Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu tiềm năng kỹ thuật điện gió vô cùng to lớn với ước tính đạt 377 GW, bao gồm 217 GW điện gió trên bờ và khoảng 160 GW điện gió ngoài khơi. Theo các khảo sát khí hậu năng lượng, khoảng 39% diện tích lãnh thổ nước ta ghi nhận tốc độ gió bình quân vượt 6 m/s ở cao độ 65 m, tương đương quy mô công suất 513 GW. Nhằm hiện thực hóa định hướng phát triển bền vững theo Dự thảo Quy hoạch điện VIII, công suất điện gió mục tiêu dự kiến đạt gần 28.480 MW vào năm 2030 và hướng tới 153.550 MW vào năm 2050. Tuy nhiên, tính chất bất định của thời tiết, sự biến động nhanh của vận tốc và hướng gió tạo ra rào cản lớn cho việc vận hành ổn định hệ thống điện quốc gia.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là việc tích hợp nguồn điện gió công suất lớn đòi hỏi các giải pháp dự báo chính xác cao để phục vụ điều độ kinh tế và lập kế hoạch huy động nguồn. Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng mô hình mạng học sâu Stacked Temporal Convolutional Network (STCN) nhằm giải quyết bài toán dự báo công suất điện gió ngắn hạn đa bước thời gian cho 6 mốc liên tiếp từ 30 phút đến 3 tiếng tiếp theo.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên nguồn dữ liệu đo đạc thực tế tại Nhà máy điện gió Tân Thuận (tỉnh Cà Mau) có tổng công suất 75 MW với 18 trụ tuabin, tổng mức đầu tư hơn 3.800 tỷ đồng và cung cấp sản lượng bình quân khoảng 225 triệu kWh/năm. Phạm vi dữ liệu được thu thập từ 14 trụ tuabin trong khung thời gian từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2022. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc giảm thiểu sai số dự báo, tối ưu hóa biểu đồ phát điện và cung cấp công cụ hỗ trợ tin cậy cho công tác điều hành lưới điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng các mô hình học sâu xử lý chuỗi dữ liệu thời gian, tập trung vào hai nhánh kiến trúc chính là mạng nơ-ron hồi quy Long Short-Term Memory (LSTM) và mạng tích chập thời gian Temporal Convolutional Network (TCN).

Mô hình LSTM và các biến thể như Vanilla LSTM, Stacked LSTM, Bidirectional LSTM và Convolutional LSTM được thiết kế để kiểm soát luồng thông tin thông qua cổng quên, cổng vào và cổng ra, giúp khắc phục hiện tượng biến mất đạo hàm khi học các phụ thuộc xa. Trong khi đó, mạng TCN kế thừa sức mạnh của mạng tích chập một chiều kết hợp ba cơ chế kỹ thuật trọng tâm:

  • Tích chập nhân quả đảm bảo đầu ra tại thời điểm hiện tại chỉ phụ thuộc vào chuỗi dữ liệu quá khứ và hiện tại, loại trừ hoàn toàn việc rò rỉ dữ liệu tương lai.
  • Tích chập giãn nở mở rộng vùng tiếp nhận theo cấp số nhân thông qua hệ số giãn nở mà không làm gia tăng đột biến số lượng tham số huấn luyện.
  • Kết nối phần dư hỗ trợ truyền dẫn tín hiệu trực tiếp qua các lớp, triệt tiêu hiện tượng suy giảm đạo hàm khi xây dựng mạng nơ-ron có chiều sâu lớn.

Mô hình cải tiến STCN tiến hành xếp chồng từ 2 đến 5 lớp ẩn TCN với 128 bộ lọc trên mỗi lớp, kết hợp hàm kích hoạt phi tuyến ReLU nhằm tăng tốc độ hội tụ và tối ưu hóa khả năng trích xuất đặc trưng phi tuyến từ chuỗi dữ liệu công suất phát.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số vận hành thực tế của 14 trụ tuabin gió và các chỉ số khí tượng tại độ cao hub 100 m thuộc Nhà máy điện gió Tân Thuận từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2022. Chuỗi dữ liệu thô ban đầu có tần suất đo 1 phút được xử lý giảm tần suất lấy mẫu xuống chu kỳ 30 phút bằng phép tính trung bình động, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí tính toán cho hệ thống.

Cỡ mẫu phân tích sau quá trình làm sạch đạt tổng cộng 27.027 mẫu dữ liệu hoàn chỉnh. Tập dữ liệu được phân chia theo phương pháp lấy mẫu tuần tự theo thời gian với tỷ lệ 7:1,5:1,5, tương ứng tập huấn luyện gồm 18.918 mẫu (chiếm 70%), tập kiểm định gồm 4.055 mẫu (chiếm 15%) và tập kiểm tra độc lập gồm 4.054 mẫu (chiếm 15%).

Phương pháp phân tích được xây dựng thông qua quy trình hai bước chặt chẽ:

  • Tiền xử lý dữ liệu và lọc sạch ngoại lai: Sử dụng thuật toán Covariance Estimator kết hợp kỹ thuật mã hóa Bag of Patterns trên nền tảng phần mềm Orange để loại bỏ các điểm dữ liệu nhiễu do lỗi đo lường hoặc bảo dưỡng tuabin. Mối quan hệ tương quan tuyến tính và phi tuyến giữa các biến được định lượng qua hệ số tương quan Pearson (PCC) và hệ số tương quan hạng Spearman (SCC). Toàn bộ dữ liệu được chuẩn hóa về khoảng giá trị từ 0 đến 1 bằng phương pháp Min-Max.
  • Huấn luyện mô hình: Sử dụng thuật toán tối ưu Adam với hàm mất mát sai số toàn phương trung bình (MSE) trên thư viện Keras-TCN. Lý do lựa chọn cấu trúc STCN bắt nguồn từ khả năng xử lý chuỗi song song tốc độ cao, tiêu tốn ít bộ nhớ đệm và hiệu quả ghi nhớ lịch sử vượt trội so với cấu trúc tuần tự của mạng LSTM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và đánh giá trên tập kiểm tra độc lập gồm 4.054 mẫu đã ghi nhận các kết quả nổi bật sau:

Thứ nhất, việc áp dụng thuật toán Covariance Estimator giúp cải thiện rõ rệt chất lượng dữ liệu đầu vào. Hệ số tương quan Pearson giữa công suất điện gió hiện tại và công suất quá khứ bước trước tăng từ mức 0,649 lên 0,717 sau khi tiền xử lý, trong khi hệ số tương quan Spearman tăng từ mức 0,644 lên 0,720.

Thứ hai, kết quả phân tích tương quan cho thấy biến hướng gió có hệ số PCC và SCC rất thấp đối với công suất phát tương lai (chỉ dao động trong khoảng từ -0,008 đến 0,050). Việc loại bỏ biến hướng gió và chỉ giữ lại 3 biến đầu vào gồm công suất lịch sử, tốc độ gió và nhiệt độ môi trường đã giúp mô hình giảm thiểu nhiễu, tăng độ chính xác dự báo thêm khoảng 4,2% so với khi giữ nguyên toàn bộ biến đầu vào.

Thứ ba, mô hình STCN cấu hình 5 lớp xếp chồng ghi nhận độ chính xác vượt trội tại cả 6 bước thời gian dự báo (30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút và 180 phút). Tại mốc dự báo 30 phút, chỉ số sai số căn bậc hai trung bình (RMSE) và sai số tuyệt đối trung bình (MAE) của STCN lần lượt đạt mức thấp nhất, giảm từ 12% đến 18% sai số so với mô hình Vanilla LSTM và Convolutional LSTM.

Thứ tư, về hiệu năng tính toán, cấu trúc tích chập song song của STCN giúp rút ngắn thời gian huấn luyện mô hình xuống khoảng 35% so với mô hình Bidirectional LSTM và Stacked LSTM trên cùng một cấu hình phần cứng thử nghiệm.

Thảo luận kết quả

Khả năng dự báo vượt trội của cấu trúc STCN 5 lớp bắt nguồn từ việc kết hợp hài hòa giữa tích chập nhân quả và tích chập giãn nở. Cơ chế này cho phép mở rộng vùng tiếp nhận dữ liệu lên toàn bộ 6 bước thời gian trong quá khứ (tương đương 3 tiếng lịch sử) mà không gặp phải tình trạng quá khớp hay suy giảm gradient nhờ vào các đường kết nối phần dư.

Trong quá trình phân tích, các phát hiện được minh họa trực quan qua biểu đồ phân tán giữa công suất phát và tốc độ gió. Trước khi tiền xử lý, biểu đồ xuất hiện nhiều điểm dị biệt phân tán ở vùng vận tốc gió cao nhưng công suất bằng 0 do sự cố kỹ thuật. Sau khi lọc bằng phần mềm Orange, đường cong đặc tính công suất bám sát chặt chẽ đường cong lý thuyết của tuabin.

Đường cong hàm mất mát trong quá trình huấn luyện và kiểm định cho thấy STCN đạt trạng thái hội tụ ổn định chỉ sau khoảng 40 đến 50 chu kỳ huấn luyện (epochs) mà không có dấu hiệu phân kỳ. Bên cạnh đó, bảng tổng hợp so sánh các chỉ số RMSE và MAE qua từng bước thời gian cho thấy khi khoảng cách dự báo tăng từ 30 phút lên 180 phút, sai số của STCN tăng chậm hơn đáng kể so với các mô hình nơ-ron hồi quy truyền thống. Nghiên cứu cũng hoàn thiện giao diện ứng dụng trực quan bằng thư viện Tkinter của Python, cho phép nhân viên vận hành theo dõi biểu đồ công suất dự báo bám sát công suất thực tế theo thời gian thực.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa hiệu quả ứng dụng của mô hình STCN vào thực tiễn quản lý và vận hành nhà máy điện gió, các đề xuất cụ thể được xây dựng như sau:

Thứ nhất, tích hợp trực tiếp mô hình STCN vào hệ thống giám sát SCADA và quản lý năng lượng EMS tại Nhà máy điện gió Tân Thuận. Ban quản lý vận hành nhà máy cần phối hợp với đội ngũ phát triển phần mềm triển khai lắp đặt hệ thống dự báo tự động trong khung thời gian từ 3 đến 6 tháng tới, đặt mục tiêu duy trì sai số RMSE toàn nhà máy dưới ngưỡng 8% công suất định mức 75 MW.

Thứ hai, mở rộng thu thập và làm giàu cơ sở dữ liệu khí tượng đa mùa. Chủ đầu tư Công ty cổ phần Đầu tư Năng lượng tái tạo Cà Mau cần lắp đặt thêm các cảm biến đo lường tốc độ gió và nhiệt độ ở nhiều tầng cao khác nhau (từ 50 m đến 120 m) trong vòng 12 tháng tới, nhằm thu thập dữ liệu liên tục qua hai mùa gió Đông Bắc và Tây Nam để tái huấn luyện mô hình định kỳ.

Thứ three, thiết lập giao thức truyền nhận dữ liệu dự báo tự động với Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0). Bộ phận kỹ thuật nhà máy cần hoàn thiện cổng kết nối API truyền dữ liệu dự báo công suất 6 bước thời gian theo chu kỳ 30 phút một lần, hoàn thành trong quý 4 năm 2024 nhằm phục vụ công tác lập biểu đồ huy động nguồn điện khách quan và chính xác.

Thứ tư, nghiên cứu kết hợp mô hình STCN với các thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) hoặc thuật toán di truyền (GA) để tự động hóa việc dò tìm siêu tham số. Nhóm nghiên cứu tại các trường đại học chuyên ngành kỹ thuật điện nên triển khai hướng phát triển này trong giai đoạn 2024 - 2025 nhằm tăng cường khả năng thích ứng của thuật toán trên nhiều cụm trang trại điện gió khác nhau.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho các nhóm đối tượng cụ thể:

  • Kỹ sư vận hành và điều độ viên tại các nhà máy điện gió: Tài liệu cung cấp giải pháp dự báo công suất ngắn hạn 3 tiếng với độ chính xác cao, giúp chủ động điều khiển góc nghiêng cánh quạt tuabin, xây dựng kế hoạch bảo dưỡng định kỳ và giảm thiểu các khoản chi phí phạt sai số công suất phát với đơn vị vận hành lưới điện.
  • Chuyên gia điều độ hệ thống điện và quản lý thị trường điện: Nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu và công cụ mô hình hóa phụ tải phát của năng lượng tái tạo, hỗ trợ công tác dự báo nguồn linh hoạt và tối ưu hóa việc phân bổ công suất huy động giữa các nhà máy nhiệt điện, thủy điện và điện gió.
  • Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện và Trí tuệ nhân tạo: Luận văn đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuyên sâu về việc ứng dụng mạng tích chập thời gian TCN, kỹ thuật tiền xử lý dữ liệu chuỗi thời gian và phương pháp lập trình giao diện dự báo năng lượng tái tạo bằng Python.
  • Các đơn vị tư vấn và nhà đầu tư phát triển dự án năng lượng tái tạo: Cung cấp phương pháp luận khoa học để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các dự án điện gió ven biển, phục vụ việc xây dựng báo cáo khả thi cho các dự án quy mô từ 50 MW đến 100 MW.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình STCN có điểm gì vượt trội hơn so với các mô hình LSTM truyền thống?
Mô hình STCN xử lý chuỗi thời gian dựa trên các phép tích chập song song thay vì xử lý tuần tự từng bước như LSTM. Sự kết hợp giữa tích chập giãn nở và kết nối phần dư giúp STCN mở rộng vùng tiếp nhận dữ liệu lịch sử lên 6 bước thời gian mà không bị suy giảm đạo hàm, giúp giảm sai số RMSE từ 12% đến 18% và tiết kiệm 35% thời gian huấn luyện.

Tại sao biến hướng gió lại bị loại bỏ trong quá trình huấn luyện mô hình dự báo?
Kết quả phân tích ma trận tương quan cho thấy hệ số tương quan Pearson (PCC) và Spearman (SCC) giữa hướng gió quá khứ và công suất điện gió tương lai chỉ đạt giá trị từ -0,008 đến 0,050. Mức tương quan rất yếu này khiến biến hướng gió đóng vai trò như tín hiệu nhiễu, do đó việc loại bỏ biến này giúp nâng cao độ chính xác dự báo toàn hệ thống thêm 4,2%.

Thuật toán Covariance Estimator trên phần mềm Orange hoạt động như thế nào?
Thuật toán tận dụng thông tin ma trận hiệp phương sai từ chuỗi dữ liệu thời gian để nhận diện các điểm dữ liệu bất thường thông qua kỹ thuật Bag of Patterns. Khi tỷ lệ định thức ma trận hiệp phương sai hội tụ về giá trị nhỏ hơn 0,05, các điểm ngoại lai như tuabin gặp sự cố hay ngắt kết nối sẽ được loại bỏ và nội suy chính xác, nâng hệ số PCC từ 0,649 lên 0,717.

Khoảng thời gian dự báo và chu kỳ bước nhảy của mô hình được thiết lập ra sao?
Luận văn thiết lập mô hình dự báo ngắn hạn đa bước thời gian với chu kỳ bước nhảy là 30 phút. Mô hình sử dụng tập dữ liệu đầu vào gồm 6 bước thời gian trong 3 tiếng quá khứ để dự báo đồng thời công suất phát điện gió tại 6 bước thời gian tiếp theo, tương ứng với các mốc 30 phút, 1 tiếng, 1 tiếng 30 phút, 2 tiếng, 2 tiếng 30 phút và 3 tiếng.

Mô hình STCN có khả năng mở rộng để áp dụng cho các nhà máy điện gió khác không?
Mô hình STCN hoàn toàn có thể áp dụng cho các dự án điện gió khác trên toàn quốc. Tuy nhiên, đơn vị triển khai cần tiến hành thu thập dữ liệu vận hành tối thiểu từ 3 đến 6 tháng của trang trại điện gió mục tiêu, sau đó thực hiện chuẩn hóa Min-Max và tái huấn luyện mô hình để mạng nơ-ron thích ứng với đặc tính địa hình và khí hậu cục bộ của khu vực mới.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình cải tiến Stacked Temporal Convolutional Network (STCN) 5 lớp ứng dụng dự báo công suất phát điện gió ngắn hạn đa bước thời gian trong 3 tiếng tiếp theo.
  • Ứng dụng hiệu quả thuật toán Covariance Estimator trong xử lý dữ liệu thô, loại bỏ ngoại lai thành công và nâng hệ số tương quan Pearson giữa công suất quá khứ và hiện tại từ 0,649 lên 0,717.
  • Chứng minh tính ưu việt của STCN so với các mô hình Vanilla LSTM, Stacked LSTM, Bidirectional LSTM và Conv-LSTM về cả độ chính xác (giảm 12% đến 18% chỉ số RMSE) và tốc độ huấn luyện (nhanh hơn 35%).
  • Phát triển hoàn chỉnh giao diện phần mềm dự báo công suất thời gian thực bằng thư viện Tkinter trên ngôn ngữ Python, phục vụ trực quan cho công tác vận hành tại Nhà máy điện gió Tân Thuận 75 MW.
  • Hoàn thành kiểm định mô hình trên tập dữ liệu 27.027 mẫu thực tế, tạo cơ sở khoa học vững chắc để mở rộng tích hợp nguồn dự báo thời tiết số trị NWP trong giai đoạn nghiên cứu 2024 - 2025.

Đóng góp của luận văn là bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng học sâu vào giải quyết các bài toán kỹ thuật điện thực tế tại Việt Nam. Các đơn vị quản lý vận hành và nghiên cứu năng lượng tái tạo hãy chủ động liên hệ hợp tác và ứng dụng giải thuật STCN để tối ưu hóa hiệu quả vận hành các nhà máy điện gió ngay hôm nay.