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Análisis del flujo de potencia en redes de distribución desbalanceadas con ramales monofásicos y bifásicos mediante una formulación de punto fijo implementada en MATLAB

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2026-08-31

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Cuervo Gonzalez, Cristian David; Pinilla Morales, John Fredy (2026). Análisis del flujo de potencia en redes de distribución desbalanceadas con ramales monofásicos y bifásicos mediante una formulación de punto fijo implementada en MATLAB. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. https://hdl.handle.net/11349/103639

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Resumen

This paper proposes a fixed-point methodology for power flow analysis in unbalanced three-phase distribution networks featuring mixed single-phase, two-phase, and three-phase laterals—a common configuration in rural and lowvoltage distribution systems. The method addresses the convergence challenges posed by low X/R ratios, radial topologies, and inherent phase unbalance that hinder classical power flow solvers. The formulation employs a per-unit impedance model, constructs a detailed three-phase nodal admittance matrix, and incorporates explicit mathematical models for wye and delta load connections. A fixed-point iterative scheme updates nodal voltages using a partitioned network representation. The algorithm was implemented in MATLAB® and validated against the industry-standard software DIgSILENT PowerFactory® using three test systems of 4, 8, 25 and 124 nodes. Results demonstrate exceptional accuracy, with voltage magnitude deviations below 2 × 10−3 p.u., phase angle differences under 0.05◦, and relative power balance errors consistently below 0.05%. The method exhibits robust and rapid convergence, reaching a tolerance of ε = 1 × 10−10 in only 4 iterations across all test cases, with near-linear computational scalability. This was observed with standard load systems, but to test the methodology’s performance with heavy load systems, the active power consumed by the loads was increased tenfold. We observed that execution times and the number of iterations increased, and also that, as the system load increased, the method became less contractive. This combination of high numerical precision, deterministic convergence, and low computational cost establishes the proposed fixed-point method as an effective and reliable tool for the analysis and planning of modern, unbalanced distribution networks.

Descripción

Este artículo propone una metodología de punto fijo para el análisis de flujo de potencia en redes de distribución trifásicas desbalanceadas que presentan ramales monofásicos, bifásicos y trifásicos, una configuración común en sistemas de distribución rurales y de baja tensión. El método aborda los desafíos de convergencia asociados con bajos valores de la relación X/R, topologías radiales y el desbalance inherente entre fases, factores que pueden dificultar el desempeño de los solucionadores clásicos de flujo de potencia. La formulación emplea un modelo de impedancias en valores por unidad, construye una matriz detallada de admitancias nodales trifásica e incorpora modelos matemáticos explícitos para cargas conectadas en estrella y delta. Se implementa un esquema iterativo de punto fijo que actualiza las tensiones nodales mediante una representación particionada de la red. El algoritmo fue implementado en MATLAB® y validado frente al software de referencia utilizado en la industria, DIgSILENT PowerFactory®, mediante cuatro sistemas de prueba de 4, 8, 25 y 124 nodos. Los resultados demuestran una precisión excepcional, con desviaciones en la magnitud de las tensiones inferiores a 2 × 10−3 p.u., diferencias en los ángulos de fase inferiores a 0.05◦ y errores relativos en el balance de potencia consistentemente inferiores al 0,05 %. El método presenta una convergencia robusta y rápida, alcanzando una tolerancia de ε = 1 × 10−10 en solo 4 iteraciones para todos los casos de prueba, con una escalabilidad computacional cercana a lineal. Estos resultados se obtuvieron utilizando sistemas con cargas estándar. Sin embargo, con el fin de evaluar el desempeño de la metodología bajo condiciones de alta demanda, se incrementó diez veces la potencia activa consumida por las cargas. Se observó que, bajo estas condiciones, aumentaron tanto los tiempos de ejecución como el número de iteraciones y, además, a medida que se incrementó la carga del sistema, el método presentó una menor contractividad. Esta combinación de alta precisión numérica, convergencia determinista y bajo costo computacional establece al método de punto fijo propuesto como una herramienta eficaz y confiable para el análisis y la planificación de redes de distribución modernas y desbalanceadas.

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