《Renewable Energy Focus》：Multi-region modeling and integration in expansion planning using OSeMOSYS
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开放源能源建模系统（OSeMOSYS）是一种自下而上的线性优化框架，用于长期能源系统扩展规划。本研究提出了一种替代方法，用于在多区域长期扩展规划问题中显式建模区域间电力交换。与标准OSeMOSYS公式中将贸易表示仅约束区域间燃料交换量不同，本研究通过将互联线路
开放源能源建模系统（OSeMOSYS）是一种自下而上的线性优化框架，用于长期能源系统扩展规划。本研究提出了一种替代方法，用于在多区域长期扩展规划问题中显式建模区域间电力交换。与标准OSeMOSYS公式中将贸易表示仅约束区域间燃料交换量不同，本研究通过将互联线路建模为专用技术，从而能够显式表示输电损耗、成本、可用容量及运行约束。该方法的可行性通过一个假设国家“Brazago”的简单算例以及基于巴西能源系统的案例研究加以验证。研究进一步评估了时间（timeslice数量与年份数）、空间（区域数量）和技术（每区域技术数量）分辨率对模拟结果、总系统成本及计算负担的影响。在巴西案例中，共设计了30个具有不同分辨率组合的情景，并对年装机容量、发电量、总成本和模拟运行时间进行了比较。结果表明，不同分辨率的选择会显著影响扩展路径、能源结构构成和计算可行性。较高的时间分辨率能够更精确地刻画可再生资源与需求的变率，从而提升灵活性技术的价值；较高的空间分辨率则能够反映区域资源禀赋与输电约束，从而改变最优投资和发电模式。然而，模拟运行时间随时间与空间分辨率的提高而大幅增加，若干高分辨率情景（如MAX情景及部分RGN与YRS情景）因当前求解器与硬件限制而无法在计算上求解。结果表明，不存在单一“理想”分辨率，模型构建者必须就计算可行性与决策相关性之间的平衡做出折衷。研究结论强调了明确建模目标与清晰界定范围的重要性，并针对不同规划目标推荐了相应的分辨率和模型结构。该工作基于开放源模型与公开官方数据，具有可复制性与可扩展性，为大规模互联能源系统建模提供了方法论参考。
论文解读：基于OSeMOSYS的多区域互联能源系统扩展规划建模与分辨率影响研究
**一、研究背景与问题提出**
全球能源系统向可持续和可再生能源转型的过程中，发电装机容量、基础设施成本与减排目标之间存在着复杂的权衡关系，而随着系统互联程度的提高，这些相互作用变得更加难以捕捉和解决。一次能源的可获得性、地形条件、资源的空间分布、能源过程间的相互依赖以及气候和社会经济影响，均是能源转型面临的紧迫挑战。在此背景下，长期能源系统扩展规划必须应对这些挑战，并在利益冲突的局势中确定可行的行动方案。
能源系统模型在探索替代性未来情景、指导技术投资决策、系统扩展和政策设计方面发挥着关键作用。开放源能源建模系统（Open Source Energy Modelling System，OSeMOSYS）是其中应用广泛的工具之一，允许建模者构建代表现实能源系统的计算模型，描述特定空间和时间范围内技术所执行的能源生成、转换和消费过程。然而，OSeMOSYS标准公式中并未显式定义区域间电力交换的表示方式，建模者往往需要采用临时性的建模策略来处理区域间电力传输问题，这构成了方法论上的明显缺口。现有文献中，虽然有研究探讨了OSeMOSYS在南美、埃及、东地中海和中东等地区的多区域应用（如Santos、Dallmann等人和Taliotis等人的工作），但多数研究侧重于具体应用，并未系统改进区域间电力传输的表示方法学，也未深入探讨空间、时间和技术参数分辨率对模型结果与计算负担的影响。L?ffler等人和Heggarty等人的工作提出并改进了区域间电力传输表示方法，但后者仅评估了时间分辨率对结果的影响，未涉及空间和技术分辨率的系统分析。
基于上述挑战，本研究旨在回答三个核心研究问题：如何在OSeMOSYS框架中以透明且灵活的方式表示区域间电力交换？时间、空间和技术分辨率的不同水平如何影响长期能源系统扩展模型的结果？在大型多区域能源系统模型中，提高模型分辨率会带来怎样的计算权衡？
**二、研究方法与技术路线**
研究人员提出了一种替代性的多区域互联建模方法。在该方法中，区域间互联线路被显式建模为专用技术，而不是使用标准公式中的贸易变量。每一条双向互联线路被表示为两个单向技术，分别对应两个方向的能量传输。这种表示方式允许模型详细刻画输电损耗、投资成本、固定和可变运行维护成本、可用性系数、初始容量以及容量扩展目标等物理和经济学属性。在OSeMOSYS燃料平衡约束（等式2和3）的基础上，研究人员提出了修改后的约束公式（等式4和5），通过在区域间的燃料平衡中引入上游区域技术的活动量，实现区域间能量交换的显式建模。
为验证该方法的有效性，研究人员首先构建了一个假设国家“Brazago”的简单算例，比较了标准公式与提议公式的模拟结果。随后，研究人员以巴西能源系统为对象开展了大规模案例研究。巴西的电力系统以水电为主，国土面积广大，国家电力部门传统上将能源数据聚合并划分为12个等价能量水库（Reservatório Equivalente de Energia，REE），并进一步分组为能源子系统。本研究采用地理区域标准，将巴西能源系统表示为4个互联子系统（区域），利用2020年至2025年的官方历史数据校准模型参数，并以2020年至2050年为规划期。案例研究中设计了30个情景，涵盖六种分辨率组合类型（BAS、TCH、YRS、RGN、CMP和MAX），每种类型包含五种不同的年内时间片（timeslice）分辨率（8、1095、2190、4380和8760个时间片）。空间分辨率从单一区域（代表整个巴西系统）到4个互联区域；技术分辨率从每区域24项聚合技术到86项详细技术；时间分辨率从以5年为步长的7个年份到年度步长的31个年份。所有模拟均使用Gurobi Optimizer 12.0.0求解器，在配备第13代Intel Core i9-13900K处理器（32物理核心）的硬件上运行。
**三、研究结果与讨论**
**3.1 多区域建模方法的验证与应用**
“Brazago”算例的模拟结果显示，标准公式和提议公式的模型均选择了区域间电力交换方案以满足区域需求，但提议公式的总成本更低，且发电结构更为多样。在巴西案例研究中，基准情景（BAS）的模拟结果与巴西十年能源扩展计划（Plano de Expans?o de Energia，PDE）官方预测进行了对照，水电、风电、太阳能光伏和天然气的装机容量份额差异分别为1.69、2.55、-0.47和4.29个百分点。尽管存在一定偏差，但整体结构趋势吻合良好，到2050年最终能源结构在国家能源计划（Plano Nacional de Energia，PNE）的预测范围之内，模型成功地再现了巴西电力系统扩展的主要结构趋势，特别是风电和太阳能发电份额的持续增长。
**3.2 技术分辨率对模型结果的影响**
TCH情景具有较高的技术分辨率（每区域86项技术）和时间分辨率。与基准情景相比，TCH情景显著增加了风电和天然气热电厂的投资，原因是较高时间分辨率捕捉了可再生能源和需求的逐时变率，这增加了能够快速响应短期波动的灵活性发电技术的价值。同时，技术分辨率的增加显著提高了模拟运行时间：从BAS4到TCH4，模拟时间增加了约400倍；从BAS5到TCH5，增加了约150倍。较高的技术分辨率也带来了更高的系统总成本，这反映了更细粒度的技术表示对投资和运行费用的全面核算。
**3.3 空间分辨率对区域互济与输电投资的影响**
RGN情景将巴西能源系统建模为4个互联区域。模拟结果表明，空间分辨率的提高使得模型能够区分区域资源的可用性和基础设施约束，从而改变了投资决策和发电结构。RGN情景的总发电量略低于单区域模型，原因是考虑地方投资成本和能源安全后区域需求预测有所下调。RGN、CMP和MAX情景的结果揭示了区域间能源依赖、自给自足和输电需求的关键信息。在区域互联受限的未来能源系统中（图8a），各区域需要更大的本地投资以确保自给自足和能源安全；而在互联程度更高的系统中（图8b），则需要加大对输电基础设施的建设与维护投资，使相邻能源区域能在需要时互相提供支持。对于巴西这样实行集中管理的能源系统，输电投资还能促进边远地区的发展和未开发资源的利用。
**3.4 时间分辨率对模拟成本与可计算性的影响**
时间分辨率包含两个维度：年份数量和时间片数量。比较YRS2和YRS3情景可见，将时间分辨率加倍（从1095个时间片增加到2190个）使模拟时间延长了近7倍，这是因为更高时间粒度使每个技术对应的活动变量和约束数量成倍增加，显著扩大了线性优化问题的规模。年份数量的增加对总成本结果影响最大，这归因于年度投资参数在OSeMOSYS模型中的作用。YRS4和YRS5情景（均为31个年份）以及RGN2至RGN5、MAX2至MAX5等同时提高多种分辨率的情景由于计算负担过大而无法求解，被判定为计算上不可行的（computationally intractable）。总体而言，提高时间分辨率虽能改善对可再生变率和需求峰值等年内动态的表示，但其本质是更大规模的线性优化问题，而非天然具有更高的物理准确性。
**四、结论与展望**
本研究提出了一种基于OSeMOSYS的多区域互联系统建模方法，通过显式建模互联技术来表示区域间电力交换，并纳入成本、损失和运行约束。巴西案例研究表明，时间、空间和技术分辨率的选择会直接影响模拟结果，包括能源结构、投资需求和输电需求。不存在适用于所有研究目标的单一“理想”分辨率，建模者必须在计算可行性和决策相关性之间达成折衷。研究人员建议建模者在构建模型前设定明确且具体的建模目标，以指导分辨率选择：针对区域能源潜力利用和输电网络扩容目标，推荐使用更多区域；针对能源系统扩展与维护成本目标，推荐使用更多年份；针对能源结构多样化和差异化需求行为目标，推荐使用更多时间片；针对能源结构多样化、系统损失、需求要求及扩展成本的精确答案，推荐使用更多技术。研究的开放源基础确保了方法的可复制性和对其他情境的适应性。未来工作可整合短期运行约束、引入不确定性分析、探索同时考虑成本、排放和可靠性的多目标公式，以及改进互联技术的多运行模式表示和互斥性约束的建立。
