《Smart Energy》：Updating the MULTINODE add-on for EnergyPLAN to model energy systems with high spatial resolution: A case study of the mainland Portugal electrical system
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向脱碳转型的能源系统日益复杂，要求规划工具在空间和时间分辨率方面取得进展。本研究应用EnergyPLAN及其MULTINODE插件，以高空间分辨率建模能源系统。研究人员修订了原始MULTINODE方程，以更好地表示跨境流动，并引入了一个后处理程序，改进了热发电
向脱碳转型的能源系统日益复杂，要求规划工具在空间和时间分辨率方面取得进展。本研究应用EnergyPLAN及其MULTINODE插件，以高空间分辨率建模能源系统。研究人员修订了原始MULTINODE方程，以更好地表示跨境流动，并引入了一个后处理程序，改进了热发电、水库水电（hydro reservoirs）和抽水蓄能（pumped storage）的调度。研究人员还使用PyPSA（Python for Power System Analysis）对国家输电网络进行聚类，并估计代表性的内部区域间传输容量（inter-regional transfer capacities）。该方法应用于葡萄牙大陆2023年电力系统，比较了国家、2区域和5区域（NUTS 2，第二级领土统计单元分类）尺度的结果，并对最关键的假设进行了敏感性分析。结果表明，NUTS 2配置通过更真实地再现所有技术的调度，显著提高了模型精度，将实际数据的偏差降低到16%以下。更高的空间分辨率还揭示了重要的区域动态，如里斯本的结构性进口依赖和阿连特茹（Alentejo）发展绿色氢中心的适宜性。然而，在数据可用性和内部传输限制估计方面仍存在挑战。
**研究背景、问题与意义**
能源系统向脱碳转型过程中，可再生能源占比持续增长，系统复杂性显著提升，要求规划工具具备更高的空间和时间分辨率。现有工具如EnergyPLAN（开源能源规划工具）虽已广泛用于多部门集成分析，但其MULTINODE（多节点）插件主要用于国家间或区域间互联，尚未充分探索子国家尺度（如NUTS 2区域）的空间细化。已有研究指出，增加空间分辨率可改善资源分配、揭示区域动态，但受限于数据可得性和计算负担。本研究旨在更新MULTINODE插件，使其能更准确地表示内部区域间传输容量，并引入后处理步骤以校正调度偏差，从而验证高空间分辨率在葡萄牙大陆电力系统模拟中的有效性。论文发表在《Smart Energy》。
**主要技术方法**
研究人员采用以下关键方法：1. 使用EnergyPLAN及其MULTINODE插件，构建多区域模拟框架；2. 修订MULTINODE方程，将出口分配从均匀分布改为基于边际成本排序（merit order），并显式引入传输容量限制；3. 引入后处理程序，通过调整水库水电、抽水蓄能和天然气发电的调度，恢复模型内在的调度逻辑；4. 利用PyPSA工具对葡萄牙输电网络进行聚类，估计内部区域间传输容量（基于30%利用率假设）。样本数据来自葡萄牙大陆2023年电力系统，按国家、2区域（北-中与南）和5区域（NUTS 2）三种尺度建模，并包含西班牙模型以反映跨境交互。
**研究结果**
**5.1. National scale**
通过对比2023年实际数据，孤立模型（PT2023）严重低估进口-出口平衡，导致水库水电过度发电。引入MULTINODE（PT2023_MN）后跨境流更接近实际，但抽水蓄能偏差达-92%。后处理（PT2023_MN_PP）使水库水电偏差降至8%，但抽水蓄能仍偏差-53%，表明国家级模型对存储调度表征不足。
**5.2. 2-Region model**
2区域模型（2Reg）中，孤立模型出口高估116%，MULTINODE（2Reg_MN）改善了进口-出口平衡（误差2%），但水库水电偏差增至+173%。后处理（2Reg_MN_PP）将水库水电偏差降至-10%，天然气偏差+5%，但出口仍偏差+114%，显示仅二分区域不足以捕捉区域异质性。
**5.3. 5 region (NUTS-2) model**
NUTS 2模型中，孤立模型（NUTS 2）对水库水电（+15%）和天然气（+12%）高估，进口-出口平衡低估。MULTINODE（NUTS 2_MN）使跨境流接近实际，但水库水电偏差+51%，天然气偏差-50%。后处理（NUTS 2_MN_PP）将所有技术偏差降至16%以下（出口除外-16%），其中水库水电偏差+1%，天然气偏差-7%，抽水蓄能偏差+13%。该配置显著提高了模型精度，更真实地再现了各技术调度。
**5.4. Discussion**
**5.4.1. The importance of the MULTINODE**
MULTINODE框架在所有空间尺度下均改善了跨境流表征，其持续时间曲线贴近实际值，且高分辨率下曲线更接近真实。但MULTINODE倾向于高估水库水电与抽水蓄能、低估天然气，后处理可校正此偏差。
**5.4.2. The spatial disaggregation**
三种模型均显示非调度可再生能源偏差稳定（±15%以内），但高分辨率降低了EnergyPLAN估计的弃电。主要效益体现在水库水电调度的准确性大幅提升，2区域模型改善有限，而NUTS 2模型使所有偏差低于16%，证实了更细空间分辨率对葡萄牙等依赖水电的系统的重要性。
**5.4.3. Regional disaggregation insights**
NUTS 2结果显示：里斯本区域结构性进口依赖，发电不足需求的50%，需依赖周边区域；中部区域最平衡，但天然气电厂集中，需发展电池储能；阿连特茹区域适合发展大型太阳能光伏与绿色氢中心，需加强电网连接；阿尔加维区域需加强储能与电网；北部区域受限于可再生能源扩展潜力，但已有良好西班牙互联。
**讨论总结**
数据可得性是主要限制，尤其内部传输容量仅通过PyPSA估计（30%利用率假设）。敏感性分析表明，传输容量假设在20%-50%范围内变化时，模型偏差变化小于1%，假设基本稳健。MULTINODE的排序（merit order）对结果有可测量影响，优先考虑高发电潜力区域（如北部）更合理。后处理步骤专为本案例设计，避免将固定进口-出口值导致的净需求偏移传递到调度中，未来需研究其通用性。
**研究结论翻译**
本研究的目的是证明使用EnergyPLAN及其MULTINODE插件以高空间分辨率（特别是NUTS 2级别）建模能源系统的可行性。为此，研究人员修订了原始MULTINODE方程，并引入后处理程序，以更好地捕捉跨境流、热发电和水库水电之间的相互作用，从而确保系统平衡与调节。该方法应用于葡萄牙大陆2023年系统，结果与同类研究一致：增加空间分辨率通过更真实地再现非调度可再生能源、水库水电、热电厂和跨境交换的整体调度，提高了模型精度。然而，如文献所述，获取足够空间粒度的数据仍然困难，依赖多个假设（如区域间传输容量）可能限制高空间分辨率带来的实际效益。在广泛电气化、高比例可再生能源和存储技术部署背景下，能源系统规划需要能够集成多部门并捕捉不同尺度电力交换的工具。证明EnergyPLAN这一免费开放平台可有效应用于这些场景，具有重要价值。通过支持涵盖国家互联和能源社区层面本地动态的分析，EnergyPLAN为探索脱碳路径提供了透明且可访问的框架。
