Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng điện năng tại tỉnh Tây Ninh ghi nhận mức tăng trưởng vượt bậc với tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm bình quân đạt trên 12%/năm, trong đó thành phần điện công nghiệp chiếm tỷ trọng chi phối lên đến 72,2% tổng sản lượng toàn tỉnh. Sự bùng nổ phát triển của các khu công nghiệp tập trung như Trảng Bàng, Phước Đông – Bời Lời, Chà Là và Thành Thành Công đã tạo ra áp lực to lớn lên kết cấu hạ tầng truyền tải. Hệ thống lưới điện 110kV hiện hữu bộc lộ nhiều điểm nghẽn kỹ thuật do vận hành lâu năm, tiết diện dây dẫn nhỏ dẫn đến tình trạng quá tải cục bộ và suy giảm độ tin cậy cung cấp điện. Bên cạnh đó, làn sóng đầu tư năng lượng tái tạo theo Quyết định 11/2017/QĐ-TTg đã đưa 10 nhà máy điện mặt trời với tổng công suất 808 MW vào vận hành, đồng thời dự kiến bổ sung thêm 47 dự án với tổng quy mô 4.390 MW trong giai đoạn tiếp theo, gây áp lực giải tỏa công suất nghiêm trọng lên lưới điện khu vực.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán quy hoạch phát triển lưới điện 110kV tỉnh Tây Ninh giai đoạn 2021-2030 có xét đến sự thâm nhập sâu của các nguồn năng lượng tái tạo. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán dự báo nhu cầu phụ tải trên phần mềm Matlab, thiết kế cấu trúc lưới điện 110kV tối ưu, mô phỏng kiểm tra các chế độ vận hành bằng phần mềm ETAP và đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế - tài chính. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc bảo đảm an ninh năng lượng, phục vụ mục tiêu tăng trưởng GRDP bình quân 9,5%/năm của tỉnh, giảm tỷ lệ tổn thất điện năng và bảo đảm giải tỏa 100% công suất nguồn điện mặt trời theo định hướng của Quy hoạch điện VIII.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết quy hoạch hệ thống điện hiện đại kết hợp mô hình tối ưu hóa toán học nhằm xác định cấu trúc lưới điện tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật. Khung lý thuyết trọng tâm bao gồm lý thuyết cân bằng công suất nút, lý thuyết trào lưu công suất xác lập và tiêu chuẩn độ tin cậy N-1 trong vận hành hệ thống điện truyền tải. Để giải bài toán mở rộng lưới, đề tài sử dụng mô hình tối ưu hóa chi phí vòng đời với hàm mục tiêu cực tiểu hóa tổng vốn đầu tư xây dựng mới, chi phí tổn thất điện năng và chi phí bảo dưỡng vận hành trong chu kỳ 10 năm.

Các khái niệm chuyên ngành nền tảng được chuẩn hóa trong nghiên cứu gồm: phụ tải cực đại Pmax, điện thương phẩm phân theo 5 thành phần kinh tế, hệ số đồng thời, khả năng mang tải định mức của dây dẫn và giới hạn điện áp nút ổn định dao động trong ngưỡng sai lệch cho phép từ âm 5% đến dương 5%. Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết hồi quy đa biến và hồi quy đơn biến phi tuyến, sử dụng hệ số xác định R bình phương tiệm cận mức 1,0 để đánh giá mức độ tương thích giữa mô hình dự báo và dữ liệu phụ tải thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp chuẩn hóa thu thập từ Công ty Điện lực Tây Ninh, Tổng công ty Điện lực miền Nam và Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm chuỗi số liệu chuỗi thời gian liên tục trong 22 năm, từ năm 2001 đến năm 2022, bao quát toàn bộ 9 đơn vị hành chính cấp huyện, thị xã, thành phố và 5 nhóm thành phần tiêu thụ điện năng trên địa bàn tỉnh. Phương pháp chọn mẫu toàn diện được áp dụng nhằm loại bỏ sai số chọn mẫu ngẫu nhiên, bảo đảm tính đại diện tuyệt đối cho đặc thù tiêu thụ điện công nghiệp và nông nghiệp của địa phương.

Lý do lựa chọn phương pháp bình phương cực tiểu trên nền tảng lập trình Matlab là khả năng tối ưu hóa tổng bình phương độ lệch giữa giá trị dự báo và thực tế, kết hợp kiểm định thống kê t-statistic và p-value để tự động chọn lọc biến độc lập có ý nghĩa thống kê cao với ngưỡng p nhỏ hơn 5% và loại bỏ biến nhiễu có p lớn hơn 10%. Để kiểm tra chế độ kỹ thuật, phần mềm chuyên dụng ETAP được lựa chọn nhằm mô phỏng chính xác chế độ vận hành bình thường, chế độ cực đại mùa khô, cực tiểu mùa mưa và chế độ sự cố N-1 theo tiêu chuẩn quốc tế IEEE. Hiệu quả kinh tế - tài chính được định lượng trên bảng tính tài chính chuyên ngành qua các chỉ tiêu giá trị hiện giá thuần NPV, tỷ suất hoàn vốn nội bộ IRR và thời gian thu hồi vốn. Toàn bộ quy trình tính toán được thực hiện trong giai đoạn 2023-2024 để định hình phương án phát triển cho giai đoạn 2021-2030.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình toán học trên Matlab đã dự báo chính xác xu hướng phụ tải điện tỉnh Tây Ninh đến năm 2030 với mức sai số dự báo được kiểm soát chặt chẽ dưới 5%. Điện thương phẩm dự kiến tăng trưởng mạnh mẽ, tiếp tục giữ tỷ trọng công nghiệp ở mức trên 72%, phản ánh đúng tiến trình lấp đầy các khu công nghiệp mở rộng như Phước Đông giai đoạn 2 và Thành Thành Công. Nhu cầu công suất cực đại Pmax toàn tỉnh dự kiến sẽ vượt mốc 1.200 MW vào năm 2025 và tiệm cận mức 1.800 MW vào năm 2030.

Kết quả kiểm tra hiện trạng và tính toán vận hành xác định rõ các điểm nghẽn kỹ thuật nghiêm trọng trên lưới điện 110kV. Trong số 349,35 km đường dây 110kV và 12 trạm biến áp 110kV hiện hữu với tổng dung lượng 1.190 MVA, nhiều tuyến đường dây đơn ACSR 185/29 xuất hiện tình trạng mang tải cao trên 64%, điển hình như tuyến Trảng Bàng 2 đi Phước Đông mang tải 64,5%, trạm biến áp Phước Đức mang tải 79,5% công suất định mức. Sự tập trung của 10 dự án điện mặt trời với tổng công suất 808 MW tại khu vực huyện Dương Minh Châu, Tân Châu và Bến Cầu đã gây nên hiện tượng quá tải cục bộ vào các khung giờ cao điểm phát điện từ 11 giờ đến 14 giờ hàng ngày, gây sụt giảm chất lượng điện áp và đe dọa an toàn vận hành khi lưới điện rơi vào sự cố đơn lẻ N-1.

Phương án quy hoạch đề xuất đã xác định rõ khối lượng đầu tư gồm nâng cấp cải tạo hơn 150 km đường dây 110kV hiện hữu sang dây phân pha 2xACSR 240/32, xây dựng mới các tuyến mạch kép liên kết các trạm 220kV Tây Ninh, Trảng Bàng 2 và Bàu Đồn, đồng thời bổ sung các trạm biến áp 110kV mới với tổng dung lượng bổ sung vượt trên 800 MVA, bảo đảm mức mang tải của toàn bộ thiết bị sau năm 2025 luôn duy trì dưới ngưỡng an toàn 75%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng quá tải và mất cân đối xuất phát từ tốc độ gia tăng phụ tải công nghiệp quá nhanh kết hợp cùng sự phát triển đột biến của các dự án năng lượng tái tạo có tính chất không ổn định theo mùa và thời điểm trong ngày. Trong khi quy mô nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng công suất đặt rất lớn với 808 MW hiện hữu và kế hoạch mở rộng lên 4.390 MW, hệ thống lưới điện truyền tải 110kV được xây dựng từ các giai đoạn trước với tiết diện dây nhỏ không thể hấp thụ và truyền tải hết lượng công suất ngược phát lên lưới.

So với các quy hoạch phát triển điện lực địa phương giai đoạn trước vốn chủ yếu dự báo phụ tải theo chuỗi tăng trưởng tuyến tính giản đơn, nghiên cứu này mang lại bước đột phá khi tích hợp mô hình hồi quy từng bước kết hợp tính toán động trào lưu công suất trên ETAP có xét đến sự phát điện ngẫu nhiên của các trang trại điện mặt trời. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các biểu đồ đường xu hướng tăng trưởng điện năng 5 thành phần giai đoạn 2001-2030, sơ đồ phân bố phụ tải địa dư không gian và sơ đồ một sợi trào lưu công suất lưới điện năm 2025, 2030 trên phần mềm ETAP. Các bảng cân đối nguồn tải khu vực Bắc - Nam được thiết lập chi tiết, chứng minh phương án quy hoạch không chỉ đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành mà còn đạt hiệu quả tối ưu về vốn đầu tư và mang lại tỷ suất hoàn vốn tài chính bền vững cho ngành điện.

Đề xuất và khuyến nghị

Thực hiện nâng cấp tiết diện và phân pha các tuyến đường dây 110kV trọng điểm: Tổng công ty Điện lực miền Nam và Công ty Điện lực Tây Ninh cần chủ trì triển khai thay thế dây dẫn đơn ACSR 185/29 bằng dây phân pha 2xACSR 240/32 cho các trục truyền tải liên kết trạm 220kV Tây Ninh, Bàu Đồn và Trảng Bàng 2, hoàn thành trước năm 2026 nhằm giảm tỷ lệ tổn thất điện năng kỹ thuật toàn tỉnh xuống dưới mức 3,5%.

Đầu tư xây mới và mở rộng dung lượng các trạm biến áp 110kV phụ tải: Ban Quản lý dự án Điện lực miền Nam tiến hành lắp đặt thêm các máy biến áp 63 MVA tại các khu vực tập trung công nghiệp như KCN Phước Đông, KCN Thành Thành Công, KCN Chà Là và khu vực kinh tế cửa khẩu Mộc Bài, nâng tổng công suất đặt trạm biến áp 110kV toàn tỉnh vượt mức 1.500 MVA vào năm 2025 và đạt trên 2.000 MVA vào năm 2030.

Xây dựng hạ tầng lưới truyền tải chuyên dụng phục vụ giải tỏa công suất 4.390 MW năng lượng tái tạo: Sở Công Thương tỉnh Tây Ninh phối hợp cùng Tập đoàn Điện lực Việt Nam quy hoạch và xây dựng các đường dây mạch kép 110kV gom công suất từ các cụm điện mặt trời khu vực hồ Dầu Tiếng, Tân Châu và Bến Cầu đấu nối chuyển tiếp vào các thanh cái 220kV, hoàn thành đồng bộ từng giai đoạn từ năm 2025 đến năm 2028.

Hiện đại hóa hệ thống điều độ và tự động hóa lưới điện phân phối: Công ty Điện lực Tây Ninh đẩy mạnh số hóa 100% trạm biến áp 110kV sang mô hình trạm không người trực, tích hợp hệ thống SCADA/EMS điều khiển tự động và ứng dụng mô hình tính toán ETAP thời gian thực, mục tiêu kéo giảm chỉ số thời gian mất điện bình quân SAIDI xuống dưới 150 phút/khách hàng/năm vào năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư quy hoạch và điều độ hệ thống điện tại các tổng công ty điện lực: Tài liệu cung cấp trọn bộ thuật toán lập trình Matlab dự báo phụ tải đa biến và mô hình mô phỏng lưới điện trên phần mềm ETAP, hỗ trợ đắc lực cho công tác tính toán trào lưu công suất và xử lý sự cố nghẽn mạch khi đấu nối nguồn điện phân tán.

Cơ quan quản lý nhà nước và sở ban ngành địa phương: Lãnh đạo và chuyên viên Sở Công Thương, Sở Kế hoạch và Đầu tư tỉnh Tây Ninh có thể sử dụng các số liệu dự báo điện thương phẩm chi tiết của 5 thành phần kinh tế và 9 huyện thị để xây dựng quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội đồng bộ với Quy hoạch điện VIII.

Các chủ đầu tư dự án năng lượng tái tạo và khu công nghiệp: Cung cấp bức tranh toàn cảnh về hiện trạng lưới truyền tải 110kV-220kV, dung lượng hấp thụ công suất và các vị trí đấu nối thuận lợi tại Tây Ninh, giúp doanh nghiệp đánh giá chính xác rủi ro cắt giảm công suất trước khi ra quyết định đầu tư.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện: Đề tài là tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về việc kết hợp giữa lý thuyết tối ưu hóa toán học, phương pháp bình phương cực tiểu và công cụ mô phỏng công nghiệp trong việc giải quyết bài toán quy hoạch hệ thống điện thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp bình phương cực tiểu áp dụng trong luận văn có ưu điểm gì nổi bật so với các phương pháp dự báo phụ tải truyền thống? Phương pháp bình phương cực tiểu kết hợp thuật toán loại bỏ biến từng bước trên Matlab giúp tự động chọn lọc các biến độc lập kinh tế - xã hội có tác động thực chất nhất. Dựa trên chuỗi số liệu 22 năm, mô hình kiểm soát giá trị p-value dưới 5%, giúp nâng cao hệ số tương quan R bình phương và hạn chế sai số dự báo trung hạn ở mức dưới 5%.

Việc phát triển 808 MW điện mặt trời hiện hữu gây ra những khó khăn kỹ thuật cụ thể nào cho lưới điện Tây Ninh? Nguồn điện mặt trời chỉ phát công suất cao trong khoảng 4 đến 5 giờ ban ngày và suy giảm nhanh khi thời tiết thay đổi. Khi công suất phát cục bộ tại Dương Minh Châu và Tân Châu vượt quá nhu cầu tiêu thụ tại chỗ, dòng công suất chạy ngược làm các đường dây 110kV dây đơn mang tải trên 64%, gây biến động điện áp nút và quá tải thiết bị.

Phần mềm ETAP đóng vai trò gì trong việc kiểm chứng phương án quy hoạch của luận văn? Phần mềm ETAP được sử dụng để xây dựng sơ đồ đơn tuyến chi tiết và mô phỏng chế độ vận hành xác lập của toàn bộ lưới điện 110kV tỉnh Tây Ninh ở các năm mốc 2025 và 2030. Công cụ này giúp kiểm tra mức mang tải của hơn 28 đường dây, điện áp các thanh cái và mô phỏng chế độ sự cố đơn lẻ N-1 để bảo đảm lưới điện vận hành an toàn.

Cơ sở nào để luận văn phân chia không gian phụ tải điện tỉnh Tây Ninh thành các phân vùng cụ thể? Luận văn căn cứ vào địa dư hành chính, cấu trúc lưới điện 220kV và tính chất tiêu thụ điện để chia tỉnh thành vùng phụ tải phía Nam tập trung công nghiệp chế biến như Trảng Bàng, Gò Dầu với nhu cầu điện chiếm trên 60% và vùng phụ tải phía Bắc như TP. Tây Ninh, Tân Biên, Tân Châu chủ yếu là phụ tải sinh hoạt, nông nghiệp và nguồn phát điện mặt trời.

Kết quả đánh giá kinh tế - tài chính của đề án quy hoạch lưới điện 110kV Tây Ninh có khả thi không? Phương án quy hoạch bảo đảm tính khả thi tài chính rất cao nhờ tối ưu hóa thứ tự ưu tiên đầu tư cho 12 trạm biến áp và các tuyến đường dây huyết mạch. Phân tích tài chính dựa trên suất đầu tư chuẩn của ngành điện cho thấy dự án đạt tỷ suất sinh lời nội bộ IRR vượt trội, chỉ số NPV dương lớn và thời gian hoàn vốn đầu tư đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn kinh tế của EVN.

Kết luận

Xây dựng thành công thuật toán dự báo nhu cầu phụ tải điện trung hạn cho 9 đơn vị hành chính và 5 thành phần kinh tế tỉnh Tây Ninh đến năm 2030 bằng phương pháp bình phương cực tiểu trên Matlab với sai số dưới 5%.

Đánh giá toàn diện hiện trạng hệ thống điện 110kV-220kV tỉnh Tây Ninh, chỉ rõ các điểm nghẽn kỹ thuật quá tải trên 64% do sự gia tăng nhanh chóng của phụ tải công nghiệp chiếm 72,2% tỷ trọng và sự thâm nhập của 808 MW điện mặt trời.

Đề xuất phương án quy hoạch lưới điện 110kV giai đoạn 2021-2030 tối ưu, bao gồm nâng cấp tiết diện hơn 150 km đường dây sang dây phân pha 2xACSR 240/32 và bổ sung hơn 800 MVA công suất biến áp 110kV.

Kiểm chứng thành công tính ổn định động học, trào lưu công suất và tiêu chuẩn an toàn N-1 của lưới điện sau quy hoạch bằng phần mềm chuyên dụng ETAP cho các mốc thời gian 2025 và 2030.

Khẳng định tính khả thi vượt trội về mặt kinh tế - tài chính của đề án, giúp giảm tổn thất kỹ thuật xuống dưới 3,5% và mở đường giải tỏa an toàn cho 4.390 MW năng lượng tái tạo tiềm năng.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã thiết lập một phương pháp luận khoa học, kết hợp chặt chẽ giữa toán học tối ưu, phần mềm mô phỏng hệ thống điện và phân tích kinh tế để giải quyết trọn vẹn bài toán quy hoạch lưới truyền tải địa phương trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng. Lộ trình thực hiện cần ưu tiên nâng cấp các trục 110kV liên kết trạm 220kV Bàu Đồn và Trảng Bàng 2 trong giai đoạn 2024-2026, trước khi hoàn thiện mạng lưới trạm biến áp mới giai đoạn 2026-2030. Các đơn vị quản lý vận hành, điều độ hệ thống điện và các nhà đầu tư hạ tầng năng lượng được khuyến khích khai thác ngay kết quả và mô hình tính toán của công trình nghiên cứu này để áp dụng vào các dự án nâng cấp lưới điện thực tế.