Análise de desempenho das linguagens de programação no cálculo do fluxo de potência em redes de distribuição

Este trabalho apresenta a implementação e a análise comparativa do método de varredura direta/reversa aplicado ao cálculo de fluxo de potência em redes radiais de distribuição. A proposta foi desenvolvida a partir de uma rede base de 37 barras, posteriormente ampliada para uma rede de 111 barras por meio da replicação da estrutura original em três alimentadores radiais conectados à barra de referência. A modelagem adotou representação monofásica equivalente, considerando cargas trifásicas totais convertidas para potência por fase, tensão nominal de 34,5 kV e critério de convergência baseado na máxima variação das tensões nodais em pu entre iterações consecutivas. O algoritmo foi implementado nas linguagens Julia, Python, C++ e C#, com o objetivo de verificar a equivalência numérica das soluções e comparar o desempenho computacional das implementações. Em todos os casos analisados, as quatro linguagens convergiram em 5 iterações, com erro final de 5,3998 × 10⁻⁹ pu. Na rede de 37 barras, a menor tensão foi observada na barra 29, com valor de 0,9603 pu, e as perdas totais estimadas foram de 653,5627 kW e 1352,4981 kvar. Na rede ampliada de 111 barras, a mesma barra crítica equivalente foi identificada, mantendo-se a menor tensão em 0,9603 pu, enquanto as perdas passaram para 1960,6882 kW e 4057,4942 kvar, coerentes com a ampliação da rede. Nos benchmarks, a implementação em C++ apresentou os menores tempos médios de execução, com 27,41 µs para 37 barras e 105,34 µs para 111 barras. Os resultados confirmam a consistência do método de Varredura Direta/Reversa para redes radiais e evidenciam a influência da linguagem e das estruturas de dados no desempenho computacional.

Resumo (inglês)

This work presents the implementation and comparative analysis of the Backward/Forward Sweep method applied to power flow calculation in radial distribution networks. The study was developed using a 37-bus base network, later expanded to a 111-bus network by replicating the original structure into three radial feeders connected to the reference bus. The adopted modeling approach used a single-phase equivalent representation, considering total three-phase loads converted into per-phase power, a nominal voltage of 34.5 kV, and a convergence criterion based on the maximum per-unit variation of nodal voltages between consecutive iterations. The algorithm was implemented in Julia, Python, C++ and C# in order to verify the numerical equivalence of the solutions and compare the computational performance of the implementations. For all analyzed cases, the four languages converged in 5 iterations, with a final error of 5.3998 × 10⁻⁹ pu. In the 37- bus network, the lowest voltage was found at bus 29, with a value of 0.9603 pu, and the estimated total losses were 653.5627 kW and 1352.4981 kvar. In the expanded 111-bus network, the same equivalent critical bus was identified, maintaining the minimum voltage at 0.9603 pu, while the total losses increased to 1960.6882 kW and 4057.4942 kvar, which is consistent with the network expansion. In the benchmarks, the C++ implementation achieved the lowest average execution times, with 27.41 µs for the 37-bus network and 105.34 µs for the 111-bus network. The results confirm the consistency of the Backward/Forward Sweep method for radial networks and highlight the influence of programming languages and data structures on computational performance.

Palavras-chave

Fluxo de potência Sistemas de distribuição Varredura Direta/Reversa Redes radiais Benchmark computacional

Idioma

Português

Citação

GARCIA, Pedro Henrique Canassa. Análise de desempenho das linguagens de programação no cálculo do fluxo de potência em redes de distribuição. Orientador: Jonatas Boas Leite. 2026. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Engenharia Elétrica) - Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Engenharia, Ilha Solteira, 2026