Tổng quan nghiên cứu

Trong giai đoạn 2011–2020, tỉnh Long An ghi nhận tốc độ tăng trưởng kinh tế bình quân đạt 9,1%, dẫn đầu khu vực Nam Bộ gồm 20 tỉnh thành phố thuộc hai vùng kinh tế trọng điểm phía Nam và Đồng bằng sông Cửu Long. Đến năm 2022, tốc độ tăng trưởng kinh tế của tỉnh tiếp tục duy trì ở mức 8,46%, trong đó khu vực công nghiệp và xây dựng chiếm tỷ trọng áp đảo với 52,33% cơ cấu GRDP. Đi cùng với sự hình thành của hàng loạt khu công nghiệp, đô thị mới và trung tâm logistics, nhu cầu tiêu thụ điện năng trên địa bàn tăng trưởng vượt bậc, tạo áp lực rất lớn lên hạ tầng năng lượng.

Tuy nhiên, hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối 110kV hiện hữu của tỉnh Long An bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng. Toàn tỉnh hiện có 29 trạm biến áp 110kV với mức mang tải trung bình khoảng 60%, nhưng nhiều thiết bị đã vận hành lâu năm, một số tuyến đường dây có tiết diện dây dẫn nhỏ (ACSR185, ACSR240) dẫn đến tình trạng quá tải cục bộ và nguy cơ sự cố cao. Ngoài ra, việc bùng nổ 8 dự án điện mặt trời với tổng công suất thiết kế 440,1 MWp tập trung tại các huyện Thạnh Hóa và Đức Huệ đang gây áp lực giải tỏa công suất ngược lên lưới điện.

Đứng trước yêu cầu đó, nghiên cứu này được thực hiện nhằm giải quyết bài toán quy hoạch phát triển lưới điện 110kV tỉnh Long An thời kỳ 2021–2030, tầm nhìn đến năm 2050 theo Quyết định số 522/QĐ-TTg và Quyết định số 686/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình dự báo nhu cầu phụ tải 5 thành phần kinh tế bằng thuật toán bình phương cực tiểu trên phần mềm Matlab, đồng thời ứng dụng phần mềm ETAP/PSS/E để mô phỏng, đánh giá các chế độ vận hành tối ưu của lưới điện. Nghiên cứu tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc để giảm tổn thất điện năng từ mức 4,95% trong quá khứ xuống dưới 3,28%, đảm bảo tiêu chuẩn vận hành tin cậy N-1 và đáp ứng mục tiêu huy động hơn 300 nghìn tỷ đồng vốn đầu tư xã hội của tỉnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng tổng hợp hệ thống lý thuyết quy hoạch hệ thống điện hiện đại kết hợp mô hình kinh tế lượng để giải quyết bài toán cân bằng nguồn và lưới. Hai trụ cột lý thuyết cốt lõi được triển khai bao gồm:

Thứ nhất là lý thuyết dự báo chuỗi thời gian bằng phương pháp bình phương cực tiểu (Least Squares Method). Phương pháp này tìm kiếm các hệ số tối ưu cho các dạng hàm toán học (hàm bậc nhất, hàm bậc hai, hàm mũ, hàm lũy thừa và hàm hồi quy đa biến) nhằm cực tiểu hóa tổng bình phương độ lệch giữa giá trị dự báo và số liệu quan trắc thực tế. Trong mô hình hồi quy đa biến, các thuật toán chọn lọc từng bước (Stepwise Regression) được thiết lập dựa trên hệ số xác định $R^2$, kiểm định thống kê $t$ và giá trị $p$ (ngưỡng đưa vào nhỏ hơn 5% và loại bỏ lớn hơn 10%) nhằm loại trừ các biến độc lập không mang ý nghĩa thống kê.

Thứ hai là lý thuyết tính toán phân tích chế độ xác lập của hệ thống điện (Power Flow Analysis) và tiêu chuẩn an ninh hệ thống điện N-1. Các khái niệm chuyên ngành nền tảng được chuẩn hóa trong toàn bộ mô hình gồm: phụ tải cực đại ($P_{max}$), thời gian sử dụng công suất cực đại ($T_{max} = 5.000$ giờ), điện thương phẩm, tỷ lệ tổn thất điện năng và khả năng tải dòng liên tục của dây dẫn ACSR. Hệ thống được đánh giá tính khả thi tài chính thông qua các chỉ số giá trị hiện giá thuần (NPV) và tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR).

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được xây dựng kết hợp giữa phân tích dữ liệu định lượng và mô phỏng kỹ thuật số qua ba giai đoạn chặt chẽ:

  • Nguồn dữ liệu và mẫu nghiên cứu: Dữ liệu đầu vào sử dụng toàn bộ chuỗi số liệu thống kê liên tục trong 11 năm (từ năm 2010 đến năm 2020) của Công ty Điện lực Long An và Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVNSPC). Bộ dữ liệu khảo sát toàn diện 100% hiện trạng của 15 đơn vị hành chính cấp huyện, 29 trạm biến áp 110kV và 353,735 km đường dây truyền tải trên địa bàn. Dữ liệu kinh tế vĩ mô được trích xuất từ Niên giám thống kê tỉnh Long An với các biến số: tốc độ tăng trưởng GRDP (định hướng 9%/năm), tốc độ tăng dân số (trên 1%/năm) và cơ cấu tiêu thụ điện theo 5 thành phần kinh tế.

  • Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Nhóm tác giả lựa chọn xây dựng chương trình tính toán tự động bằng ngôn ngữ Matlab thay vì các công cụ ngoại suy đơn giản. Lý do lựa chọn là Matlab cho phép tự động phân chia dữ liệu thành hai tập con (tập xác định quy luật và tập kiểm tra sai số), đồng thời thử nghiệm đồng thời nhiều dạng hàm phi tuyến để chọn ra phương trình có sai số nhỏ nhất. Sau khi xác định phụ tải nút, phần mềm chuyên dụng ETAP và PSS/E được sử dụng để giải bài toán trào lưu công suất Newton-Raphson, kiểm tra điện áp nút và khả năng chịu tải của các phần tử khi xảy ra sự cố đơn lẻ N-1.

  • Khung thời gian nghiên cứu: Dữ liệu nền tảng 2010–2020, giai đoạn quy hoạch chi tiết tập trung vào các mốc 2021–2025, 2026–2030 và định hướng không gian truyền tải đến năm 2050.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích dữ liệu hiện trạng và kết quả tính toán mô phỏng mang lại 4 phát hiện quan trọng về hệ thống điện tỉnh Long An:

Thứ nhất, tốc độ gia tăng phụ tải điện công nghiệp chiếm tỷ trọng chi phối toàn diện. Trong giai đoạn 2010–2020, điện năng tiêu thụ cho ngành Công nghiệp - Xây dựng đã tăng mạnh từ mức 1.597 GWh, dẫn đến tổng sản lượng điện thương phẩm toàn tỉnh năm 2021 đạt mức dự báo 6.559,6 GWh. Nhu cầu phụ tải dự báo cho thấy khu vực công nghiệp sẽ tiếp tục chiếm trên 65% tổng nhu cầu điện toàn tỉnh đến năm 2030, với các điểm nóng tiêu thụ tập trung tại các huyện Bến Lức, Đức Hòa, Cần Đước và Cần Giuộc.

Thứ hai, tình trạng bất cân đối mang tải tại các trạm biến áp 110kV hiện hữu rất rõ rệt. Kết quả đo đạc thực tế chỉ ra nhiều trạm biến áp 110/22kV hoạt động ở mức cận tải nguy hiểm trong các khung giờ cao điểm: máy biến áp T2 trạm Long An mang tải tới 92,5% (công suất $P_{max} = 33,31$ MW), máy biến áp T1 trạm Bến Lức mang tải 79,1%, máy T1 trạm Hựu Thạnh đạt 80,7% ($P_{max} = 45,75$ MW) và máy T1 trạm Ching Luh đạt 79,7%. Ngược lại, một số trạm khu vực nông nghiệp chỉ mang tải dưới 35% công suất định mức.

Thứ ba, sự thâm nhập mạnh của nguồn năng lượng tái tạo tạo ra hiện tượng đảo chiều dòng công suất. Với 8 nhà máy điện mặt trời đã đóng điện có tổng công suất 440,1 MWp (như GAIA 100,5 MWp, cụm Solar Park 200 MWp, TTC Đức Huệ 49 MWp), trong các khung giờ bức xạ cực đại (11h00 - 13h00), công suất phát lên lưới vượt quá nhu cầu tiêu thụ tại chỗ của khu vực Thạnh Hóa - Đức Huệ. Điều này làm trào lưu công suất chảy ngược về trạm 220kV Đức Hòa 2 và 220kV Long An 2, gây sụt áp động và khó khăn cho công tác điều độ điện áp 22kV.

Thứ tư, mô hình hồi quy đa biến trên Matlab chứng minh độ chính xác vượt trội khi so sánh với thực tế giai đoạn 2021–2023. Sai số dự báo của mô hình đề xuất chỉ dao động trong khoảng 10,88% đến 15,64% so với số liệu tiêu thụ thực tế (năm 2021 thực tế đạt 6.984,07 GWh), trong khi phương pháp lập quy hoạch truyền thống trước đây có mức sai lệch cao hơn đáng kể từ 13,72% đến 21,95%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng quá tải cục bộ là sự dịch chuyển nhanh chóng của các doanh nghiệp sản xuất từ TP. Hồ Chí Minh về các khu cụm công nghiệp dọc tuyến sông Vàm Cỏ Đông và Vàm Cỏ Tây. Việc tiến độ thi công một số trạm 110kV mới bị chậm so với quy hoạch khiến bán kính cấp điện của các xuất tuyến trung thế 22kV bị kéo dài trên 30–40 km, làm tăng tổn thất kỹ thuật tại các huyện vùng sâu như Tân Hưng, Vĩnh Hưng.

Về mặt biểu diễn dữ liệu khoa học, các kết quả mô phỏng trào lưu công suất được số hóa trực quan thông qua bản đồ nhiệt (Heatmap) trên sơ đồ nguyên lý không gian GIS tỉnh Long An, biểu đồ đường đặc tính phụ tải ngày điển hình và các bảng cân đối công suất nút. Đồ thị phân bố điện áp xác nhận rằng nếu không thực hiện cải tạo dây dẫn ACSR185 lên ACSR240/ACSR400 trên các tuyến trục liên kết như Phú Lâm - Bến Lức hay Đức Hòa 2 - Đức Lập, điện áp tại các nút 110kV cuối nguồn sẽ sụt giảm sâu dưới ngưỡng 0,95 Uđm khi hệ thống vận hành ở chế độ cực đại năm 2025 và 2030.

So sánh với các nghiên cứu quy hoạch điện lực tại các tỉnh lân cận thuộc Đồng bằng sông Cửu Long như Tiền Giang hay Đồng Tháp, cấu trúc lưới điện Long An phức tạp hơn nhiều do vừa đóng vai trò trung tâm phụ tải công nghiệp nặng, vừa là cửa ngõ truyền tải năng lượng liên vùng và điểm tập kết nguồn điện khí LNG Long An I & II (công suất 3.000 MW). Do đó, việc xây dựng cấu trúc mạch vòng kép linh hoạt 110kV là giải pháp bắt buộc để giải tỏa công suất và ngăn chặn nguy cơ rã lưới lan truyền.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán kỹ thuật và cân đối kinh tế, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm hoàn thiện lưới điện 110kV tỉnh Long An:

  • Nâng cấp và cải tạo đường dây hiện hữu: Tiến hành thay thế ngay các tuyến đường dây 110kV 1 mạch dây dẫn ACSR185 bằng đường dây 2 mạch phân pha dây dẫn ACSR240 đến ACSR400 trên các tuyến trục huyết mạch (Phú Lâm - Bến Lức, Long An 2 - Tân An, Cai Lậy - Mộc Hóa). Nâng dung lượng các máy biến áp 40 MVA đang vận hành quá 75% công suất lên máy biến áp tiêu chuẩn 63 MVA tại các trạm Bến Lức, Cần Đước và Long An. Mục tiêu hoàn thành trước năm 2025 dưới sự điều phối trực tiếp của Công ty Điện lực Long An.

  • Xây mới trạm biến áp và tuyến truyền tải mạch vòng: Triển khai xây dựng mới các trạm biến áp 110kV đón đầu tại các khu công nghiệp trọng điểm như Tân Tập, KCN Vĩnh Lộc 2, Đức Hòa 3 và mở rộng ngăn lộ tại 4 trạm nguồn 220kV (Đức Hòa 2, Bến Lức, Long An 2, Cần Đước 2). Thiết lập cấu trúc lưới liên kết mạch kín, vận hành hở nhằm đảm bảo tiêu chuẩn cấp điện N-1 tuyệt đối cho 100% phụ tải công nghiệp loại 1 trong giai đoạn 2025–2030. Chủ thể thực hiện: Tổng công ty Điện lực miền Nam phối hợp Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia.

  • Tích hợp giải pháp lưới điện thông minh (Smart Grid): Lắp đặt hệ thống điều khiển tự động hóa bảo vệ rơ-le số, thiết bị giám sát trực tuyến DLR (Dynamic Line Rating) và hệ thống SCADA/EMS đồng bộ. Ứng dụng công nghệ này giúp điều tiết linh hoạt công suất phát của 8 nhà máy điện mặt trời hiện hữu (440,1 MWp) và các nguồn năng lượng sinh khối 75 MW, ngăn ngừa quá tải nhiệt đường dây trong khung giờ phát đỉnh điểm. Đơn vị chủ trì: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam phối hợp các chủ đầu tư năng lượng.

  • Đa dạng hóa cơ chế huy động vốn và phân kỳ tài chính: Xây dựng lộ trình phân bổ nguồn vốn đầu tư lưới điện đồng bộ trong tổng mức huy động hơn 300 nghìn tỷ đồng vốn phát triển hạ tầng của tỉnh. Áp dụng linh hoạt các mô hình xã hội hóa lưới điện truyền tải để khuyến khích doanh nghiệp thứ cấp trong khu công nghiệp cùng tham gia đầu tư trạm 110kV chuyên dùng, đảm bảo chỉ số hoàn vốn nội bộ toàn dự án IRR đạt trên 10–12%. Trách nhiệm thuộc về UBND tỉnh Long An, Sở Công Thương và các định chế tài chính.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao và là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư quy hoạch và điều hành hệ thống điện lực: Cung cấp công cụ lập trình Matlab mẫu để tính toán dự báo phụ tải đa biến và quy trình mô phỏng chế độ xác lập trên phần mềm ETAP/PSS/E. Kỹ sư có thể ứng dụng trực tiếp thuật toán để đánh giá độ sụt áp, dòng ngắn mạch và phân bố trào lưu công suất khi lập dự án nâng cấp lưới điện tại các tỉnh thành khác.

  • Cán bộ quản lý nhà nước tại Sở Công Thương và Ban Quản lý Khu kinh tế: Cung cấp bức tranh toàn cảnh về nhu cầu phụ tải 5 thành phần kinh tế và danh mục các công trình điện 110kV trọng điểm đến năm 2030. Đây là căn cứ khoa học chuẩn xác để các nhà quản lý thẩm định quy hoạch phân khu, cấp phép đầu tư hạ tầng điện và phê duyệt chủ trương các dự án phát triển công nghiệp tại địa phương.

  • Chủ đầu tư các dự án năng lượng tái tạo và điện khí LNG: Cung cấp dữ liệu chi tiết về năng lực giải tỏa công suất, các nút đấu nối khả dụng và hiện trạng mang tải của từng trạm 110kV/220kV trên địa bàn Long An. Giúp chủ đầu tư lựa chọn vị trí đặt nhà máy tối ưu tại khu vực Đức Huệ, Cần Giuộc hoặc Thạnh Hóa, hạn chế tối đa rủi ro bị cắt giảm công suất phát do nghẽn lưới.

  • Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp luận kết hợp giữa mô hình kinh tế lượng thống kê và giải bài toán kỹ thuật điện thực tế, phục vụ công tác giảng dạy môn Quy hoạch hệ thống điện và nghiên cứu các đề tài năng lượng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình hồi quy bình phương cực tiểu trong luận văn có ưu điểm gì so với các phương pháp dự báo truyền thống?

Phương pháp này tối ưu hóa việc phân tích chuỗi dữ liệu 11 năm (2010–2020) thông qua thuật toán tự động chọn lọc biến có ý nghĩa thống kê ($p < 0,05$). Mô hình phản ánh sát diễn biến tăng trưởng GRDP 9,1% và cơ cấu công nghiệp hóa, giúp giảm thiểu sai số dự báo nhu cầu phụ tải xuống dưới 15%, tránh tình trạng đầu tư thừa hoặc thiếu công suất nguồn lưới.

Hệ thống lưới điện 110kV tỉnh Long An hiện đối mặt với nguy cơ kỹ thuật nào lớn nhất?

Thách thức lớn nhất là tình trạng quá tải nghiêm trọng trên một số máy biến áp trọng điểm như máy T2 trạm Long An (mang tải 92,5%) và máy T1 trạm Hựu Thạnh (80,7%). Bên cạnh đó, việc tập trung 440,1 MWp nguồn điện mặt trời tại Đức Huệ - Thạnh Hóa gây hiện tượng dòng công suất chảy ngược, làm gia tăng nguy cơ mất ổn định điện áp toàn vùng.

Các phần mềm chuyên ngành nào được tích hợp để thẩm định phương án quy hoạch?

Tác giả đã kết hợp đồng bộ ba công cụ: phần mềm Matlab để lập trình thuật toán hồi quy dự báo phụ tải; phần mềm chuyên dụng ETAP và PSS/E để tính toán mô phỏng trào lưu công suất xác lập, kiểm tra tiêu chuẩn an toàn N-1 và tính ngắn mạch; cùng bảng tính Excel để phân tích các chỉ số tài chính dự án như NPV và IRR.

Quy hoạch lưới điện 110kV giai đoạn 2021–2030 đáp ứng mục tiêu phát triển nguồn năng lượng mới ra sao?

Đề án quy hoạch bố trí các xuất tuyến mạch kép và nâng cấp các trạm biến áp 110kV/220kV liên kết vùng nhằm giải tỏa 100% công suất cho các cụm điện mặt trời hiện hữu, đồng thời sẵn sàng hạ tầng lưới điện đấu nối đồng bộ cho hai đại dự án Nhà máy điện khí LNG Long An I & II với tổng quy mô 3.000 MW tại huyện Cần Giuộc.

Tính khả thi kinh tế của các dự án lưới điện đề xuất được chứng minh như thế nào?

Hiệu quả kinh tế của đề án được khẳng định qua việc giảm tỷ lệ tổn thất điện năng toàn tỉnh từ 4,95% xuống 3,28%, tiết kiệm hàng trăm triệu kWh điện năng hao hụt mỗi năm. Kết quả phân tích dòng tiền chiết khấu với các suất đầu tư tiêu chuẩn cho thấy dự án đảm bảo khả năng thu hồi vốn nhanh, mang lại tỷ suất sinh lời nội bộ an toàn và khả thi cao.

Kết luận

  • Hoàn thành xuất sắc bài toán dự báo phụ tải điện 5 thành phần cho tỉnh Long An thời kỳ 2021–2030, tầm nhìn 2050 dựa trên phương pháp bình phương cực tiểu được lập trình tối ưu hóa trên Matlab.
  • Xác định chi tiết hiện trạng kỹ thuật của 29 trạm biến áp 110kV và 353,735 km đường dây, chỉ rõ các điểm nghẽn mang tải cao trên 80% cần ưu tiên nâng cấp trước năm 2025.
  • Đề xuất hoàn chỉnh sơ đồ quy hoạch không gian lưới điện 110kV liên kết mạch vòng đa nguồn qua 4 trạm 220kV, đảm bảo vận hành tin cậy tuyệt đối theo tiêu chuẩn an ninh N-1.
  • Xây dựng phương án đấu nối kỹ thuật đồng bộ nhằm giải tỏa triệt để 440,1 MWp điện mặt trời hiện hữu và chuẩn bị hạ tầng tiếp nhận 3.000 MW từ trung tâm điện khí LNG Long An.
  • Khẳng định tính khả thi vượt trội về mặt tài chính và kinh tế kỹ thuật, góp phần thực hiện mục tiêu giảm tổn thất điện năng xuống 3,28% và thúc đẩy tốc độ tăng trưởng GRDP của tỉnh đạt 9%/năm.

Đóng góp khoa học lớn nhất của luận văn là đã thiết lập một quy trình công nghệ tích hợp hoàn chỉnh từ khâu thu thập dữ liệu vĩ mô, dự báo kinh tế lượng trên Matlab đến kiểm tra chế độ vận hành chuyên sâu trên ETAP. Các đơn vị điện lực và cơ quan quản lý cần nhanh chóng đưa danh mục các công trình 110kV ưu tiên giai đoạn 2024–2025 vào kế hoạch đầu tư công trung hạn nhằm đảm bảo an ninh năng lượng cho tỉnh. Bạn đọc và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp tục khai thác chi tiết toàn văn đề tài để ứng dụng vào công tác quy hoạch hệ thống điện phân phối và phát triển năng lượng tái tạo tại các địa phương trên cả nước.