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Matpower 6.0
User’s Manual
Ray D. Zimmerman Carlos E. Murillo-S´anchez
December 16, 2016
© 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016 Power Systems Engineering Research Center (PSerc)
All Rights Reserved
Contents
1 Introduction 10
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 License and Terms of Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Citing Matpower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Matpower Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Getting Started 13
2.1 System Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Running a Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Preparing Case Input Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Solving the Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.3 Accessing the Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.4 Setting Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Modeling 21
3.1 Data Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Shunt Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.6 Network Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.7 DC Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4 Power Flow 28
4.1 AC Power Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 DC Power Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 runpf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4 Linear Shift Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Continuation Power Flow 35
5.1 Parameterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2 Predictor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3 Corrector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.4 Step Length Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.5 Event Detection and Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2
5.6 runcpf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.6.1 CPF Callback Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.6.2 CPF Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6 Optimal Power Flow 48
6.1 Standard AC OPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.2 Standard DC OPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.3 Extended OPF Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3.1 User-defined Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.3.2 User-defined Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.3.3 User-defined Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.4 Standard Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.4.1 Piecewise Linear Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.4.2 Dispatchable Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.4.3 Generator Capability Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.4.4 Branch Angle Difference Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.5 Solvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.6 runopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7 Extending the OPF 64
7.1 Direct Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.2 Callback Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.2.1 ext2int Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.2.2 formulation Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.2.3 int2ext Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.2.4 printpf Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.5 savecase Callback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3 Registering the Callbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.5 Example Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.5.1 Fixed Zonal Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.5.2 Interface Flow Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.5.3 DC Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.5.4 DC OPF Branch Flow Soft Limits . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8 Unit De-commitment Algorithm 89
3
9 Miscellaneous Matpower Functions 91
9.1 Input/Output Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1.1 loadcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1.2 savecase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1.3 cdf2mpc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.1.4 psse2mpc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.2 System Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.2.1 case info . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.2.2 compare case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.2.3 find islands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.2.4 get losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.2.5 margcost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.2.6 isload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.2.7 printpf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.2.8 total load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.2.9 totcost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.3 Modifying a Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.3.1 extract islands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.3.2 load2disp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.3.3 modcost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.3.4 scale load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.3.5 apply changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.4 Conversion between External and Internal Numbering . . . . . . . . . 100
9.4.1 ext2int, int2ext . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.4.2 e2i data, i2e data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
9.4.3 e2i field, i2e field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
9.5 Forming Standard Power Systems Matrices . . . . . . . . . . . . . . . 102
9.5.1 makeB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9.5.2 makeBdc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9.5.3 makeJac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9.5.4 makeLODF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.5.5 makePTDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.5.6 makeYbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.6 Miscellaneous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.6.1 define constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.6.2 feval w path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.6.3 have fcn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.6.4 mpopt2qpopt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4
9.6.5 mpver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
9.6.6 nested struct copy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
10 Acknowledgments 107
Appendix A MIPS – Matpower Interior Point Solver 108
A.1 Example 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.2 Example 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.3 Quadratic Programming Solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
A.4 Primal-Dual Interior Point Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
A.4.1 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
A.4.2 Problem Formulation and Lagrangian . . . . . . . . . . . . . . 116
A.4.3 First Order Optimality Conditions . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.4.4 Newton Step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Appendix B Data File Format 121
Appendix C Matpower Options 127
C.1 Mapping of Old-Style Options to New-Style Options . . . . . . . . . . 142
Appendix D Matpower Files and Functions 146
D.1 Documentation Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
D.2 Matpower Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
D.3 Example Matpower Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
D.4 Automated Test Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Appendix E Extras Directory 163
Appendix F “Smart Market” Code 165
F.1 Handling Supply Shortfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
F.2 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
F.3 Smartmarket Files and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Appendix G Optional Packages 173
G.1 BPMPD MEX – MEX interface for BPMPD . . . . . . . . . . . . . . 173
G.2 CLP – COIN-OR Linear Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
G.3 CPLEX – High-performance LP and QP Solvers . . . . . . . . . . . . 174
G.4 GLPK – GNU Linear Programming Kit . . . . . . . . . . . . . . . . 175
G.5 Gurobi – High-performance LP and QP Solvers . . . . . . . . . . . . 175
G.6 Ipopt – Interior Point Optimizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5
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