I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   16 ,   No .   5 ,  Octo b er   20 26 ,   p p .   2 3 0 4 ~ 2 3 2 0   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 16 i 5 . pp 2 3 0 4 - 2 3 2 0           2304       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Im pa ct  o f  o ptima l  power  flow o n po wer quality   in a l o w vo ltag e  three - pha se ne tw o rk:  a pplica tion  t o  a real  cas e in  L ubumb a shi  (DR  Co ng o )       Da v id M ila m bo   K a s um ba 1 ,   G uy   Nk ulu   Wa   Ng o ie 2 ,   H y a c inthe  T u ng a dio   Dia m bo m ba 1, 4 ,   J ea n - P a ul K a t o nd   M ba y 3 ,   B o na v ent ure  B a nza   WA  B a nz a 1   1 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 ,   S c h o o l   o f   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t y   o f   Lu b u mb a s h i ,   L u b u m b a s h i ,   D e mo c r a t i c   R e p u b l i c   o f   t h e   C o n g o   2 D e p a r t me n t   o f   M e t a l l u r g y ,   P o l y t e c h n i c ,   U n i v e r si t y   o f   L u b u mb a sh i ,   Lu b u m b a s h i ,   D e m o c r a t i c   R e p u b l i c   o f   t h e   C o n g o   3 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o m e c h a n i c s,  P o l y t e c h n i c ,   U n i v e r si t y   o f   Lu b u m b a s h i ,   Lu b u m b a sh i ,   D e mo c r a t i c   R e p u b l i c   o f   t h e   C o n g o   4 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 ,   U n i v e r si t y   o f   J o h a n n e s b u r g ,   J o h a n n e sb u r g ,   S o u t h   A f r i c a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   1 3 ,   2 0 2 6   R ev is ed   Ma y   3 0 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u l 2 2 ,   2 0 2 6       L o w - v o lt a g e   d i st ri b u ti o n   s y s tem s   ( LVD S )   in   ra p i d l y   g ro wi n g   S u b - S a h a ra n   Afr ica n   c it ies   fre q u e n tl y   e x p e rie n c e   se v e re   p h a se   im b a la n c e ,   v o l ta g e   d e v iat i o n s ,   a n d   h i g h   tec h n ica l   l o s se s  d u e   t o   o v e r lo a d e d   a n d   p o o rl y   b a la n c e d   fe e d e rs .   De s p it e   th e   i n c re a si n g   a v a i la b i l it y   o f  a d v a n c e d   o p ti m iza ti o n   tec h n i q u e s ,   t h e ir   a p p li c a t i o n   t o   re a l   l o w - v o l ta g e   n e tw o r k s   i n   d e v e l o p i n g   c o u n t ri e s  re m a in s  li m it e d .   T h i s  st u d y   i n v e s ti g a tes   t h e   i m p a c t  o f   a n   u n b a l a n c e d   t h re e - p h a se   o p ti m a l   p o we r  fl o w   (O P F )   f ra m e w o r k   o n   t h e   p o we r   q u a li t y   a n d   o p e ra t i o n a l   p e r f o r m a n c e   o f  a   re a l  l o w - v o l ta g e   d i st ri b u ti o n   n e tw o r k   l o c a te d   i n   Ka m a l o n d o ,   L u b u m b a s h i  (De m o c ra ti c   Re p u b li c   o f  t h e   Co n g o ) .   T h e   n e tw o rk   m o d e l   wa s  p a ra m e ter ize d   u si n g   fie l d   m e a su re m e n t s  c o ll e c te d   b e t we e n   S e p tem b e r   a n d   De c e m b e r   2 0 2 4 .   T h e   o p t im iza ti o n   p r o b le m   wa s  f o rm u lat e d   a s  a   m i x e d - i n t e g e r  n o n li n e a r   p r o g ra m m i n g   ( M I N LP )   m o d e l   a n d   s o l v e d   u s in g   t h e   i n te ri o r   p o i n t   m e t h o d   im p l e m e n te d   i n   P a n d a p o we r.   T h e   p r o p o se d   f ra m e wo r k   sim u lt a n e o u s l y   m i n i m ize s  a c t i v e   p o w e r   l o ss e s  a n d   m it i g a t e s   p h a se   im b a la n c e   w h il e   re s p e c t i n g   v o l ta g e   a n d   t h e r m a l   o p e ra t in g   c o n s tra i n t s.   S im u l a t i o n   re su l ts  d e m o n s tra te  s i g n i fi c a n t  im p r o v e m e n ts  i n   n e tw o r k   p e r f o rm a n c e .   T h e   m i n im u m   p h a se - to - n e u tr a l   v o l ta g e   i n c re a se d   fr o m   1 9 8   V   t o   2 1 0   V,   w h il e   t h e   m a x im u m   v o lt a g e   d e c r e a se d   fr o m   2 3 2   V   t o   2 2 6   V ,   im p r o v i n g   c o m p l ia n c e   wi t h   p o w e r  q u a li t y   s ta n d a r d s.   T h e   m a x im u m   c u rr e n t  p h a se   wa s   re d u c e d   b y   1 5 % ,   a n d   t o t a l   a c t i v e   p o w e r  l o ss e s  d e c re a se d   b y   3 0 % .   F u r t h e rm o re ,   t h e   v o lt a g e   u n b a la n c e   fa c t o r   (VU F )   wa s   r e d u c e d   f r o m   8 %   t o   3 %   t h r o u g h   o p ti m ize d   p h a se   a l lo c a t i o n   a n d   p o we r   r e d is tr i b u t i o n .   T h e se   re s u l ts   d e m o n s tra te   t h a t   u n b a la n c e d   t h re e - p h a se   O P F   c o n s ti t u te s   a n   e ffe c ti v e   a n d   p ra c ti c a l   s o l u t i o n   f o r   im p r o v i n g   p o we r   q u a l i ty ,   re d u c i n g   tec h n i c a l   l o ss e s,   a n d   e n h a n c i n g   t h e   o p e ra t i o n a l  re l ia b i li t y   o f  h e a v il y   l o a d e d   l o w - v o l ta g e   n e tw o r k s   i n   d e v e l o p i n g   u r b a n   e n v ir o n m e n ts.   K ey w o r d s :   Gr id   s tab ilit y     Op tim al  p o wer   f lo w   Po wer   q u ality     T ec h n ical  lo s s es   T h r ee - p h ase  im b alan ce       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 :   Dav id   Milam b o   Kasu m b a   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Sch o o l o f   E n g in ee r in g ,   Un iv er s ity   o f   L u b u m b ash i   L u b u m b ash i,  P.O.   B o x   1 8 2 5 ,   Dem o cr atic  R ep u b lic  o f   t h e  C o n g o   E m ail: m ilk asd v d @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   o p e r a t i o n   o f   l o w - v o l t a g e   ( L V )   d i s t r i b u t i o n   n e tw o r k s   is   b e i n g   g r e a t l y   i m p a c t e d   b y   t h e   g l o b a l  e n e r g y   t r a n s it i o n ,   w h i c h   is   c h a r a c t e r i z e d   b y   t h e  q u i c k   d e v e l o p m e n t   o f   d e c e n t r a l i z ed   a n d   l o w - c a r b o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp a ct  o f  o p tima l p o w er flo w   o n   p o w er q u a lity in   a   l o w   vo lta g e  th r ee - p h a s e   …   ( Da vid   Mil a mb o   K a s u mb a )   2305   t e c h n o l o g i e s .   T h e  i n c r e as i n g   n u m b e r   o f   p h o t o v o l t a i c   ( PV )   s y s t e m s ,   e le c t r i c  v e h i c l es   ( E V s ) ,   a n d   e n e r g y   s t o r a g e  s y s te m s   ( E SS )   i s   c h a n g i n g   c o n v e n t i o n a l   c o n s u m p t i o n   a n d   p r o d u c t i o n   p a t t e r n s   [ 1 ] – [ 3 ] .   T h i s   i s   p a r ti c u l a r l y   c h a l l e n g i n g   i n   ci t i es   wi t h   h i g h   g r o w t h   r a t e s ,   w h e r e   i n c r ea s i n g   e l e c t r ic i t y   d e m a n d   a n d   u n m a n a g e d   i n t e g r a t i o n   o f   d e c e n t r a l i z e d   r e s o u r c es   a r e   p u tt i n g   u n p r e c e d e n t e d   p r es s u r e  o n   a g i n g   a n d   u n d e r s iz e d   i n f r as tr u c t u r e s   [ 4 ] .   T h is   is   r e f l e c t e d   i n   v o l t a g e  u n b a l a n ce ,   v o l t a g e   d r o p s ,   l i n e  c o n g e s ti o n ,   a n d   w a v e f o r m   d is t o r ti o n   [ 5 ] .   I n   d e v e l o p i n g   c o u n t r i e s ,   t h e   p r o b l e m   i s   c o m p o u n d e d   b y   l o w   i n v e s t m e n t  p o t e n t i a l   a n d   t h e   l a c k   o f   a n   e f f e c t i v e   r e g u l at i o n   s y s te m   [ 6 ] – [ 8 ] .   T h e   c o n v e n t i o n a l   p a s s i v e   m a n a g e m e n t   a p p r o a c h   i s   n o   l o n g e r   s u f f i c i e n t ,   a n d   t h e   t r a n s i t i o n   t o w a r d s   t h e   ac t i v e   a n d   i n t e l li g en t   o p e r a t i o n   o f   L V   d i s t r i b u t i o n   n e t w o r k s   is   a   p r e s s i n g   n e e d   [ 9 ] .   I n   th is   r eg a r d ,   t h e  o p tim al  p o wer   f lo w  ( OPF)  f r a m ewo r k   h as  b ee n   estab lis h ed   as  an   o p ti m al  to o l  in   th e  s tr ateg ic  m an a g em en t  o f   elec tr ical  n etwo r k s .   I n itially ,   it  was  p r im ar ily   u s ed   to   o p ti m ize  tr an s m is s io n   s y s tem s ,   with   th e  m ain   o b jectiv e  o f   r e d u cin g   p r o d u ctio n   co s ts .   T o d ay ,   its   s co p e   h as b r o a d e n ed :  it  is   n o w   u s ed   in   th e  m an ag em e n t  o f   d is tr ib u tio n   n etwo r k s ,   wh er e  it  h el p s   to   lim it  tech n ical  lo s s es,  im p r o v e  v o ltag e  q u ality ,   an d   m ax im ize  t h e  in teg r atio n   o f   r en ewa b le   en er g ies.    R ec en t  r esear ch   h as  b ee n   f o c u s ed   o n   u n b alan ce d   th r ee - p h a s e  OPF  f o r m u latio n s ,   as  th e y   o f f er   m o r e   ac cu r ate  m o d els  o f   t h e  L V  n etwo r k ’ s   b eh a v io r .   T h ese  m o d els  m ay   s im u ltan eo u s ly   m in im ize  p o wer   l o s s es,   im p r o v e   v o ltag e   p r o f ile,   a n d   r ed u ce   v o ltag e  u n b alan ce   f ac to r   ( VUF) ,   all  u n d er   p er - p h ase  v o ltag e  an d   th er m al  co n s tr ain ts   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   New   d ev elo p m e n ts ,   s u ch   as  c o n v e x   r elax atio n s   ( Seco n d - o r d er   co n e  p r o g r am m in g   ( SOC P)  an d   s em id ef in ite  p r o g r am m in g   ( SDP) ) ,   m ix ed - in te g er   ap p r o ac h es,  an d   m etah eu r is tics ,   h av e  g r ea tly   im p r o v e d   th e  co m p u tatio n   o f   u n b alan ce d   th r ee - p h ase  OPF  m o d els  [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ] .   Ad d itio n ally ,   n ew  an d   im p r o v e d   o p e n - s o u r ce   to o ls ,   s u ch   as  Pan d ap o wer ,   h av e  b ee n   d ev elo p ed   f o r   u n b alan ce d   th r ee - p h ase  OPF,  en co u r a g in g   r e p r o d u cib ilit y   an d   ap p licab ilit y   o f   r esear ch   r esu lts   [ 1 0 ] ,   [ 1 4 ] .   Am o n g   th e  av ailab le  OPF   p latf o r m s ,   Pan d ap o wer   h as  g ain ed   co n s id er a b le  atten tio n   d u e  to   its   o p en - s o u r ce   ar c h itectu r e,   ex ten s iv e   v alid atio n   a g ain s t  estab lis h ed   p o wer   s y s tem   to o ls ,   an d   s u p p o r t  f o r   th r ee - p h ase  u n b alan ce d   n etwo r k   a n aly s is .   C o m p ar ed   with   m eta h eu r is tic  o p tim izatio n   tech n iq u es,  wh i ch   o f ten   r eq u ir e  ex ten s iv e  p a r am eter   tu n in g   an d   m ay   n o t  g u ar an tee  c o n v e r g e n ce ,   th e  in ter io r   p o in t  m eth o d   im p lem en te d   in   Pan d a p o wer   o f f er s   r o b u s t  co n v er g en ce   p r o p er ties   an d   c o m p u tatio n al   ef f icien c y .   T h ese  ch ar ac ter is tics   m ak e  it   p ar ti cu lar ly   s u itab le  f o r   p r ac tical  ap p licatio n s   in v o l v in g   r ea l  lo w - v o ltag e  d is tr ib u ti o n   n etwo r k s .   Mo r e  r ec e n t  d e v elo p m en ts ,   s u ch   as   th e  in cr ea s in g   d eg r ee   o f   u n ce r tain ty   ass o ciate d   with   r e n ewa b le  en er g y ,   h av e   led   t o   th e   ap p licatio n   o f   ar tific ial   in tellig en t ( AI )   tech n i q u es,  s u ch   as d ee p   r ei n f o r ce m en t le ar n in g   ( DR L ) ,   f o r   o p tim izatio n   p u r p o s es  [ 2 ] .   S e v e r a l   a p p r o a c h e s   h a v e   b e e n   p r o p o s e d   t o   m i t i g a t e   p h a s e   i m b a l a n c e   i n   l o w - v o l t a g e   d i s t r i b u ti o n   n e t w o r k s .   T r a d i ti o n a l   m e t h o d s   m a i n l y   r e l y   o n   m a n u a l   p h a s e   r e a ll o c a t i o n ,   w h e r e   c u s t o m e r s   a r e   p h y s i c al l y   t r a n s f e r r e d   f r o m   o v e r l o a d e d   p h a s e s   t o   u n d e r u t i li z e d   o n es   [ 1 5 ] .   A l t h o u g h   e f f e c t i v e  i n   s o m e  c a s es ,   t h i s   a p p r o a c h   i s   l a b o r - i n t e n s i v e ,   ti m e - c o n s u m i n g ,   a n d   o f t e n   u n s u i ta b l e   f o r   r a p i d l y   e v o l v i n g   u r b a n   n e t w o r k s   [ 2 ] .   M o r e   r e ce n t l y ,   a u t o m a t i c   p h a s e   s wi t c h i n g   t ec h n o l o g i e s   a n d   i n t e l li g e n t   p h a s e   b a l a n c i n g   s y s t e m s   h a v e   b e e n   i n t r o d u c e d   t o   d y n a m i c a l l y   r e d i s t r i b u t e   l o a d s   a m o n g   p h a s e s .   H o w e v e r ,   t h es e   s o l u ti o n s   g e n e r a ll y   r e q u i r e   a d d i t i o n a l   h a r d w a r e  i n v e s t m e n ts   a n d   a d v a n c e d   c o m m u n i c a t i o n   i n f r a s t r u c t u r e s   [ 1 6 ] .   C o n s e q u e n t l y ,   o p t i m i z a tio n - b a s e d   a p p r o a c h e s   s u c h   a s   O PF   h a v e   e m e r g e d   a s   a t t r a ct i v e   a l t e r n at i v es ,   s i n ce   t h e y   c a n   d e t e r m i n e   o p t i m a l   p h a s e   a l l o c a ti o n   s t r a t e g i e s   w h i l e   s i m u lt a n e o u s l y   c o n s i d e r i n g   v o l t a g e   li m i ts ,   t h er m a l   c o n s t r ai n t s ,   a n d   p o w e r   l o s s e s .   Am o n g   th e  a v ailab le  OPF  p la tf o r m s ,   Pan d a p o wer   h as  g ain e d   co n s id er ab le  atten tio n   d u e   to   its   o p e n - s o u r ce   ar c h itectu r e,   e x ten s iv e  v alid atio n   a g ain s t  estab lis h ed   p o wer   s y s tem   to o ls ,   an d   s u p p o r t  f o r   u n b alan ce d   th r ee - p h ase  n etwo r k   an aly s is .   C o m p ar ed   with   m etah e u r is tic  ap p r o ac h es,  wh ich   o f ten   r eq u ir e  ex te n s iv e   p ar am eter   tu n i n g   an d   m ay   n o t  g u ar an tee  co n v er g en ce ,   th e  i n ter io r   p o i n t  m eth o d   im p lem e n ted   in   Pan d ap o wer   p r o v id es   r o b u s t  co n v er g e n ce   p r o p er ties ,   co m p u tatio n al   e f f icien cy ,   an d   r ep r o d u cib le  r esu lts ,   m ak in g   it  p ar ticu lar ly   s u itab le  f o r   p r ac tical  ap p licatio n s   in v o l v in g   r ea l   lo w - v o ltag e  d is tr ib u tio n   n etw o r k s .   Alth o u g h   s ig n if ican t  ad v an ce s   h av e  b ee n   ac h iev ed   i n   u n b alan ce d   th r ee - p h ase  OPF  f o r m u latio n s ,   m o s t  p u b lis h ed   s tu d ies  f o c u s   o n   n etwo r k s   lo ca ted   in   E u r o p e,   No r t h   Am er ica,   o r   Asi a,   wh er e  ad v a n ce d   m o n ito r in g   in f r astru ct u r es a n d   h ig h - q u ality   n etwo r k   d atab as es a r e  av ailab le.   I n   c o n tr ast,  v er y   lim ited   r esear ch   h as  in v esti g ated   th e  ap p licati o n   o f   OPF  tech n iq u es  to   r ea l  lo w - v o ltag e  n etwo r k s   in   Su b - Sah ar an   Af r ica,   wh er e  d is tr ib u tio n   s y s tem s   ar e   o f ten   ch ar ac te r ized   b y   o v er l o ad ed   f ee d er s ,   i n f o r m al  co n n ec tio n s ,   s ev er e  p h ase  im b alan ce ,   lim ited   o p er atio n a l  d ata,   an d   ag in g   in f r astru ctu r es.  C o n s eq u en tly ,   th e  p r ac tical  ef f ec tiv en ess   o f   ad v an ce d   OPF tec h n iq u es u n d er   s u ch   o p e r atin g   c o n d itio n s   r em ain s   lar g ely   u n ex p lo r ed .   T h is   s t u d y   c o n t r i b u tes   to   e x i s tin g   l ite r a tu r e   in   th r ee   m ai n   w ay s .   Fi r s t ,   it   p r es en ts   o n e   o f   th e   f ir s t  ap p li ca ti o n s   o f   a n   u n b al an ce d   th r e e - p h as e  OPF  f r a m ew o r k   to   a  r ea l   l o w - v o l ta g e  d is t r i b u t io n   n et wo r k   i n   t h e   Dem o c r atic   R e p u b li c  o f   t h e  C o n g o .   S ec o n d ,   th e  n etw o r k   m o d el  is   p a r am ete r i ze d   u s i n g   f iel d   m ea s u r em e n ts   co l le cte d   o v er   a   f o u r - m o n t h   p e r i o d ,   p r o v i d i n g   a  r ea l is tic   r ep r es en tat io n   o f   o p e r at in g   c o n d iti o n s .   T h ir d ,   th e  s tu d y   q u a n t ita ti v el y   e v a lu at es   t h e   i m p a ct   o f   OPF   o n   v o l ta g e  r e g u l ati o n ,   l o s s   r e d u cti o n ,   c u r r en t  lo a d i n g ,   a n d   v o lta g e  u n b al an ce   u n d e r   h ea v i ly   l o a d e d   c o n d iti o n s .   T o   ac h i e v e   t h is   o b j ec ti v e ,   an   u n b ala n c ed   t h r ee - p h ase   OPF   m o d el  is   a p p li ed   t o   t h e   Ka m a l o n d o   lo w - v o lt ag e  d is t r i b u ti o n   n et wo r k   i n   L u b u m b as h i ,   DR C .   T h e  o p tim iz ati o n   p r o b l em   is   f o r m u la te d   as   a   m i x e d - in te g e r   n o n l in ea r   p r o g r am m i n g   ( M I N L P)   p r o b l em   a n d   s o l v ed   u s i n g   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   5 ,   Octo b e r   20 26 :   2 3 0 4 - 2 3 2 0   2306   in t er io r   p o i n t   m et h o d   i m p le m e n te d   i n   P a n d a p o w e r ,   wi t h   th e  o b j ec ti v e  o f   m i n i m iz i n g   t ec h n ic al   l o s s es ,   im p r o v i n g   v o lt ag e  q u al it y ,   a n d   m i ti g at in g   p h ase   i m b ala n ce   w h il e  r es p ec ti n g   n etw o r k   o p e r at i o n al   c o n s t r ai n ts .       2.   M E T H O D   T h e  s tu d y   was  ca r r ied   o u t  in   L u b u m b ash i,  th e  p r o v in cia l  ca p ital  o f   th e  s o u th ea s t  D em o cr atic  R ep u b lic  o f   th e  C o n g o ' s   H au t - Kata n g a  p r o v in ce .   r an k e d   as  th e  n atio n 's  s ec o n d - m o s t  p o p u lo u s   an d   ec o n o m ically   s ig n if ica n t  city .   T h e  city   is   p lace d   at  ab o u t  1 1 °2 0 ′  to   1 2 °0 0 ′  s o u th   latitu d e  a n d   2 7 °1 0 ′  to   2 7 °2 0 ′   ea s t  lo n g itu d e,   c u r r en tly   g o in g   th r o u g h   r ap id   u r b a n izatio n   an d   r o b u s t  p o p u latio n   g r o wth   im p ly in g   m o r e  lo a d   o n   its   elec tr ical  n etwo r k   [ 1 7 ] .   Kam alo n d o ,   o n e   o f   th e   city ' s   s ev en   ad m in is tr ativ e  co m m u n es,  was  s elec ted   as   th e  s tu d y   a r ea   b ec a u s e  o f   its   h ig h   r ate  o f   elec tr if icatio n   [ 8 ] ,   [ 1 8 ]   an d   th e  f r eq u e n cy   o f   illi c it  co n n ec tio n s   t h at  h av e  b ee n   d o cu m en ted   n ea r   th e  MV /LV   s u b s tatio n   o n   B ab em b a  an d   Kar av ia  Av en u e s .   W ith   an   ar ea   o f   r o u g h ly   1 . 3 5   k m ²,   Kam alo n d o   is   th e  s m allest  co m m u n e  in   L u b u m b ash i  an d   is   s itu ated   in   th e  city ' s   s o u th er n   r eg io n   as sh o wn   in   Fig u r e  1 .     2 . 1 .     Descript io n o f   t he  B a bem ba   s ub s t a t io n ( ca s e  s t ud y )   T h e  elec tr ical  in f r astru ctu r e  u n d er   s tu d y   c o n s is ts   o f   a  6 3 0   k VA  tr an s f o r m er ,   c o n n ec ted   i n   a  Dy n 1 1   v ec to r   g r o u p in g .   I t  is   eq u ip p e d   with   a  1 2 5 0   A  cir cu it  b r ea k e r ,   co r r esp o n d in g   to   a  n o m in al  cu r r en t  o f   9 0 7   A  at  a  n o m in al  v o ltag e  o f   4 0 0   V.   T wo   f ee d er s ,   d esig n ated   N R 1 5   ( Am ato   an d   Sy n tesk in ) ,   p r o v id e  p o wer   an d   co n n ec tio n   t o   th e  u p s tr ea m   n etwo r k .   T h is   s u b s tatio n   d ir ec t ly   s u p p lies   f iv e  d is tr ib u tio n   f ee d er s   to   p r o v id e  a  lo ca l lo w - v o ltag e  s er v ice,   as sh o wn   in   Fig u r e  2 .           Fig u r e  1 .   L o ca tio n   o f   th e  c o m m u n e  Kam alo n d o           Fig u r e  2 .   L a y o u t  o f   th e  L V  m ain   s witch b o ar d   o f   th e  B ab em b a  s u b s tatio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp a ct  o f  o p tima l p o w er flo w   o n   p o w er q u a lity in   a   l o w   vo lta g e  th r ee - p h a s e   …   ( Da vid   Mil a mb o   K a s u mb a )   2307   2 . 2 .     Da t a   c o llect i o n    T o   s u p p o r t  th e  m o d elin g   a n d   s im u latio n   o f   OPF  in   an   u n b alan ce d   t h r ee - p h ase  co n tex t,  a   m ea s u r em en t  ca m p ai g n   was  ca r r ied   o u t  o n   th e   L V  d is tr ib u tio n   n etwo r k   u n d er   an al y s is .   T h e  m ea s u r ed   p ar am eter s   in clu d e  cu r r en ts ,   v o ltag es,  ac tiv e  an d   r ea ctiv e  p o wer s ,   as  well  as   r esis tan ce   an d   r ea ctan ce .   Data   co llectio n   was  p er f o r m ed   b o t h   d ay   a n d   n ig h t,  d u r in g   th e  r eg io n ’ s   two   m ain   s ea s o n s   ( d r y   an d   r ain y ) ,   o v e r   a   f o u r - m o n th   p er io d   f r o m   Sep t em b er   to   Dec em b er   2 0 2 4 .   M ea s u r em en ts   wer e  tak en   u s in g   a  C h au v in   A r n o u x   Qu alis tar   s er ies  8 3 3 1   p o wer   n etwo r k   an aly ze r   as  s h o wn   in   Fig u r e  3 ,   p lace d   at  two   s tr ate g ic  lev els:   at  th e  L V  m ain   s witch b o ar d   ( L VM S)  o f   th e  s u b s tatio n   to   ca p t u r e  o v er all  f lo ws,  an d   at  th e   en d   o f   th e   lin e  o f   ea ch   f ee d er .             Fig u r e   3 .   Me asu r em e n t d e v ice  ( C h au v in   Ar n o u x   Qu alis tar   8 3 3 1 )       Data   lik e  r esis tan ce ,   r ea ctan c e,   len g th ,   an d   m a x im u m   allo wab le  cu r r e n t  ar e   u s ed   t o   d e s cr ib e  th e   elec tr ical  lin es.  T h ese  elem en ts   allo w  p r ec is e  m o d elin g   o f   th e  n etwo r k .   Pan d ap o wer   is   th en   u s ed   to   ca lcu lat e   th e  im p ed an ce   o f   ea c h   co m p o n en t.  T h ese  im p ed a n ce s   ar e  in teg r ated   in to   th e  Z 0 1 2   m atr ix ,   wh ich   co m p iles   th e  ze r o ,   p o s itiv e,   an d   n e g ativ e  s eq u en ce   v alu es.  Usi n g   th e  tr an s f o r m atio n   m atr ix   an d   its   in v er s e,   th ese  d ata  ar e  co n v e r ted   to   o b tain   th e  th r ee - p h ase  im p ed a n ce   m atr ix     f o r   ea ch   f ee d e r   [ 1 6 ] ,   [ 1 8 ] .  T ab le  1   s u m m ar izes  th e  elec tr ical  q u a n titi es  m ea s u r ed   at  th e   h ea d   o f   ea ch   f ee d er   an d   co n s titu tes  th e  b asis   f o r   th e  ca lib r atio n   o f   th e   OPF m o d el.   T h ese  m ea s u r em en ts   s er v e  th r ee   m ain   p u r p o s es:  f ir s t,  to   in itialize  th e  lo ad   f lo w  o p er at in g   p o i n t;   s ec o n d ,   to   ca lib r ate  n o d al  p o wer   in jectio n s   b ased   o n   r ea l - wo r ld   d em a n d ;  a n d   f i n ally ,   to   q u a n tify   p h ase  im b alan ce s   an d   n e u tr al  cu r r e n t  lev els.  T h e  ex is ten ce   o f   s ig n if ican t  n eu tr al  cu r r en ts   ju s tifie s   th e  ad o p tio n   o f   a  f o u r - wir e  u n b ala n ce d   m o d el  t o   ac cu r ately   r ep r esen t th e  n et wo r k ’ s   p h y s ics.       T ab le  1 .   Me asu r e d   elec tr ical  q u an titi es a t f ee d er   h ea d s   F e e d e r   1   2   3   4   5   P A   ( k W )   2 0 0   0   45   2 2 5   1 5 0   P B   ( k W )   2 8 5   1 5 0   46   2 3 5   1 7 0   P C   ( k W )   2 0 5   1 7 0   0   1 3 8   0   V A   ( V )   1 9 0   1 9 9   2 3 2   2 0 5   2 1 4 . 8   V B   ( V )   1 9 8   2 0 1   2 2 3   2 1 5   2 1 3 . 4   V C   ( V )   2 0 6   2 1 7   2 1 9   1 6 5   2 1 5 . 4   I A   ( A )   3 4 0   0   65   3 5 0   2 6 1 . 6   I B   ( A )   3 7 0   2 9 0   55   3 6 0   2 5 9 . 8   I C   ( A )   3 4 0   2 4 0   0   2 1 0   0   I N   ( A )   -   1 5 0   20   1 8 0   1 5 3 . 9       2 . 3 .     E lect rica l  lin e  pa ra m et er s   T h e  p h y s ical  ch ar a cter is tics   o f   ea ch   f ee d e r   ar e   s u m m a r ized   in   T ab le   2 ,   wh ich   p r o v id es  th e   f u n d am e n tal  elec tr ical  p ar am eter s   r eq u ir ed   f o r   ac c u r ate  n etwo r k   m o d elin g .   E ac h   b r an c h   is   d ef in ed   b y   its   len g th      ( ) ,   co n d u cto r   cr o s s - s ec tio n      ( 2 ) ,   r esis tan ce      ( Ω ) ,  an d   r ea ctan ce      ( Ω ) ,  T h ese   p ar am eter s   ar e  ess en tial  f o r   co n s tr u ctin g   th e  s er ies  im p e d an c e  o f   th e   lin es  an d   d ir ec tly   i n f l u en ce   th e  elec tr ical  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   5 ,   Octo b e r   20 26 :   2 3 0 4 - 2 3 2 0   2308   b eh av io r   o f   th e  d is tr ib u tio n   s y s tem .   I n   p ar ticu lar ,   t h ey   d et er m in e  th e  m ag n itu d e  o f   v o lt ag e  d r o p s   alo n g   th e   f ee d er s ,   g o v er n   t h e  d is tr ib u tio n   o f   ac tiv e   an d   r ea ctiv e   p o we r   f lo ws,  a n d   d ef i n e  th e   th er m al  lo ad in g   lim its   o f   th e  co n d u cto r s   u n d er   o p er atin g   co n d itio n s .       T ab le  2 .   E lectr ical  p a r am eter s   o f   L V  f ee d e r s   F e e d e r   N o d e   Le n g t h   ( m)   C r o ss - se c t i o n   ( mm 2 )   R   ( Ω )   X ( Ω )   1   7   6 0 2 . 7 9   1 1 0   0 . 1 5   0 . 0 5   2   12   5 2 4 . 2 8   1 1 0   0 . 1 3   0 . 0 4   3   14   1 1 1 . 9 3   35   0 . 0 9   0 . 0 1   4   18   4 2 0 . 0 2   1 1 0   0 . 1 1   0 . 0 3   5   28   1 1 4 5 . 2 8   1 1 0   0 . 2 9   0 . 0 9       2 . 4 .   M et ho do lo g y :   F o r m ula t io n  o f   t he  un ba la nced  t hree - ph a s e  O P F   pro blem   2 . 4 . 1 .   P hy s ica l  m o delin g   o f   t he  un ba la nced  L V  net wo rk   L V  n etwo r k s   f r eq u e n tly   h av e   s in g le - p h ase  lo ad s   an d   s ig n i f ican t  asy m m etr y ,   wh ich   ca n   r esu lt  in   p h ase  im b alan ce s ,   n e u tr al  cu r r en ts ,   th e  ap p ea r an ce   o f   n o n - ze r o   s eq u e n ce   co m p o n e n ts   in   ac co r d a n ce   with   [ 1 9 ] .  T o   ac cu r ately   ca p tu r e   th ese  p h y s ical  p h e n o m e n a,   an   u n b alan ce d   f o u r - wir e  t h r ee - p h ase  m o d el  is   ad o p ted ,   wh ich   ex p licitly   in clu d es th e  ef f ec t  o f   th e  n eu tr al  c o n d u ct o r .   a.   Sy m m etr ical  co m p o n en t tr a n s f o r m atio n     T h e  f o r m alis m   o f   s y m m etr ic al  co m p o n en ts   ( p o s itiv e,   n eg ativ e,   ze r o )   is   in t r o d u ce d   to   d ec o m p o s e  an y   u n b alan ce d   v o ltag e   o r   c u r r en t  v ec to r   in t o   th r ee   i n d e p en d en t  b alan ce d   n etwo r k s   b ased   o n   th e  m o d el   p r o p o s ed   by  [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   L et:      012 =   [ 0 1 2 ]   ,  012 =   [ 0 1 2 ]   ( 1 )     T h e  tr an s f o r m atio n   to   t h e  d o m ain   ( ab c)   is   ex p r ess ed   as:     =   [ 1 1 1 1 2 1 2 ]   ( 2 )     wh er e:    = 120 °   T h e  in v er s e  tr a n s f o r m atio n   is   g iv en   b y :     = 012 ,  012 = − 1 ,   ( 3 )     with     r ep r esen tin g   t h e  v o ltag e   o r   cu r r en t v ec to r s   f o llo win g   th e  ap p r o ac h   d e v elo p ed   in   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   b.   I m p ed an ce   in   s y m m etr ic  c o m p o n en ts   T h e  s y m m etr ic  im p e d an ce   m a tr ix   is   p r esen ted   d iag o n ally   as:     012 =   [ 0 0 0 0 1 0 0 0 2 ]   ( 4 )     wh er e     0 : Z er o   s eq u en ce   im p ed a n ce ,   as s o ciate d   with   th e  r etu r n   th r o u g h   n eu tr al/g r o u n d ;     1 : Po s itiv e  s eq u en ce   im p ed an ce ,   d o m in a n t c o m p o n e n t in   b ala n ce d   o p er atio n ;     2 : N eg ativ e  s eq u en ce   im p e d an c e,   r elate d   to   im b alan ce .   T h e  tr an s f o r m atio n   to   t h e  p h as e  im p ed an ce   m atr ix   (  )   is   wr itten   as:     = 012   − 1   ( 5 )     T h is   o p er atio n   m ak es e x p licit  th e  co u p lin g s   b etwe en   p h ases   an d   with   th e  n eu tr al  in   th e   o v e r all  m o d el.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp a ct  o f  o p tima l p o w er flo w   o n   p o w er q u a lity in   a   l o w   vo lta g e  th r ee - p h a s e   …   ( Da vid   Mil a mb o   K a s u mb a )   2309   2 . 4 . 2 .   Dec is io n  v a ria bles   Ph ase  r ec o n f ig u r atio n   is   m o d e led   b y   a  b in ar y   v ar iab le:     ø ∈ { 0 , 1 }   ∀     , ∀ ø     { , ,   } , ∀    ( 6 )     s u ch   as:   ø   ∈   Ø  o u   Ø  =   { , ,   }     , ø , =   { 1 , 0 ,      ℎ                         ℎ    ø         ,  ℎ  ,                                                                                                                                                                                     wh er e:  ∈ : set o f   n o d es;   ø ∈ { , , }   : p h ases ;   ∈ : tim e .    Ph ase  r ec o n f ig u r atio n   is   m o d eled   b y   a  b in ar y   v ar iab le  f o ll o win g   [ 2 4 ]   o v e r   th e  tem p o r a l  h o r izo n .   T h is   v ar iab le  allo ws  f o r   d y n a m ic  ad ju s tm en t  o f   lo ad   allo ca tio n   to   p h ases   to   m in im ize  lo s s es  an d   im b alan ce   [ 2 5 ] .     2 . 4 . 3 .   O bje ct iv e  f un ct io n   T h e  o b jectiv e  is   to   m in im ize  to tal  ac tiv e  lo s s es  o v er   th e  tim e  h o r izo n   T .   R esis t iv e  lo s s es  ar e   p r o p o r tio n al  to   × | | 2 ac co r d in g   to   J o u le' s   law,   th u s :     min ∑ ∑ ∑  , ø |  , ø , | 2 ∈ ø ∈ { , , } ( , ) ∈   ,   ( 7 )     wh er e:      :  s et  o f   lin es;    , ø   :  r esis tan ce   o f   lin e  ( , )   o f   p h ase  ø ;    , ø ,   :  cu r r e n t  o n   p h ase  ø   at   tim e  t .   T h is   n o n - lin ea r   f o r m u latio n   is   ch ar ac ter is tic  o f   th e  p r o b lem s   MI NL P   ac co r d in g   to   th e  class ic  f o r m u latio n   o f   [ 2 6 ] .     2 . 4 . 4 .   AC  po wer   f lo w  equa t i o ns   Activ e  an d   r ea ctiv e  f l u x es  ar e   d ef in e d   b ased   o n   th e  r ea l  (  )   an d   im ag in a r y   (  )   co m p o n e n ts   o f   th e  v o ltag es:   a.   Activ e  p o wer     , ø , =   , ø ,  ∑ (  , ø , ø ,  −  , ø , ø ,  ) + , ø ,  ∈ ∑ (  , ø , ø ,  −  , ø , ø ,  ) ∈   ∙     ( 8 )     b .   R ea ctiv e  p o wer     , ø , =   , ø ,  ∑ (  , ø , ø ,  −  , ø , ø ,  ) + , ø ,  ∈ ∑ (  , ø , ø ,  −  , ø , ø ,  )   ∙ ∈     ( 9 )     W h er e:    , ø   ,  , ø : c o n d u ctan c e  et  s u s ce p tan ce   d u   ter m e  ad m ittan ce s   n o d ales;   : set o f   n o d es c o n n ec te d   to   i.   T h ese  eq u atio n s   r ep r esen t  th e   co m p lete  f o r m s   o f   t h e  n o n lin e ar   AC   p o wer   f lo w   in   a n   u n b al an ce d   th r ee - p h ase  s y s tem   [ 1 0 ] .     2 . 4 . 5 .   O pera t io na l  c o ns t ra ints   a.   Po wer   b alan ce     At  ea ch   n o d e   we  h av e:     , ø , +   ∑ ℎ , , ø , = , ø , +   ∑ ℎ , , ø ,   ℎ ∈  , ø |  , ø , | 2 ℎ ∈  , ∀     , ø ∈ ∅ , ∈     ( 1 0 )     w h er e:  , ø ,   =   ac tiv e  p o wer   g en e r at ed /in jecte d   at  th e  n o d e   n ;   , ø ,   =   ac tiv e  p o wer   a b s o r b e d   b y   th e  l o ad   at   th e  n o d e   n ;   ℎ ∈  =   s et  o f   b r an c h es e n ter in g   n o d e   n ;   a n d   ℎ ∈    =   s et  o f   b r a n ch es lea v in g   n o d e   n.   A  s im ilar   f o r m u latio n   h o ld s   f o r   r ea ctiv e  p o wer   ( Q) .   T h e  n o d al  b alan ce   is   en f o r ce d   th r o u g h   Kir ch h o f f ’ s   cu r r en t  law  ( KC L ) ,   en s u r in g   co n s is ten cy   b et wee n   p o wer   g e n er atio n ,   lo ad   d em an d ,   an d   p o wer   f lo ws  th r o u g h o u t  th e  n etwo r k .   T h e   p r o p o s ed   OPF  f r a m e wo r k   r elies  o n   th e  AC   p o wer   f lo w  eq u atio n s   to   m ain tain   th is   b alan ce   at  ea ch   n o d e  wh ile  ac c u r ately   r e p r es en tin g   th e  elec tr ical  b e h av io r   o f   th e  u n b alan ce d   th r ee - p h ase  l o w - v o ltag e   s y s tem .   T o   en s u r e   co m p u tatio n al  ef f icien c y   an d   r o b u s t  co n v er g en ce ,   th e   o p tim izatio n   p r o ce s s   is   im p lem en ted   u s in g   th e  in ter io r   p o i n t  m eth o d   a v ailab le  in   Pan d a p o wer .   Activ e  p o wer   lo s s es  ar e  ex p licitly   co n s id er ed   in   th e  o b jectiv e  f u n ctio n   an d   e v alu ated   f r o m   f ee d er   r e s is tan ce s   an d   p h ase  cu r r en ts ,   en s u r in g   a  p h y s ically   co n s is ten t  r ep r esen tatio n   o f   n etwo r k   lo s s es  wh ile   p r eser v in g   th e  tr ac tab ilit y   o f   th e  o p tim izatio n   p r o b le m .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   5 ,   Octo b e r   20 26 :   2 3 0 4 - 2 3 2 0   2310   b .   Vo ltag e  lim its   T o   g u a r an tee  ac ce p tab le  v o lta g es,  th e  v o ltag e  c o n s tr ain t is e x p r ess ed   b y :     ( ) 2   ≤ ( , ø ,  ) 2 + ( , ø ,  ) 2   ≤ ( ) 2     ( 1 1 )     T y p ically ,   with   = 0 . 95      et  = 1 . 05      ac co r d in g   to   th e  s tan d ar d   E N  5 0 1 6 0   [ 2 6 ] .   c.   T h er m al  lim its   E ac h   lin e  m u s t c o m p ly   with :       , ø , 2 +  , ø , 2   ≤ ( S ij , ø m ax ) 2     (1 2 )     wh er e      is   th e  ap p ar en t h ea t c a p ac ity   o f   lin e   .   d .   Vo ltag e  u n b alan ce   f ac to r   ( VUF)     T h e  u p p er   an d   lo wer   lim its   o f   th e  VUF  ar e  d ef in ed   as f o llo w s :     | , − | | , + |   ≤         ,    ∀    , ∀      (1 3 )     wh er e  +   an d   −   ar e  th e  p o s itiv e  an d   n eg ativ e  s eq u e n ce s   o f   th e  v o l tag es  [ 2 1 ] ,   [ 2 6 ] .   e.   Sin g le  ass ig n m en t   E ac h   lo ad   ca n   o n l y   b e  c o n n ec t ed   to   o n e  ø   at  an y   tim e:     ∑ , ø , = 1   ∙ ø ∈ { , , }   ( 14)     2 . 5 .     Sim ula t io n  f ra m ew o rk   T h e  u n b ala n ce d   th r ee - p h ase  OPF  m o d el  was  im p lem en ted   in   Pan d ap o wer   [ 1 4 ] ,   [ 1 7 ] ,   [ 1 9 ] – [ 2 2 ] ,   [ 2 5 ] – [ 2 9 ]   u s in g   r ea l  f ield   m e asu r em en ts   co llected   f r o m   th e  Kam alo n d o   l o w - v o ltag e   d i s tr ib u tio n   n etwo r k .   T h e  n etwo r k   was  m o d eled   as   a  f o u r - wir e  s y s tem   with   ex p licit  r ep r esen tatio n   o f   th e  n eu tr al  co n d u ct o r   an d   p h ase  im p ed an ce   m atr ices  ( Z a bc )   d er iv ed   f r o m   th e  elec tr ical   p ar am eter s   r ep o r ted   in   T ab le   2 .   T h is   m o d elin g   ap p r o ac h   en ab les  th e  ac c u r ate   r ep r esen tatio n   o f   ze r o - s eq u en ce   cu r r en ts ,   n e u tr al  co n d u cto r   lo ad in g ,   a n d   p h ase  asy m m etr ies co m m o n ly   o b s er v ed   in   u r b an   lo w - v o lta g e  f ee d er s .   Simu latio n s   wer e  co n d u cte d   o v er   a  2 4 - h o u r   h o r izo n   u s in g   h o u r ly   lo ad   p r o f iles   d er i v ed   f r o m   f ield   m ea s u r em en ts .   T h e   o p tim izati o n   p r o b lem   was  f o r m u lated   a s   a  MI NL P   m o d el  a n d   s o l v ed   u s in g   th e   in ter io r   p o in t  m eth o d   im p lem e n ted   in   Pan d ap o wer .   T h is   s o lv er   was  s elec ted   b ec au s e  o f   its   r o b u s tn ess ,   co m p u tatio n a l   ef f icien cy ,   a n d   p r o v en   ca p a b i lity   to   h an d le  lar g e - s ca le  n o n l in ea r   OPF  p r o b lem s   wh ile  e n s u r in g   r e p r o d u cib le  r esu lts .   T h e  o p tim izatio n   p r o c ess   aim ed   to   m in im ize  t o tal  ac tiv e  p o wer   lo s s es  wh ile  s atis f y in g   p o wer   b alan ce   eq u atio n s ,   v o ltag e  c o n s tr ain ts ,   th er m al  l o ad in g   lim its ,   an d   p h ase  u n b ala n ce   r estrictio n s .   V o ltag e  m ag n itu d es   wer e  m ain tain ed   with in   ± 5 %  o f   th eir   n o m in al  v alu es in   ac c o r d an ce   with   t h e  E N  5 0 1 6 0   s tan d ar d .   T h e  av er a g e  c o m p u tatio n   tim e  r eq u ir e d   to   s o lv e  t h e  2 4 - h o u r   OPF  p r o b lem   r an g e d   b etw ee n   4 5   an d   6 0   s ec o n d s   o n   a  s tan d a r d   w o r k s tatio n   eq u ip p e d   with   a n   I n tel  C o r e  p r o ce s s o r   a n d   1 6   GB   o f   R AM .   T h is   co m p u tatio n al  p e r f o r m an ce   d em o n s tr ates  th e  p r ac tical  ap p licab ilit y   o f   th e  p r o p o s ed   MI NL P - b ased   OPF   f r am ewo r k   f o r   o p er ati o n al  p la n n in g   a n d   p o wer   q u ality   ass es s m en t in   lo w - v o ltag e   d is tr ib u t io n   n etwo r k s .     2 . 6 .     O ptim iza t io n a nd   c o ns t ra in t s   T h e  o b jectiv e  f u n ctio n   ( 5 )   m i n im izes  to tal  ac tiv e  p o wer   lo s s es  s u b ject  to   th e  th e r m al,   v o ltag e,   an d   u n b alan ce   co n s tr ain ts   ( 8) – ( 1 2 ) .   T h ese  in cl u d ed :   i )   lin e  lo a d in g   lim its   to   p r ev e n t  th er m a l  o v er ca p ac ity   (1 0 ) ,    ii)  v o ltag e  b o u n d s   with in   [ 0 . 9 5 ,   1 . 0 5 ]   p u   ( 9 ) ,   a n d   iii)  a   m ax im u m   VUF   en s u r in g   p h a s e  s y m m etr y   (1 1 ) .  Pan d ap o wer   in teg r ates  th ese  co n s tr ain ts   in to   an   o p tim izatio n   r o u tin e,   iter ativ ely   a d ju s tin g   p h ase  v o ltag es  an d   in jectio n s   to   m in im ize  lo s s es a n d   r esto r e  n etwo r k   b alan ce .     2 . 7 .     M o del  v a lid a t io n a nd   perf o rm a nce  a s s ess m ent   Pan d ap o wer   s im u latio n   r esu lts   wer e  co m p ar ed   with   m ea s u r ed   o p er atio n al  d ata  in   o r d er   to   v alid ate  th e  m o d el  as  s h o wn   in   T ab le   1 .   T h e  m o d el' s   ac cu r ac y   was  co n f ir m ed   b y   th e  m ea n   ab s o lu te  er r o r   b etwe en   s im u lated   an d   o b s er v e d   v o lta g es,  wh ich   s tay ed   b elo w  2 % .   T h e  OPF  lo wer ed   th e  VUF  f r o m   8 %  to   3 %,  d ec r ea s ed   ac tiv e  lo s s es  b y   ap p r o x im ately   3 0 %,  an d   en h a n c ed   m in im u m   v o lta g e  lev els  ( 1 9 8   V  to   2 1 0   V)   an d   o v er v o ltag es   ( 2 3 0   V  to   2 2 6   V ) .   T h ese  r esu lts   d em o n s tr ate  th at  th e  p r o p o s ed   u n b ala n ce d   OPF  f o r m u latio n   is   b o th   co m p u tatio n ally   s tab le  an d   o p er atio n ally   r ea lis tic,   o f f er in g   a  v alu ab le  f r am ew o r k   f o r   im p r o v in g   p o we r   q u ality   in   L V  n etwo r k s   o f   d ev elo p in g   r e g io n s   s u ch   as L u b u m b ash i.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp a ct  o f  o p tima l p o w er flo w   o n   p o w er q u a lity in   a   l o w   vo lta g e  th r ee - p h a s e   …   ( Da vid   Mil a mb o   K a s u mb a )   2311   3.   RE SU L T S   3 . 1 .     Cha ra ct er iza t io n o f   lo a d be ha v io r  per  F ee der   T h e  h o u r ly   ev o lu tio n   o f   ac tiv e  p o wer   co n s u m p tio n   o v er   a   2 4 - h o u r   p er io d   ac r o s s   th e  f iv e   f ee d er s   o f   th e  s tu d ied   L V  n etwo r k   is   d ep icted   in   Fig u r e  4 .   T h e  d etailed   h o u r l y   ac tiv e  p o wer   lo ad   p r o f ile  f o r   ea ch   f ee d er   is   s h o wn   s eq u en tially   in   F ig u r e  4 ( a)   th r o u g h   Fig u r e  4 ( e) .   T h e  Kam alo n d o   d is tr ib u tio n   s y s tem 's  o p er atio n al  f r ag ilit y   u n d er   h i g h   lo a d in g   co n d itio n s   is   r ef lecte d   in   t h e   r esu lts ,   wh ich   s h o w  s ig n if ican t  tem p o r al  a n d   s tr u ctu r al  h eter o g en eity .   Feed er   2 ' s   lo ad   p r o f ile  is   co n s ta n tly   h ig h   an d   u n p r e d ictab le,   with   p h ase  p o wer s   r ea ch in g   1 5 0 - 1 7 0   k W .   T h is   i m p lies   th e  ex is ten ce   o f   c o m m er cial  ac tiv ity ,   d en s e  r esid e n tial  ag g r e g atio n ,   o r   n ea r ly   co n s tan t  o p e r atio n   o f   i n s titu tio n al  co n s u m er s .   Feed er   3 ' s   to tal   p h ase  lo ad s   ar e  s til l  less   th an   4 0   k W ,   wh ich   is   ty p ical  o f   a  r esid en tial  ar ea   with   litt le  tr af f ic,   an d   i ts   p o wer   lev els  ar e  s ig n if ican t ly   lo wer   th an   t h o s e   o f   th e  o t h er   f ee d er s .           ( a)   ( b )           ( c)   ( d )         ( e)     Fig u r e  4 .   Ho u r ly   lo a d   ev o lu tio n   o f   f e ed er s   1   to   5   ( a )   d ep ar t 1 ,   ( b )   d ep ar t  2 ,   ( c)   d ep a r t 3 ,   ( d )   d ep ar t 4 ,     an d   ( e)   d ep ar t  5       Feed er s   1 ,   4 ,   an d   5   s h o w  h ig h   lev els  o f   p o wer   a n d   h ig h   lev els  o f   tem p o r al  v ar ia b ilit y .   Fe ed er   5   ca n   h an d le  m o r e   th an   1 5 0   k W   o f   lo ad   o n   two   p h ases   an d   Feed e r s   1   an d   4   ex ce ed   2 0 0   k W   in   p ea k   p h ase  p o wer .   T h er e  ar e  n o tab le  d r o p s   an d   d is co n tin u ities   f o r   th ese  f ee d er s   f r o m   1 0 :0 0   to   1 8 :0 0 .   Feed er   5   n ea r ly   lo s es  o n e   p h ase  en tire ly   i n   th e  late   af te r n o o n .   Feed er   4   h as  two   n o tab le  in ter r u p tio n s   o f   th e  l o ad   an d   Feed er   1   h as  a   s ig n if ican t  d r o p   i n   th e  m id d le   o f   th e  d ay .   I n   an   alr ea d y   s tr a in ed   L V  n etwo r k ,   s u c h   p atter n s   ar e  in d icativ e  o f   lo ad   s h ed d in g   p r o ce d u r es,  p r o tectio n - tr ig g er e d   d is co n n ec tio n s ,   o r   u n s tab le  d o wn s tr ea m   c o n n ec tio n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   16 ,   No .   5 ,   Octo b e r   20 26 :   2 3 0 4 - 2 3 2 0   2312   Sev er e  im b alan ce s   with in   an d   b etwe en   f ee d er s   ca n   b e  s ee n   b y   clo s ely   e x am in in g   th e   p h ase - wis e   cu r v es.  W h ile  all  th r ee   p h ases   s till   p r o d u ce   co n s id er a b le  n eu tr al  cu r r e n ts ,   with   Ph ase  A  p r o d u cin g   c u r r e n ts   ab o u t  2 0   k W   less   th an   o th er s ,   Ph ase  B   s till   d o m in ates  Feed e r   1   with   p o wer s   g r e ater   th a n   2 1 0   k W .   T h e   f ee d er   ty p e  o f   Feed e r   2   is   q u asi - m o n o p h asic,  wh er e  Ph ase  A  is   d ea ctiv ated ,   an d   c o m p lete  lo a d   is   p lace d   o n   Ph ases   B   an d   C ,   r esu ltin g   in   ex tr em e  lo ad   asy m m etr y .   Feed er   3   s h o ws  co n s tan t  u n d er u tili za tio n   o f   Ph ase  C ,   wh ile   u n d er u tili za tio n   o f   Feed er   4   an d   5   alo n g   with   s tr o n g   p h ase  d o m in an ce   an d   u n ev e n   p h a s e  r ed u ctio n s   ca u s e  v o ltag e  u n b alan ce   a n d   in c r ea s ed   th er m al  s tr ess .     3. 2 .   P ha s e  i m ba la nce  a nd   v o lt a g e  beha v io r  in  t he  L V  net wo rk   Fig u r e  5   p r o v id es  an   in teg r at ed   o v er v iew  o f   th e  c u r r en t,  v o ltag e,   an d   VUF  d is tr ib u tio n s   with in   th e  a n a l y z e d   L V  n e t w o r k ,   h i g h li g h t i n g   t h e   m a g n it u d e   a n d   o p e r at i o n a l   c o n s e q u e n c e s   o f   p h a s e  im b a l a n c e   o n   p o w e r   q u a l i t y .   T h e   o b s e r v e d   p a t t e r n s   r e v e a l   p e r s is t e n t   as y m m e t r i es   in   b o t h   c u r r e n t   a n d   v o l t a g e   b e h a v i o r ,   s y m p t o m a t i c  o f   h i g h l y   u n e v e n   l o a d   a l l o c at i o n   a n d   w e a k   n e t w o r k   m es h i n g   in   t h e   K a m al o n d o   d i s t r i b u ti o n   s y s t e m .   F ig u r e  5 ( a ) ,  th e  th r ee   p h ase  cu r r en ts   ar e  in itially   well  b alan ce d   at  th e  s u b s tatio n ,   co n f ir m in g   a  co r r ec t p h ase  d is tr ib u tio n   at  th e  s o u r ce .   H o wev er ,   a  p r o n o u n ce d   im b alan ce   em er g es  i m m ed iately   alo n g   th e   d o wn s t r ea m   f ee d e r s .   Fro m   Feed er   1   an d   b ey o n d ,   th e  p h a s e  cu r r en ts   ar e  b etwe en   2 6 0 – 3 7 0   A  an d   th e  n eu tr al  cu r r en t   ex ce ed   3 4 0   A.   I n   s o m e  ca s es,  th e  n eu tr al  c u r r e n t  ca n   b ec o m e   co m p ar ab le  t o   o r   h ig h er   t h an   t h e  p h ase  cu r r en ts .   Feed er s   2   a n d   3   also   s h o w  h ig h   n e u tr al  cu r r e n t,  d esp ite  ca r r y in g   a   lo wer   to tal  p o wer .   T h is   s h o ws  th at   th e  im b alan ce   is   s tr u ctu r al  an d   n o t  ju s t  s tr ictly   p r o p o r tio n al  to   th e  m ag n itu d e  o f   th e  lo a d .   Feed er s   4   a n d   5   f u r th er   ex ac er b ate   th is   co n d itio n   th r o u g h   s tr o n g   p h ase  d o m in an ce ,   p ar ticu lar l y   o n   Ph ase  B ,   an d   n ea r   ab s en ce   o f   Ph ase  C   o n   ce r tain   b r an ch es.  Fig u r e  5 ( b )   s h o ws  h o w  p h ase - to - n eu tr al  v o ltag es  v ar y   ac r o s s   th e  n etwo r k .   Su b s tatio n   an d   n o d es  1 4   an d   2 8   p r esen t  v o ltag es  th at  ar e   with in   th e   ac ce p tab le  r an g e .   Ho wev e r ,   n o d es  7 ,   1 2 ,   a n d   1 8   s h o w   cr itical  d ev iatio n s .   No d e  1 2   s h o ws  th e  g r ea test   d e g r ad ati o n ,   c h ar ac ter ized   b y   p h ase  A  v o ltag e,   a n d   well  b elo w  r eg u lato r y   lim its ,   alo n g   with   s ig n if ican t   d ev iatio n s   in   p h ases   B   an d   C .   Fig u r e  5 ( c )   s h o ws  th e  VUF  at  ea ch   n o d e,   wh ich   ad d s   a  q u an titativ e  d im en s io n   to   o u r   o b s er v atio n s .   W h ile  m o s t  n o d es   h av e  VUFs   b elo w  3 %,  wh ich   is   ac ce p tab le   p er   t h e  I E C   6 1 0 0 0 - 3 - 1 3   r ec o m m e n d atio n s ,   N o d es  1 2   a n d   1 8   V UFs   o f   ab o u t  4 8 . 8 %  an d   7 . 8 %,  r esp ec tiv ely ,   i n d ic ate  a  g r o s s   v io latio n   o f   lim it s .   T h ese  n u m b e r s   in d icate   s ev er e  s tr u ctu r al  a n d   lo ad - r elate d   asy m m et r ies,  wh ich   tr an s lates  to   in cr ea s ed   lo s s es  an d   v o ltag e  q u ality   d eter io r atio n   a n d   o p er atio n al  s tr ess   o n   d is tr ib u ti o n   tr an s f o r m er s   an d   d o wn s tr e am   ca b les.           ( a)   ( b )         ( c)     Fig u r e  5 .   I n teg r ated   o v e r v iew  o f   cu r r en t,  v o ltag e,   an d   VUF  d is tr ib u tio n s   in   th e  an al y ze d   L V  n etwo r k :     ( a)   ev o l u tio n   o f   p h ase  a n d   n e u tr al  cu r r en ts   p er   f ee d er ,   ( b )   p h ase - to - n eu tr al  v o ltag e  p r o f iles ,   an d     ( c)   VUF  p er   n o d e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         I mp a ct  o f  o p tima l p o w er flo w   o n   p o w er q u a lity in   a   l o w   vo lta g e  th r ee - p h a s e   …   ( Da vid   Mil a mb o   K a s u mb a )   2313   3 . 3 .     E v a lua t i o n o f   lo s s es a nd   t herm a l e f f ec t s   un der  ph a s e   im ba la nce   Fig u r e  6   h ig h lig h ts   th e   r ea l  im p ac ts   o f   elec tr ical   im b alan ce   i n   th e   Kam alo n d o   L V   n etwo r k .   A  s tr o n g   lo ad   asy m m etr y ,   esp ec ially   o n   Feed er   5 ,   Ph ase  B ,   ca u s es  o v er cu r r en ts ,   J o u le  lo s s es,  h ig h   n eu tr al  cu r r en t,  an d   co n d u ct o r   h ea tin g .   T h e  r i g h t   s id e  o f   th e  f ig u r e  s h o ws  th er m al  d eg r ad atio n   an d   in s u la tio n   d am ag e  o n   an   o v er lo ad e d   ca b le,   c o n f ir m i n g   th e   lin k   b etwe en   im b ala n ce   an d   o v er h ea tin g .   Fu th e r m o r e,   th e   s p atial   d is tr ib u tio n   o f   th er m al  s tr ess   p r ed icted   b y   th e  m o d el  als o   m atch ed   t h e  h o ts p o ts   o b s er v ed   in   t h e  f ield ,  v alid atin g   th e  r o b u s tn ess   o f   th e  Pan d ap o wer - b ased   s im u latio n .             Fig u r e  6 .   E s tim ated   J o u le  l o s s es p er   f ee d er   an d   illu s tr ativ e  p h o to g r a p h   f o r   f e ed er   5   ( cr e d it:  [ 7 ] )       3 . 4 .     I m pa c t   o f   O P F   i m plementa t io n   Fig u r e  7   illu s tr ates  th e  im p ac t   o f   t h e  p r o p o s ed   u n b alan ce d   t h r ee - p h ase  OPF  f r am ewo r k   o n   th e  m ain   p er f o r m an ce   in d icato r s   o f   t h e  Kam alo n d o   lo w - v o ltag e   n etwo r k .   T h e  r esu lts   d em o n s tr ate  s ig n if ican t  im p r o v em e n ts   in   v o ltag e  r e g u latio n ,   cu r r en t  lo a d in g ,   p o wer   lo s s es,  an d   p h ase  b alan ce   u n d er   h ea v ily   lo ad e d   o p er atin g   c o n d itio n s .   As  s h o wn   in   Fig u r e  7 ( a ) ,   s ev er al  f ee d er s   in itially   o p er ated   u n d er   s ev e r e  v o ltag e  s tr ess ,   with   p h ase - to - n eu tr al  v o ltag es  f allin g   b el o w  0 . 9 5   p . u .   an d   r ea ch in g   v al u es  as  lo w  as  0 . 9 0 – 0 . 9 3   p . u .   o n   s o m e  b r an c h es.  T h ese  v o ltag e   d ev iatio n s   wer e  m ain ly   ca u s ed   b y   h ig h   lo ad in g   lev els,  l o n g   f ee d e r   len g th s ,   an d   p r o n o u n ce d   p h ase  im b alan ce .   Fo llo win g   t h e  ap p licatio n   o f   th e  OPF,  v o ltag e  p r o f iles   wer e  s ig n if ican tly   im p r o v e d   an d   m ain tain ed   with in   th e  ac ce p t ab le  o p er atin g   r an g e  o f   a p p r o x im ately   0 . 9 7 – 0 . 9 9   p . u .   ac r o s s   all  f ee d er s .   T h is   r esu lt  co n f ir m s   th e  ef f ec tiv e n ess   o f   th e  p r o p o s ed   o p tim izatio n   f r am ewo r k   in   m itig a tin g   u n d e r v o ltag e   co n d itio n s   an d   im p r o v in g   co m p lian ce   with   p o wer   q u ality   s ta n d ar d s .   T h e  ef f ec t  o f   OPF  o n   f ee d e r   l o ad in g   is   p r esen te d   in   Fig u r e   7 ( b ) .   Pri o r   to   o p tim izatio n ,   p e ak   p h ase   cu r r en ts   ex ce ed e d   3 5 0   A  o n   Feed er s   1 ,   4 ,   an d   5 ,   in d icatin g   s ev er e  o v er l o ad   co n d itio n s   an d   u n e v en   p h ase  lo ad in g .   Af ter   o p tim izatio n ,   t h e  m ax im u m   c u r r e n ts   wer e  r ed u ce d   to   a p p r o x im ately   3 0 0 – 3 2 0   A,   r ef lectin g   a   s u b s tan tial  allev iatio n   o f   c o n d u cto r   l o ad in g   an d   a  m o r e  b alan ce d   d is tr ib u tio n   o f   p o wer   am o n g   th e  p h ases .   Su ch   r ed u ctio n s   co n tr ib u te  d ir ec tly   to   lo wer   th er m al  s tr ess ,   im p r o v ed   e q u ip m e n t  life tim e,   an d   en h an ce d   o p er atio n al  r eliab ilit y .   T h e  im p ac t   o f   OPF  o n   ac t iv e  p o wer   lo s s es  is   illu s tr at ed   in   Fig u r es  7 ( c )   an d   7 ( e ) .   B ef o r e   o p tim izatio n ,   lo s s es  r an g e d   f r o m   ap p r o x im atel y   1 . 5   k W   o n   lig h tly   lo a d ed   f ee d er s   to   m o r e  th an   4   k W   o n   th e   m o s t  h ea v ily   lo ad ed   f ee d er s ,   p ar ticu lar ly   Feed er s   1   an d   5 .   Fo llo win g   o p tim izatio n ,   lo s s es  wer e  r ed u ce d   b y   ap p r o x im ately   3 0 % – 4 0 %,  with   th e  lar g est  r ed u ctio n s   o cc u r r in g   o n   f ee d er s   ca r r y in g   th e   h i g h est  cu r r en ts .   T h e   s p atial  h ea t  m ap   f u r th e r   co n f ir m s   a  s ig n if ican t  d ec r ea s e  in   lo s s   co n ce n tr atio n   th r o u g h o u t  th e   n etwo r k ,   d em o n s tr atin g   th e  ab ilit y   o f   OPF  to   r ed is tr ib u te  p o wer   f lo ws  an d   r ed u ce   r esis tiv e  d is s ip atio n   u n d er   u n b alan ce d   o p e r atin g   co n d itio n s .   Fig u r e  7 ( d )   s u m m ar izes  th e  m ain   p er f o r m an ce   i n d icato r s   b ef o r e  a n d   af ter   o p tim izatio n ,   in clu d in g   v o ltag e  lev els,  cu r r en t  lo a d in g ,   ac tiv e  lo s s es,  an d   v o ltag e  u n b alan ce .   T h e  r esu lts   in d icate   th at  th e  p r o p o s ed   OPF  f r am ewo r k   s u cc ess f u lly   im p r o v es  n etwo r k   p er f o r m a n ce   with o u t  in tr o d u ci n g   a d d itio n al  o p er atio n al  co n s tr ain ts   o r   v o lta g e  v io latio n s .   Fin ally ,   Fig u r e  7 ( f )   p r esen ts   th e  ev o lu tio n   o f   th e  VUF.   A  s ev er e  im b alan ce   was  o b s er v e d   o n   Feed er   2   b ef o r e  o p tim izatio n ,   wh er e   th e  VUF  r ea ch ed   ap p r o x im at ely   4 8 %,   m ain ly   d u e   to   a   p h a s e - o u tag e  c o n d itio n   r esu ltin g   in   ex tr e m e  lo ad   asy m m etr y .   Af ter   OPF  im p lem en tatio n ,   th e  VUF  o n   th is   f ee d er   was  r ed u ce d   to   ap p r o x im ately   1 2 %,  wh ile  t h e   r em ain in g   f ee d er s   ex h ib ited   VUF  v alu es  b elo w  5 %.  T h ese   r esu lts   d em o n s tr ate  th e  ca p ab ilit y   o f   th e  p r o p o s ed   ap p r o ac h   to   s u b s tan tially   im p r o v e   p h ase  s y m m etr y   an d   o v er all  p o wer   q u ality   th r o u g h o u t t h e  d is tr ib u tio n   n et wo r k .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.