Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa diễn ra mạnh mẽ, nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện tại Việt Nam tăng trưởng trung bình từ 8% đến 10% mỗi năm, đặt ra áp lực vận hành rất lớn lên hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối. Một trong những thách thức cốt lõi đối với các công ty điện lực là giảm thiểu tổn thất điện năng kỹ thuật, vốn chiếm khoảng 5% đến 8% tổng điện năng truyền tải trên toàn mạng lưới. Luận văn tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật tối ưu hóa mạng điện 110 kV và ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự báo chính xác tổn thất công suất tác dụng trên đường dây.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm hai trọng tâm chính: Thứ nhất, xây dựng mô hình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho mạng điện 110 kV cấp điện cho 4 nút phụ tải trọng điểm với tổng công suất tác dụng cực đại đạt 120 MW (lần lượt là 40 MW, 30 MW, 30 MW và 20 MW), đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khắt khe về độ sụt áp, khả năng tải và cân bằng công suất phản kháng. Thứ hai, phát triển mô hình mạng nơ-ron nhân tạo nhằm mô phỏng và dự báo tổn thất công suất tác dụng trong các điều kiện vận hành biến thiên.

Phạm vi nghiên cứu được triển khai dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống điện hiện hành kết hợp phân tích dữ liệu vận hành thực tế tại lưới điện 110 kV tỉnh Bến Tre trong giai đoạn năm 2020 đến đầu năm 2021. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc kiểm soát độ lệch điện áp toàn mạng luôn duy trì dưới ngưỡng 5%, đồng thời nâng cao hiệu quả dự báo tổn thất kỹ thuật với độ chính xác đạt trên 95%, cung cấp công cụ hỗ trợ ra quyết định đắc lực cho công tác điều độ và vận hành hệ thống điện khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền tải điện năng và giải thuật trí tuệ nhân tạo chuyên sâu:

  • Lý thuyết cân bằng công suất và lựa chọn cấp điện áp: Áp dụng công thức kinh nghiệm Still để xác định cấp điện áp danh định tối ưu dựa trên khoảng cách truyền tải từ 20 km đến 31,622 km và công suất tải từ 20 MW đến 40 MW. Kết quả tính toán cho ra các mức điện áp từ 79,563 kV đến 111,695 kV, khẳng định cấp điện áp tiêu chuẩn 110 kV là lựa chọn tối ưu nhất.
  • Lý thuyết lựa chọn tiết diện dây dẫn và bù công suất: Áp dụng phương pháp mật độ dòng điện kinh tế với hệ số $j_{kt} = 1,0 \text{ A/mm}^2$ tương ứng thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{max} > 5000 \text{ giờ/năm}$, kết hợp hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ môi trường 40°C đạt 0,85. Tiêu chuẩn công suất tự nhiên và công suất kháng do điện dung đường dây phát ra được kiểm soát theo định mức không vượt quá 12,5% công suất tự nhiên.
  • Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo: Vận dụng mô hình mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp kết hợp giải thuật học lan truyền ngược. Cấu trúc mạng sử dụng các hàm kích hoạt phi tuyến như Tangent Sigmoid, Log-Sigmoid và hàm tuyến tính Purelin để nắm bắt mối quan hệ phi tuyến phức tạp giữa các đại lượng điện trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng phần mềm kỹ thuật chuyên dụng và khai phá dữ liệu số:

  • Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Dữ liệu vận hành được trích xuất trực tiếp từ phần mềm giám sát đo đếm tự động Appmeter kết hợp hồ sơ kỹ thuật của Đội Quản lý Vận hành Lưới điện Cao thế tỉnh Bến Tre. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 365 chuỗi dữ liệu đo đạc theo giờ trong năm, kèm tập dữ liệu vận hành liên tục 24/7 từ ngày 25/06/2020 đến ngày 03/07/2020 tại các trạm biến áp 110 kV.
  • Phương pháp chọn mẫu: Áp dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng theo thời gian, bao gồm đầy đủ các chế độ phụ tải cực đại, phụ tải cực tiểu (tương đương 40% công suất cực đại) và chế độ sự cố đứt một mạch (N-1).
  • Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Sử dụng phần mềm ETAP 16.0 để tính toán dòng trào lưu công suất, tổn thất điện áp và kiểm tra phát nóng dây dẫn vì đây là công cụ đạt chuẩn công nghiệp IEEE, đảm bảo độ chính xác tuyệt đối trong thiết kế hệ thống điện. Môi trường MATLAB Neural Network Toolbox được lựa chọn để xây dựng, huấn luyện và đánh giá mô hình mạng nơ-ron nhờ khả năng tối ưu hóa trọng số ma trận vượt trội. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và thử nghiệm được hoàn thiện trong vòng 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán trên mô hình lý thuyết và mô phỏng thực tế mang lại những phát hiện quan trọng:

  • Tối ưu hóa cân bằng công suất phản kháng: Tổng công suất phản kháng của 4 phụ tải ban đầu là 74,368 MVAr với hệ số công suất $\cos\varphi = 0,85$. Nghiên cứu đã xác định chính xác tổng dung lượng bù kinh tế cần đặt thêm là 8,162 MVAr (phân bổ cho phụ tải 1 là 2,551 MVAr; phụ tải 2 là 2,104 MVAr; phụ tải 3 là 1,904 MVAr; phụ tải 4 là 1,531 MVAr). Giải pháp này nâng hệ số công suất sau bù lên mức 0,873 đến 0,878, giảm đáng kể dòng điện chạy trên lưới.
  • So sánh hiệu quả kỹ thuật giữa các phương án đi dây: Đối với khu vực cấp điện liên tục, phương án đường dây lộ kép hình tia sử dụng dây AC-120 và AC-95 kết hợp cột thép Y110-2 cho thấy sự vượt trội. Khi xảy ra sự cố đứt một lộ N-1, độ sụt áp cực đại chỉ là 1,08%, thấp hơn 78% so với phương án lộ đơn liên thông mạch vòng khi bị đứt mạch (sụt áp lên tới 5,00%).
  • Khả năng cách điện và phân bố điện áp chuỗi sứ: Chuỗi sứ treo 110 kV gồm 8 bát sứ đạt hiệu suất chuỗi sứ là 59,5%, trong đó điện áp rơi trên bát sứ số 1 gần dây dẫn nhất chiếm tỷ lệ 21% điện áp pha đất, hoàn toàn đáp ứng an toàn điện môi.
  • Hiệu quả dự báo của mạng nơ-ron nhân tạo: Mô hình mạng nơ-ron được huấn luyện với 3 thông số đầu vào gồm công suất tác dụng phát đầu nguồn, công suất phản kháng và điện áp lưới cho kết quả dự báo tổn thất công suất tác dụng bám sát dữ liệu thực tế tại Bến Tre. Sai số tuyệt đối phần trăm giữa giá trị dự báo và đo đạc thực tế chỉ dao động từ 2,1% đến 4,8% trong suốt chuỗi ngày thử nghiệm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp giảm tổn thất công suất và cải thiện điện áp là việc bố trí dung lượng bù 8,162 MVAr sát các nút phụ tải, giúp triệt tiêu dòng công suất phản kháng truyền tải từ nguồn xa, từ đó giảm thiểu thành phần tổn thất nhiệt Joule trên dây dẫn.

So với các nghiên cứu truyền thống sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính thường có sai số vượt quá 10% khi phụ tải biến động thất thường, mô hình mạng nơ-ron nhân tạo trong luận văn đã chứng minh tính ưu việt vượt trội nhờ khả năng học sâu các đặc tính phi tuyến của hệ thống.

Các dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa sinh động thông qua:

  • Biểu đồ phân bố điện áp dọc chuỗi 8 bát sứ không vòng chắn từ 4 đến 16 bát, minh chứng tính hợp lý của vị trí cách điện.
  • Bảng tổng hợp so sánh vốn đầu tư xây lắp và khối lượng kim loại màu giữa các phương án lộ kép và mạch vòng, khẳng định tính khả thi kinh tế.
  • Đồ thị phân tích hồi quy trên MATLAB với hệ số tương quan tuyến tính $R > 0,95$, biểu thị sự tương thích cao giữa tổn thất dự báo và thực nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả phân tích kỹ thuật và mô hình dự báo, luận văn đưa ra 4 nhóm khuyến nghị hành động cụ thể:

  • Triển khai lắp đặt hệ thống bù công suất phản kháng tập trung: Tổng công ty Điện lực miền Nam và Công ty Điện lực Bến Tre cần phê duyệt dự án lắp đặt dàn tụ bù dung lượng 8,162 MVAr tại các trạm biến áp 110 kV trong quý 2 năm tới, đặt mục tiêu nâng hệ số công suất toàn hệ thống lên $\cos\varphi \ge 0,90$ và tiết giảm tổn thất điện năng tối thiểu 12%.
  • Tích hợp module dự báo tổn thất ANN vào hệ thống điều độ SCADA: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện khu vực phối hợp cùng nhóm phát triển công nghệ triển khai tích hợp thuật toán mạng nơ-ron nhân tạo vào hệ thống quản trị năng lượng trong vòng 12 tháng, nhằm đạt độ chính xác dự báo tổn thất thời gian thực trên 96%.
  • Chuẩn hóa tiết diện dây dẫn và cột thép theo tiêu chuẩn lộ kép: Ban Quản lý Dự án Lưới điện cần ưu tiên lựa chọn dây dẫn tiêu chuẩn AC-120 đến AC-240 cùng hệ cột thép Y110-2 cho các dự án xây mới đường dây 110 kV có yêu cầu cấp điện liên tục, đảm bảo độ sụt áp chế độ sự cố N-1 không vượt quá ngưỡng 2,5%.
  • Tăng cường kiểm định hiệu suất cách điện và đo lường tổn thất vầng quang: Đội Quản lý Vận hành Lưới điện Cao thế thực hiện kiểm tra định kỳ 6 tháng một lần đối với hiệu suất chuỗi 8 bát sứ và duy trì tiêu chuẩn công suất kháng điện dung đường dây luôn nhỏ hơn hoặc bằng 12,5% công suất tự nhiên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho nhiều nhóm đối tượng trong ngành năng lượng:

  • Kỹ sư thiết kế và quy hoạch điện: Nắm vững phương pháp luận tính toán kinh tế - kỹ thuật, lựa chọn thiết bị trạm biến áp, xác định đầu phân áp máy biến áp và mô phỏng trào lưu công suất trên phần mềm ETAP 16.0 cho các dự án lưới điện truyền tải 110 kV.
  • Kỹ sư vận hành và điều độ hệ thống điện: Khai thác giải pháp dự báo tổn thất bằng trí tuệ nhân tạo để ứng dụng vào công tác điều độ công suất, phân bổ phụ tải hợp lý và chủ động lập kế hoạch đóng cắt tụ bù theo ngày tại các Công ty Điện lực tỉnh.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Hệ thống điện: Tiếp cận tài liệu tham khảo bài bản kết hợp hài hòa giữa lý thuyết tính toán truyền thống và ứng dụng công nghệ mô phỏng số cùng mạng nơ-ron trên môi trường MATLAB.
  • Các chuyên gia phát triển giải pháp lưới điện thông minh: Tham khảo kiến trúc mạng nơ-ron và bộ tham số huấn luyện đầu vào để xây dựng các tiện ích mở rộng cho các hệ thống quản trị năng lượng thông minh và tự động hóa lưới điện phân phối.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao nghiên cứu lại chọn cấp điện áp 110 kV cho hệ thống truyền tải này? Dựa vào công thức kinh nghiệm Still, với công suất truyền tải từ 20 MW đến 40 MW trên chiều dài từ 20 km đến 31,622 km, điện áp tính toán dao động từ 79,563 kV đến 111,695 kV. Cấp điện áp 110 kV là cấp điện áp định mức chuẩn quốc gia phù hợp nhất, đảm bảo tính đồng bộ và hạn chế sụt áp dưới 5%.

  • Lợi ích vượt trội của mạng nơ-ron nhân tạo so với các công thức tính tổn thất giải tích là gì? Các công thức giải tích cổ điển gặp khó khăn khi phụ tải liên tục biến đổi phi tuyến theo giờ. Mạng nơ-ron nhiều lớp có khả năng tự học các quy luật phi tuyến phức tạp từ dữ liệu đầu vào công suất và điện áp, đạt sai số dự báo thực tế chỉ từ 2,1% đến 4,8%.

  • Dung lượng bù 8,162 MVAr được phân bổ dựa trên nguyên tắc nào? Dung lượng bù được tính toán cân bằng công suất phản kháng tại thanh cái cao áp nhằm bù đắp tổn thất phản kháng trong máy biến áp và giữ điện áp ổn định. Mức bù này được chia sẻ theo tỷ trọng phụ tải, nâng hệ số công suất của toàn bộ 4 trạm lên mức tối ưu từ 0,873 đến 0,878.

  • Phương án đường dây lộ kép hình tia mang lại lợi thế kỹ thuật gì khi xảy ra sự cố? Khi đứt một mạch dây dẫn, mạch còn lại vẫn đảm bảo truyền tải toàn bộ công suất cực đại 40 MW mà không bị quá nhiệt (dòng sự cố 240,209 A thấp hơn giới hạn cho phép 306 A của dây AC-120), độ sụt áp chỉ 1,08%, đảm bảo cấp điện liên tục cho phụ tải quan trọng.

  • Mô hình dự báo trên MATLAB sử dụng các biến số đầu vào nào? Mô hình sử dụng 3 biến số vận hành thực tế thu thập từ lưới điện 110 kV Bến Tre: công suất tác dụng phát đầu nguồn, công suất phản kháng và mức điện áp thanh cái. Biến số đầu ra duy nhất là tổn thất công suất tác dụng trên đường dây.

Kết luận

  • Hoàn thành trọn vẹn thiết kế kỹ thuật lưới điện 110 kV đáp ứng nhu cầu cung cấp điện 120 MW an toàn và tin cậy.
  • Xác định phương án đi dây lộ kép hình tia dùng cột thép Y110-2 và chuỗi 8 bát sứ là phương án tối ưu toàn diện về kinh tế - kỹ thuật.
  • Tính toán chính xác lượng bù phản kháng 8,162 MVAr, giúp kiểm soát độ lệch điện áp luôn trong biên độ cho phép dưới 5%.
  • Xây dựng thành công mô hình mạng nơ-ron nhân tạo trên MATLAB với sai số dự báo tổn thất cực thấp từ 2,1% đến 4,8%.
  • Ứng dụng hiệu quả dữ liệu thực tế của lưới điện 110 kV tỉnh Bến Tre, mở ra hướng ứng dụng trí tuệ nhân tạo mạnh mẽ trong vận hành hệ thống điện.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là tạo ra cầu nối hoàn chỉnh giữa thiết kế truyền thống theo tiêu chuẩn kỹ thuật điện và công nghệ trí tuệ nhân tạo tiên tiến. Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, mô hình dự báo cần tiếp tục được mở rộng cho mạng lưới đa nguồn điện tái tạo. Các kỹ sư và nhà quản lý vận hành hệ thống điện hãy nhanh chóng ứng dụng giải pháp mô phỏng số và trí tuệ nhân tạo để nâng cao độ tin cậy và tối ưu hóa chi phí vận hành lưới điện hiện đại.