Headerbild mit dem Text „NPAP – A Python library for partitioning and aggregating network graphs“, farbige Netzwerkgrafiken in Gelb, Grün und Blau sowie einem welligen, blauen Hintergrund.

NPAP (Network Partitioning and Aggregation in Python) ist ein Open-Source-Python-Tool zur strukturierten Reduktion komplexer Netzwerkmodelle. Es bietet einen flexiblen Rahmen, um große Netzwerke zu partitionieren und zu aggregieren, sodass kleinere, rechnerisch effizientere Modelle entstehen – bei gleichzeitigem Erhalt zentraler struktureller und funktionaler Eigenschaften.

Der Fokus liegt insbesondere auf Anwendungen in elektrischen Energiesystemen, wo große und detaillierte Netzmodelle häufig vereinfacht werden müssen, um sie rechnerisch effizient analysieren zu können. NPAP basiert auf NetworkX und bietet eine modulare, strategie-basierte Architektur, die eine flexible und nachvollziehbare Netzreduktion ermöglicht.

Motivation

Moderne Energiesystemmodelle bilden Stromnetze mit hoher räumlicher und technischer Auflösung ab. Diese Detailtiefe ist zwar wichtig für realistische Analysen, führt jedoch zu hohen Rechenzeiten und erschwert umfangreiche Szenario- oder Sensitivitätsanalysen. NPAP unterstützt dabei, Netzwerke gezielt zu vereinfachen und die Modellkomplexität zu reduzieren, ohne zentrale strukturelle und elektrische Eigenschaften vollständig zu verlieren.

Funktionalität

NPAP kombiniert zwei zentrale Schritte: die Partitionierung und die anschließende Aggregation eines Netzwerks. Zunächst werden Knoten zu Clustern zusammengefasst, beispielsweise basierend auf geografischer Nähe, elektrischer Distanz oder strukturellen Eigenschaften. Dafür stehen verschiedene Methoden wie K-Means, K-Medoids, DBSCAN, HDBSCAN oder hierarchisches Clustering zur Verfügung.

Im zweiten Schritt werden diese Cluster zu repräsentativen Knoten aggregiert. Dabei werden Eigenschaften wie Lasten, Erzeugungskapazitäten, Koordinaten oder Leitungsparameter systematisch zusammengeführt. NPAP bietet hierfür sowohl vordefinierte Aggregationsmethoden als auch die Möglichkeit, eigene Strategien zu definieren.

Anwendungsbereiche

NPAP eignet sich insbesondere für die Reduktion von Stromnetzen in Energiesystemmodellen, beispielsweise in Kombination mit Tools wie PyPSA oder in Ausbauplanungsmodellen. Darüber hinaus kann die Bibliothek für Szenarioanalysen, Machine-Learning-Anwendungen oder allgemeine Fragestellungen der Graphreduktion eingesetzt werden.

Screenshot eines Python-Codes zur Netzwerkpartitionierung mit `npap`, zeigt Schritte zum Laden von Daten, Aggregieren paralleler Kanten, Partitionieren und Visualisieren eines Netzwerks, inklusive Beispielcode.

Integration

Die Bibliothek lässt sich nahtlos in Python-basierte Workflows integrieren und arbeitet direkt mit NetworkX-Graphen sowie tabellarischen Datenstrukturen wie CSV-Dateien. Dadurch kann NPAP einfach in bestehende Modellierungs- und Analysepipelines eingebunden werden.

Wie starten?

Der Einstieg in NPAP ist unkompliziert. Die Bibliothek kann direkt aus dem GitHub-Repository bezogen und in bestehende Python-Projekte integriert werden. In der Dokumentation finden sich Beispiele für typische Workflows, von der Erstellung eines Netzwerks über die Auswahl einer Partitionierungsstrategie bis hin zur Aggregation.

Für erste Schritte empfiehlt es sich, ein bestehendes Netzwerk zu laden, eine geeignete Partitionierungsstrategie auszuwählen und anschließend die Aggregation durchzuführen. Die modulare Struktur von NPAP ermöglicht es, verschiedene Strategien einfach zu vergleichen und an spezifische Anforderungen anzupassen.

Fördergeber

Gefördert durch die Europäische Union (ERC, NetZero-Opt, 101116212). Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die der Autor:innen und spiegeln nicht notwendigerweise jene der Europäischen Union oder des Europäischen Forschungsrats wider. Weder die Europäische Union noch die Bewilligungsbehörde können dafür verantwortlich gemacht werden.

Kontakt
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