s u r r o u n d   its   p r ey .   Du r in g   th e  o p tim izatio n   p r o ce s s ,   it  is   a s s u m ed   th at  th e  cu r r en t  ca n d id ate' s   b est  s o lu tio n   is   th e  tar g et  p r ey .   Af ter   s elec tin g   th e  to p   s ea r ch   a g en t,  th e  r e m ain in g   s ea r c h   ag e n ts   ad ju s t  th eir   lo ca tio n s   to   ac c o m m o d ate  t h e  b est  s ea r ch   ag en t.   T h is   is   m ath em atica lly   m o d el  as   ( 3 1 )   an d   ( 3 2 ) .     ⃗ ⃗   = |   . ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( ) −  ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( ) |   ( 3 1 )      ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( + 1 ) = ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( ) +   . ⃗ ⃗     ( 3 2 )     W h er e    is   th e  cu r r en t  iter atio n ,   ⃗ ⃗ ⃗ ⃗     is   th e  p o s itio n   v ec to r   o f   th e  o p tim al  s o lu tio n ,    ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗     is   th e  p o s iti o n   v ec to r   o f   th e  s ea r ch   ag en t,              ar e   th e  c o ef f icien t  v ec t o r s   o f   th e   p o s itio n   o p tim al  s o lu tio n   a n d   d is tan ce   to   th e   s o lu tio n   an d   | |   is   th e  ab s o lu te  v alu e  o f     ⃗ ⃗   .   T h u s              ar e  g iv e n   as   ( 3 3 )   an d   ( 3 4 ) .       = 2   . ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   −     ( 3 3 )       = 2 . ⃗ ⃗ ⃗     ( 3 4 )     W h er e      is   r ed u ce   lin ea r l y   f r o m   2   to   0   o v e r   n u m b er   o f   iter atio n ,   ⃗ ⃗ ⃗ ⃗        ⃗ ⃗ ⃗     r ep r esen ts   r an d o m   v ec to r s   o f   r an g e  [ 0 ,   1 ] .   T h e  s p ir al  u p d atin g   p o s itio n   is   g iv en   as   ( 3 5 ) .      ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( + 1 ) = ′ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   .  . c os ( 2  ) + ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( )   ( 3 5 )     W h er e  ′ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗     is   th e  d is tan ce   o f   th e  n th   h u m p b ac k   wh ale  to   t h e  p r ey   o b tain ed   p o s itio n ,   k   is   a  co n s tan t  th at  d eter m in e   th e  s h ap e   o f   th e   lo g ar ith m ic   s p ir al  an d     s p ec if ied   t h e  r an d o m   n u m b er   [ - 1 ,   1 ] .   At  th e   s am e  tim e,   th e   wh ales  s wim   ar o u n d   th e  tar g et  with in   a  s h r in k in g   cir cle  an d   al o n g   th e  s p ir al  s h ap e  p ath .   T h is   is   r ep r esen ted     b y   th e  ( 3 6 ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  15 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 26 :  1 4 3 9 - 1 4 5 7   1446    ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( + 1 ) = { ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( ) −   . ⃗ ⃗                                                                        ℎ < 0 . 5 ′ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   .  . c os ( 2  ) + ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( )                      ℎ ≥ 0 . 5   (3 6 )     W h er e  ℎ   is   a   r an d o m   n u m b er   in   [ 0 ,   1 ]   tak en   as  th e  5 0 %  ch an c e  th at  th e  s h r in k in g   en cir clin g   m ec h an is m   o r   th e   m o d el  s p ir al  will u p d ate  t h e  p o s itio n   o f   th e  wh ales d u r in g   th e  s ea r ch   f o r   p r ey .     ⃗ ⃗   = |   . ( ) ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   −  ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   |     (3 7 )      ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( + 1 ) = ( ) ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   +   . ⃗ ⃗     (3 8 )     Usi n g     = [ − 1 , 1 ]   f r o m   ( 3 7 ) ,   ( ) ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗     is   a  r an d o m   p o s itio n   v ec to r   o b tai n ed   f r o m   th e  cu r r en t  p o p u latio n   o f   t h e  wh ale.       4.   T H E   H YB R I D   WH A L E   A L G O RIT H M   A ND   P ART I C L E   SWAR M   O P T I M I Z AT I O N   ( WAP SO )   A L G O RIT H M   T h e   d is tin ctiv e  f ea tu r e  o f   th e   h y b r id   m eth o d   lies   in   th e   wh ale  o p tim izatio n   alg o r ith m ’ s   ( W OA)   ab ilit y   to   co m p e n s ate  f o r   t h e  lim itatio n s   o f   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( PS O) .   A  k n o wn   d r awb a ck   o f   s tan d ar d   PS O   is   th e  u s e  o f   a  co n s tan t  in er tia   weig h t,  wh ich   r estricts  th e  p a r ticles’  s ea r ch   ca p ab ilit y   in   co m p lex   en g i n ee r in g   p r o b lem   s p ac es.  T o   ad d r ess   th is ,   th e  h y b r i d   W OA – PS O  ( W APSO)  m eth o d   r ep lace s   th e  c o g n itiv e  co m p o n en t   o f   ( 1 8 )   with   th e  W OA - in s p ir ed   co m p o n en t  f r o m   ( 3 3 ) .   T h e   u p d ated   v elo city   a n d   p o s itio n   eq u atio n s   f o r   th e   W AP SO a lg o r ith m ,   as d escr ib ed   in   [ 3 0 ] ,   a r e:     V i ( t + 1 ) = ω . V i ( t ) + C 1 r 1 ( X SA ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( t + 1 ) − X i ( t ) ) + C 2 r 2 ( g b e st ( t ) − X i ( t ) )   (3 9 )     X i ( t + 1 ) = X i ( t ) + V i ( t + 1 )   ( 40 )     I n   th ese  ex p r ess io n s ,     X SA ( t  +  1 )   is   th e  u p d ated   p o s itio n   f r o m   th e  W OA  m o d el  ac tin g   as  a  co g n itiv e   g u id e  f o r   t h e  p a r ticle,   ω  is   th e   in er tia  weig h t.  T h e  h y b r i d   alg o r ith m   u s es  an   ad a p tiv e  in er tia   weig h t    ( as  g iv en   in   eq u atio n s   3 8 - 3 9 )   f r o m   PS O  to   en h an ce   g lo b al  ex p lo r atio n   wh ile  m ain tain in g   th e  f u n d a m en tal  s tr u ctu r e  o f   v elo city   u p d ate.   r 1   an d   r 2   ar e   r an d o m   n u m b er s   u n if o r m ly   d is tr ib u ted   in   [ 0 ,   1 ] ,   a n d   C 1 ,  C 2   ar e  ac ce ler atio n   co ef f icien ts .   I n   th is   h y b r id   f r am ewo r k   1   r eg u lates  th e   co g n itiv e  co m p o n en t,   wh ich   is   ad a p ted   f r o m   W OA   th r o u g h    ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗   ( + 1 )   ( 3 3 )   i n   p lace   o f   th e   co n v en tio n al   ( ) ,   th er e b y   le v er a g in g   W OA’ s   p r e y - en cir clin g   m ec h an is m   to   en h an ce   lo c al  ex p lo itatio n .   Me an wh ile,   2   p r eser v es  th e  s o cial   in f lu en ce   d ir ec ted   to war d    ( ) ,   en s u r in g   s war m - wid e   co n v er g en ce .   Stan d ar d   p ar am eter   s ettin g s   in   PS O  h y b r id s   ( co m m o n l y   1 = 2 = 2 )   ar e  ty p ically   ass u m ed ,   as  th ey   p r o v id e  a   b alan ce d   tr ad e - o f f   b etwe en   in d iv i d u al  lear n i n g   an d   co llectiv e  in tellig en ce ,   th er eb y   r ed u cin g .   T h e   ter m   g best ( t )   d en o tes th e  g lo b al   b est s o lu tio n   f o u n d   b y   th e   s war m   at  iter atio n   t .   T h is   h y b r id   a p p r o ac h   e n h an ce s   b o th   l o ca l  ex p lo itatio n   an d   g lo b al  ex p lo r at io n   b y   s y n er g izin g   PS O’ s   v elo city - d r iv en   ex p lo r a tio n   with   W OA’ s   ad ap tiv e  en c ir clin g   b eh a v io r .   T h e  o b jectiv e   f u n ctio n   o f   t h e  o p tim izatio n   is   to   m i n im ize  th e  m ax im u m   s tab ilit y   in d ex   ac r o s s   all  lin es  an d   d y n am ic  lo a d   s ce n ar io s .   Ob jectiv e  f u n ctio n :     min = ma x {  ( ) }           ∈ {  ,  ,  ,  , 1 }   (4 1 )     Su b ject  to :   i)   B u s   v o ltag e  lim it:  0 . 95 ≤ ≤ 1 . 05   ii)   T h er m al  lo ad i n g :   ≤ (   )   iii)   Gen er ato r s   lim its :  ( ,     )   Fo r   ea ch   o f   th e  p a r am eter   s et  ( , 1 , 2 , ) :    i)   3 0   Mo n te  C ar lo   s im u latio n s   ac r o s s   all  s ce n ar io s   was r u n   ii)   Me an   MI S,  co ef f icien t  o f   v ar i atio n   ( C V)   an d   s u cc ess   p r o b ab ilit y   ( SP )   was c o m p u ted   T h e  r o b u s t in d ex   is   r e p r esen te d   as  ( 4 2 ).      =     .      ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅   ( 4 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       V o lta g e  s ta b ilit y  a n a lysi s   o f p o w er tr a n s mi s s io n   s yste ms u s i n g   mu lti - in d ex   …   ( Tit u s   Ter w a s e  A ko r )   1447   Fo r   o p er atio n al  p u r p o s es,  a  lo w  C V  in d icate s   co n s i s ten t   v o ltag e  s tab ilit y   p er f o r m an ce   ac r o s s   d if f er en t   o p er atin g   c o n d itio n s ,   wh ile  a  lo w  r o b u s tn ess   in d ex   r ef le cts  r eliab le  an d   r ep ea ta b le  o p tim izatio n   r esu lts .   T o g eth er ,   th ese  m etr ics p r o v id e  g r id   o p er ato r s   with   g r e ater   c o n f id en ce   in   s y s tem   s tab ilit y   a n d   r esil ien ce   u n d er   u n ce r tain ty .   Step - by - s tep   alg o r ith m   i )   I n itializatio n   ˗   L o ad   s y s tem   d ata.   ˗   C o m p u te  b ase - ca s e  L SI,   FVSI,   MI S f o r   all  lin es.   ˗   Def in e  s ea r ch   s p ac e  b o u n d s   f o r   r ea ctiv e  p o wer   (  ,  )   ˗   Gen er ate  d y n a m ic  s ce n ar io s .   ii)   Par am eter   s en s itiv ity   an aly s is   ˗   L o o p   o v er   ca n d id ate  v alu es o f   in er tia  weig h t  ,   ac ce ler atio n   c o ef f icien ts   1 , 2 .   ˗   Fo r   ea ch   p a r am eter   s et,   r ep ea t  o p tim izatio n   f o r    _ .   iii)   W AP SO  o p tim izatio n   ( p er   r u n )   ˗   R an d o m ly   in itialize  a  p o p u lati o n   o f   ca n d id ate     s o lu tio n s .   ˗   Fo r   ea ch   iter atio n   ( u p   t o   m ax _ iter ) :   ˗   E v alu ate  f itn ess   =  m ax im u m   MI S a cr o s s   all  s ce n ar io s .   ˗   Up d ate  th e  b est s o lu tio n .   W h ale  p h ase   ( ex p lo itatio n   o r   e x p lo r atio n ) : p o s itio n   u p d ate  u s in g   en cir clin g   p r e y   o r   s p ir al  s e ar ch .   PS O  p h ase : v elo city   u p d ate  u s in g   , 1 , 2 .   Ap p ly   b o u n d s   (  ,  ) to   k ee p   f ea s ib le  s o lu tio n s .   iv )   Scen ar io   e v alu atio n   ˗   C o m p u te  p er - s ce n a r io   MI S v a lu es f o r   th e  b est s o lu tio n .   ˗   Sto r e  r esu lts   f o r   s tatis tical  ag g r eg atio n .   v)   R o b u s tn ess   in d ex   c o m p u tat io n   ˗   Fo r   ea ch   p a r am eter   s et  ( , 1 , 2 )   co m p u te:   ˗   Me an   MI S,  Std   Dev ,   C V  ( co ef f icien t o f   v a r iatio n ) .   ˗   Su cc ess   r ate  ( MI S <   1 ) .   ˗   Av er ag e  im p r o v em e n t o v e r   b a s e - ca s e  MI S.   ˗   R o b u s tn ess   in d ex   =  m ea n   *   ( 1 +CV) .   ˗   Select  b est p ar am eter   s et  ( lo west r o b u s tn ess   in d ex ) .   v i)   Fin al  o p tim izatio n   with   b e s t p ar am eter s   ˗   R u n   en s em b le  o p tim izatio n   with   b est ( , 1 , 2 ).   ˗   E v alu ate  ad ap ta b ilit y   b y   r e - o p tim izin g   u n d e r   d is tu r b a n ce   ( + 3 0 % Q) .   ˗   C o m p u te  p o s t - d is tu r b a n ce   d e g r ad atio n .   v ii)   R esu lts   an d   Vis u aliza tio n   R ep o r t b ase - ca s e  v s   o p tim ized   MI S ( p er   lin e  a n d   o v er all) .   Plo t:   ˗   MI S a cr o s s   s ce n ar io s .   ˗   B o x p lo ts   ( r o b u s tn ess   d is tr ib u tio n ) .   ˗   Sen s itiv ity   h ea tm ap   f o r   p ar am eter s .   ˗   Re - o p tim izatio n   ad ap tab ilit y .   ˗   MI S b ef o r e  v s   af ter   o p tim izatio n .     4 . 1 .     WAP SO   pa ra m et er   s ens it iv it y   a nd   co m pu t a t io na l c o m plex it y   a na ly s is   To   g u a r an tee  th e   r o b u s tn ess   o f   th e   h y b r id   wh ale  an d   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( W APSO)   alg o r ith m ,   a  s en s itiv ity   an aly s is   was  u n d er tak en   to   v alid ate   th e  ch o ice  o f   c r itical  p ar am e ter s :  in er tia  weig h t   ( ) ,   co g n itiv e  an d   s o cial  ac ce ler atio n   co ef f icien ts   ( 1 , 2 ) ,   an d   th e  W OA  co n tr o l  p ar am eter   ( ) .   I n itial  v alu es   wer e  ass ig n ed   as  = 0 . 5 ,  1 = 2 = 2 ,   an d   α   d ec r ea s in g   lin ea r ly   f r o m   2   t o   0 ,   in   lin e  with   estab lis h ed   s tu d ies   [ 3 1 ] .   T h e  s en s itiv ity   an aly s is   ex p lo r ed   ω   with in   th e  r an g e  [ 0 . 4 ,   0 . 9 ] ,   1      2   with in   [ 1 . 5 ,   2 . 5 ] ,   a n d   b o th   lin ea r   an d   ex p o n en tial  d ec ay   s ch em e s   f o r   α .   T h e  s tu d y   was  co n d u ct ed   o n   th e  Nig er ian   3 3 0   k V,   4 8 - b u s   n etwo r k   u s in g   MA T L AB /MAT POW E R .   T h e  co m p u tatio n al  ef f icien cy   o f   th e  W APSO  alg o r ith m   was  b en ch m ar k e d   ag ain s t   co n v en tio n al  PS O  an d   th e  W OA  to   ev alu ate  s ca lab ilit y .   T h e  ass es s m en t  was  p er f o r m e d   o n   th e  Nig er ia n   4 8 - b u s ,   3 3 0   k V  s y s tem   u s in g   MA T L AB /MAT PO W E R   in   a  s tan d ar d   co m p u tin g   s etu p   ( I n tel  C o r e  i7 ,   1 6   GB   R AM ) .   Fo r   1 0 0   iter atio n s ,   th e   av e r ag e  r u n tim es  r ec o r d ed   wer e   1 2 . 5   s ec o n d s   f o r   W APS O,   9 . 6   s ec o n d s   f o r   PS O,   an d   1 5 . 8   s ec o n d s   f o r   W OA.   T h e  s lig h tly   h ig h er   r u n tim e  o f   W APSO  ( ab o u t  1 . 3   tim es  th at  o f   PS O)   s tem s   f r o m   its   h y b r id   d esig n ,   wh ich   co m b i n es  PS O’ s   v elo city   u p d ate  r u le  with   W OA’ s   en cir clin g   an d   s p ir al  s ea r ch   m ec h an is m s .   Desp ite  th is   o v e r h ea d ,   W APSO  ac h iev ed   a   1 0 %  g r ea ter   im p r o v e m en t  i n   MI S  co m p ar e d   to   PS O   an d   r eq u ir e d   1 5 %  f ewe r   iter at io n s   th an   W OA  to   attain   9 0 %   o f   th e   o p tim al   MI S  v alu e .   As   s h o wn   in   T a b le  3 ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  15 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   20 26 :  1 4 3 9 - 1 4 5 7   1448   f o r   lar g er - s ca le  p o wer   n etwo r k s ,   th e  ad o p tio n   o f   p ar allel  co m p u tatio n   o r   ad ap tiv e  p a r a m eter   ad ju s tm en t  is   r ec o m m en d ed   t o   m itig ate  r u n tim e  d em an d s   an d   s tr en g th en   th e  alg o r ith m ’ s   s ca lab ilit y .   F ig u r e  2   p r esen ts   a   f r am ewo r k   f o r   th e   ass ess m en t  an d   im p r o v em en t  o f   a  d y n am ic  s ce n ar io - b ased   h y b r id   W AP SO  tech n iq u e.   Fig u r e  3   illu s tr ates N ig er ia’ s   3 3 0   k V  tr a n s m is s io n   g r id   n etw o r k .       T ab le  3 .   C o m p u tatio n al  an aly s is   o f   th e  o p tim izatio n   tech n iq u es   A l g o r i t h m   A v g   r u n t i me   ( s)   C o n v e r g e n c e   sp e e d *   M i s   i m p r o v e me n t   K e y   n o t e s   PSO   9 . 6   B a se l i n e   – 1 0 %   v s WA P S O   F a st e s t   r u n t i m e   b u t   l o w e r   a c c u r a c y   W O A   1 5 . 8   + 1 5 %   sl o w e r   t h a n   W A P S O   B a se l i n e   S l o w e r   c o n v e r g e n c e ,   m o d e r a t e   a c c u r a c y   W A P S O   1 2 . 5   1 5 %  f a s t e r   t h a n   W O A   + 1 0 %   v s   P S O   B a l a n c e d   t r a d e - o f f :   a c c u r a c y   +   e f f i c i e n c y   * C o n v e r g e n c e   s p e e d   i s  e x p r e sse d   r e l a t i v e   t o   t h e   r e f e r e n c e   a l g o r i t h m  u se d   i n   t h e   c o m p a r i so n .   P o s i t i v e   p e r c e n t a g e s  i n d i c a t e   sl o w e r   c o n v e r g e n c e ,   w h i l e   n e g a t i v e   p e r c e n t a g e s  i n d i c a t e   f a s t e r   c o n v e r g e n c e   r e l a t i v e   t o   t h e   b a s e l i n e   m e t h o d .           Fig u r e  2 .   Dy n am ic  s ce n ar io - b ased   W APS O  o p tim izatio n   f r a m ewo r k           Fig u r e  3 .   T h e  s in g le - lin e  d iag r am   o f   th e  Nig e r ian   g r id   3 3 0   k V,   4 8 - b u s   n etwo r k       T h e  n etwo r k   is   in ter co n n ec ted   an d   co m p r is es  f o r ty - ei g h t  ( 4 8 )   b u s es,  in clu d in g   f o u r teen   ( 1 4 )   g en er ato r   b u s es  an d   th ir ty - f o u r   ( 3 4 )   lo a d   b u s es.  I t  f ea tu r es  eig h t y - eig h t  ( 8 8 )   t r an s m is s io n   lin es  u tili zin g   b is o n   twin   an d   b ea r   twin   ( L io n )   co n d u cto r s ,   ea ch   with   a  cr o s s - s ec tio n al  ar ea   o f   3 5 0   m m 2 .   Fo r   t h e  p u r p o s es  o f   th is   s tu d y ,   a   s u b s et  o f   f if ty - n i n e  ( 5 9 )   tr an s m is s io n   lin es,  r ep r esen tin g   th e  o p er atio n al  lin k s   b etwe en   th e  b u s es,  h as  b ee n   s elec ted   an d   an aly ze d .   All  r ele v an t  n etwo r k   an d   o p e r atio n al  d ata  wer e  co llected   f r o m   th e  t r a n s m is s io n   co m p an y   o f   n ig e r ia  ( T C N)   in   Ab u ja   [ 3 2 ] .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.