高压输电线路共享资源分析及共享铁塔供电技术方案探讨

2020-05-06龚坚刚曹枚根刘欣博楼佳悦周文俊

浙江电力 2020年4期

龚坚刚，曹枚根，刘欣博，楼佳悦，周文俊

（1.浙江华云电力工程设计咨询有限公司，杭州 310014；2.北方工业大学，北京 100144）

0 引言

共享经济最早由美国德克萨斯州立大学社会学教授Marcus Felson 和伊利诺伊大学社会学教授Joel Spaeth 于1978 年提出[1]，一般是指以获得一定报酬为主要目的，基于陌生人之间且存在物品使用权暂时转移的一种新的经济模式。共享经济主要包括一个由第三方创建的、以信息技术为基础的市场平台，这个第三方可以是商业机构、组织或者政府。个体借助这些平台交换闲置物品，分享自己的知识经验，或者向企业、某个创新项目筹集资金等，这也是共享经济的最大特点——淡化所有权，突出使用权[2-3]。

近年来，共享经济在我国的发展如火如荼。从最初的交通、空间、物流仓储领域到如今的教育、基础设施、城市建设等领域，共享经济已经逐渐渗透到社会的方方面面，为国民经济的发展开创了新的增长点[4-5]。这种经济模式有利于解决资源地域间的不足或过剩，实现资源合理配置，促使经济的高效良性发展，且已在各行各业有了领头企业。在共享交通领域，滴滴打车、摩拜单车、Uber 等企业使大众的出行更加方便；在共享住宿领域，Airbnb 和自如等企业为需要的人提供了更方便快捷的租房服务；在共享知识领域，知乎、TED 和MOOC 等大大扩展了人们的知识和视野。

上述共享经济的应用大多是个人参与。如今，参与共享的主体不再局限于个人，而是出现了企业级共享的趋势[6]。2018 年4 月，随着国家电网有限公司、中国南方电网有限责任公司分别与中国铁塔股份有限公司之间战略合作协议的签署，双方正式开启了“共享铁塔”的全新合作模式，电力行业也正式加入了共享经济的发展队列当中，双方将在通信业务服务、智能电网建设以及泛在电力物联网建设等方面开展更广泛的合作，不断为行业和社会创造价值[7]。

作为参与共享经济的新成员，两大电网公司将开放共享电力行业资源，尤其是铁塔资源。输电线路杆塔是电网公司重要的基础资源，其按结构材料可分为钢筋混凝土电杆和铁塔。铁塔外形一般有干字型塔、猫头塔和鼓型塔等[8]。随着近年来电力行业的迅速发展，输电线路规模不断扩大，铁塔随着输电线路的延伸广泛分布在城乡之间。铁塔自身特点及所在地理位置赋予了它多种属性，如果将这些属性合理挖掘并共享利用，会大大提升电力铁塔的价值，且为合作各方带来更多收益。

电网公司开放电力资源的第一步是提供电力铁塔用于共享架设通信基站。在大力发展5G 通信的今天，该项举措不仅符合国家创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，同时能加快5G通信的组网建设速度。由于5G 通信设备耗能较高，单系统功耗是4G 通信的4～5 倍，达到6 kW左右[9-10]，且所处位置可能在配电网供电半径之外，所以如何为通信基站提供稳定的大功率电源是亟待解决的问题。

目前，涉及输电线路可共享属性方面的文献较少，大多数文献只讨论了运营商内部通信塔共享[11-12]。如文献[13-14]对共享电力铁塔架设通信基站时如何改造铁塔本体以及电力铁塔的荷载和电磁干扰问题进行了讨论，但并未涉及到基站供电问题。

本文首先对输电线路铁塔电源属性及取电技术进行深入研究；其次提出输电线路其他4 种可共享属性，即通信、地理位置、支架和防雷接地属性，针对每种可共享属性给出了共享应用场景；最后以共享电力铁塔架设5G 通信基站为典型应用范例，提出通信基站大功率供电方案，考虑到电力铁塔是电力行业输送电能的基础设施，在配电网供电半径之外，提出了高压输电线路直接取电为5G 通信基站供电的优选方案。

1 输电线路铁塔电源属性及取电技术

电的用处十分广泛，方便快捷地获得稳定优质的电源是非常重要的。然而，受种种条件限制，优质电源并不容易获得，尤其是远离城乡的山野间。而电力铁塔作为输电线路的支撑，往往沿路、沿河等在山野间分布，因此输电线路铁塔具有极佳的电源属性，可以直接从其承载的输电线路导地线上取电。现有输电线路直接取电主要有以下4 种方式：

（1）静电感应取电

在高压架空线路的导线周围分布着由线路电荷感生出的库伦电场，库伦电场沿电场方向是存在电位差的，若能够通过负载连接空间中不同电位的两点，则可以实现取电[15-16]，原理如图1 所示。应用该原理的2 种取电方法如图2 所示。

（2）电流互感器取电

交流输电线路周围的磁场可以认为仅由导线中的电流产生，是准静态磁场。由电磁感应定律可知，工频时变磁场与线圈交链，线圈两端可以产生感生电动势，方向符合右手螺旋定则，将负载接入线圈两端即可实现取电[17-18]，原理如图3所示。磁芯与线圈部分共同组成母线式TA（电流互感器）或罗氏线圈。

图1 静电感应取电原理

图2 静电感应2 种取电方法示意

图3 导线TA 取电原理

（3）地线涡旋电场取电

交流输电线路导线周围的磁场除了能够与外接取电线圈产生交链之外，还可以与地线所构成的回路构成交链，在时变磁场的作用下，同样会产生感应电动势，从而可以外接负载取电[19-21]。原理如图4、图5 所示。导线电流产生的磁场分别与铁塔-OPGW（光纤复合架空地线）-铁塔构成的回路和地线-OPGW 构成的回路交链，分别在环路1 和环路2 产生电流。在环路1 中，通过将负载串接入OPGW 中，可以实现取电。由于OPGW是连续的，一般只能在光缆接续处接入负载。在环路2 中，将负载与地线绝缘子并联，可以实现取电。

图4 地线涡旋电场取电原理

图5 地线涡旋电场取电2 种环路示意

上述3 种取电方式的共同特点是功率小，仅能满足一些线路监测装备的用电需求；而且由于输电线路一般输送高电压，上述取电方式并不适合为低压设备供电。因此如何输出低压大功率优质电能便成为一个难题，只有解决了这个难题，才能充分利用铁塔的电源属性。

（4）功率型单相变压器取电

文献[22-24]介绍了一种特殊设计的变压器——功率型单相变压器，其结构如图6 所示。该变压器可直接连接高压线路，输出大功率低压电，从而为设备供电，并具有铁磁谐振抗扰性优异、对过电压不敏感、浪涌电流低和防爆性能优异等特点。更为关键的是，该变压器输出功率最高可达167 kW。

图6 功率型单相变压器结构

图7 功率型单相变压器在变电站的应用

该变压器一般应用在各种变电站（如图7 所示），可以提供额外的设备用电，取代了一般的变压器和柴油发电机，适用于那些无法连接到配电网的偏远变电站，例如在一些领土广阔并且人口密集度比较低的国家，利用这种变压器是非常方便的。另一种典型应用是为远程工业用户（如矿井、泵站等）供电，在这种情况下，通过建立一个轻量级的站点，就可以确保一个经济、稳定和可靠的电源供应。若将该变压器直接应用于高压输电线路，便完全可以依托电力铁塔，成为一个可辐射周边地区的可靠电源，不仅可以为架设于电力铁塔上的大功率设备供电，还可以在路边建立充电桩，充分共享线路的电源属性。

结合现有输电线路直接取电方法及上述功率型单相变压器直接取电方法，电力铁塔的电源属性可以得到充分利用。表1 为4 种输电线路直接取电方式之间的比较，不同的方式适用于不同功率的用电设备。

表1 4 种直接取电方式比较

2 输电线路其他共享属性

2.1 通信属性

电网公司利用特有的线路杆塔资源架设电力特种光缆来发展电力通信网络。我国从1985 年开始将电力特种光缆应用于电力通信网，经过几十年的发展，电力特种光缆已经是我国电力通信网的重要组成部分。电力特种光缆共分为5种：OPGW、OPPC（光纤复合架空相线）、MASS（金属自承式光缆）、ADSS（全介质自承式光缆）、OPAC（附挂式光缆）。其中，我国电力通信网主要采用OPGW 和ADSS[25-26]。

随着我国输电线路光纤化率不断提高，铁塔的通信属性愈加显现。输电线路中的光纤通信资源除了提供给电力系统自身使用以外，还可以提供给其他需求对象。例如，输电线路铁塔可以将电力光缆资源共享给通信公司，用以通信组网建设；也可以利用线路通信资源，建设共享Wi-Fi，为偏远地区运维和临时应急通信提供服务。图8为共享Wi-Fi 设想示意图。

2.2 地理位置属性

输电线路铁塔广泛分布在城乡之间，特殊的地理位置决定了其位置属性。如高速公路边、铁路边、城镇道路边等，往往都具有优质的位置属性，该属性可以给社会提供丰富的共享想象空间。对于在山顶上的铁塔，可以作为卫星气象观测站，进行气象观测；对于公路沿线明显位置的铁塔，可以设置广告；对于位置较高的铁塔，可以设置通信基站等。

图8 利用电力通信资源的共享Wi-Fi 设想

2.3 支架属性

输电线路各种塔型的铁塔均属空间桁架结构，杆件主要由单根等边角钢或组合角钢组成，材料一般使用Q235（A3F）和Q345（16Mn），杆件间连接采用粗制螺栓，靠螺栓受剪力连接，整个塔由角钢、连接钢板和螺栓组成，个别部件如塔脚等由几块钢板焊接成一个组合件。而且输电线路铁塔为保证导线对地的安全距离，高度较高，所以输电线路铁塔可以作为一个高空支架，为高空附加设备提供支撑。在满足荷载条件的前提下，输电线路铁塔的支架属性可以与气象台站、通信公司基站、广告公司等共享。

2.4 防雷接地属性

防雷和接地是各行业内的设备都需要考虑的问题，输电线路的防雷与接地问题也是建设时的重中之重。电力行业通常采用降低线路高度、减少接地电阻、增加避雷线保护角、采取主动安全引流设备、增设耦合线等方式来加强输电线路的防雷特性[27]。因而，输电线路铁塔的防雷接地可以充分共享给其他需要的设备，减少重复建设。例如将电力铁塔用以共享架设通信基站时，机房及天线的防雷与接地措施可以依附于电力铁塔已布置完成的防雷与接地设施。

基于上述分析，铁塔可共享属性可分为电源、通信、地理位置、支架和防雷接地属性，如图9所示。图10 为电力铁塔共享应用场景畅想图。

图9 电力铁塔可共享属性

图10 电力铁塔共享应用场景

值得注意的是，电力铁塔在为其他行业提供共享时，不一定是共享单一属性，更多情况是各种可共享属性相互配合，相互依附，也正因为如此，输电线路共享的可行性也大大提高。最典型的例子便是将电力铁塔用于架设通信基站，其充分共享了铁塔的地理位置属性、支架属性和防雷接地属性。2017 年7 月，中国铁塔公司与昆明供电局合作，成功在220 kV 东郭二回线6 号塔安装了通信基站和天线。2018 年3 月，中国铁塔公司再次与云南电网合作，在云南楚雄市东瓜镇220 kV 鹿紫二回线38 号塔成功安装了通信基站及天线[28]。与此同时，随着5G 通信技术的快速发展，由于其频率较高，覆盖面积较4G/3G/2G小很多，所以5G 通信需要建设成倍数量的铁塔架设基站来满足广域覆盖。如果通信铁塔全部重建，会严重降低5G 通信的组网建设速度，且极大地增加建设成本。如果能够将电力铁塔资源共享，用以架设通信基站，则会大大提高5G 通信的建设速度，降低成本。

由于5G 通信设备耗能较高，单系统功耗是4G 通信的4～5 倍，达到6 kW 左右，共享电力铁塔架设5G 通信基站面临一个很严峻的问题——大功率供电问题，且由于基站所处位置可能在配电网供电半径之外，如何应用铁塔输电线路为基站提供一个稳定的大功率电源是亟待解决的问题。

3 共享铁塔取供电方式

电力铁塔上架设5G 通信基站能够充分共享铁塔的地理位置属性、支架属性、防雷接地属性，但基站的大功率供电问题急需解决。共享电力铁塔上5G 基站的供电方式需要满足电源输出功率不受电网电流波动和环境变化的影响，并能够保证稳定的电能输出，还要尽量做到体积小、重量轻、安全环保和易于安装。本文以5G 有源天线单元供电电压需求48 V、整座5G 基站功率需求6 kW 为例，若考虑4 家5G 通信运营商（移动、联通、电信、广电）同时架设，每家运营商设置3 副天线，且保留一定的功率裕量，则取电方案需满足80 kW 的供电功率需求。下面以220 kV高压输电线路为例讨论直接取电方案。

3.1 配电线路供电

根据中国铁塔公司发布的《基站通信电源系统配置指导意见》，若引入市电为通信基站供电，原则上应该引入一路不差于三类（平均月市电故障低于4.5 次，平均每次故障时间小于8 h）的市电电源，优先从公共电网引入一路380 V/220 V的交流电源；若无法引入，在满足供电质量的前提下，按以下方案引入：

（1）从基站所在地或附近的建筑物就近引入一路380 V/220 V 的交流电源。

（2）自建变压器，引入一路10 kV 高压市电。

从上述意见可知，引入市电需要非常靠近市区才是经济可行的方案。若附近无可用交流电源，需自建变压器，引入高压市电。对于配电网供电半径之内地区，可以采用市电供电方案。对于供电半径之外的偏远地区，该方案的应用会受到限制。

3.2 功率型单相变压器直接取电

功率型单相变压器如前文所述，其取电原理如图11 所示，包含电压转换部分、整流部分、滤波部分和Buck 变换器部分。变压器一次侧电压为220 kV，二次侧电压为220 V，其变比n=N1/N2=1 000，原副边和原边绕组匝间绝缘强度要求很高，且变比较高，因此此类变压器需特殊设计。

图11 单相变压器取电方式原理

高压侧绕组电网电压经过单相变压器后，经全桥整流电路转换为直流，再经滤波后作为后级Buck 电路的输入。Buck 变换器电路的作用是降压，将整流输出的直流电压转换为48 V，作为基站天线供电的直流电源。图12 为功率型单相变压器取电接线图。

图12 功率型单相变压器取电接线

图11 中：交流源AC 表示由输电线路引下的交流电源；功率型单相变压器T1将高电压转换为低电压；二极管D1—D4共同构成不控整流电路，将交流电转换为直流电；电感L1与电容C1，C2共同构成滤波电路对直流电进行滤波；功率半导体器件MOSFET、二极管D5、电感L2、电容C3共同组成Buck 降压电路为负载RL供电。

利用该变压器取电，直接把电网能量输送给设备，比较灵活方便，且单相变压器的功率比较大，可以满足基站的大功率需求，该直接取电方案是可行的。但是在线路故障或者停电检修时该方案便失去作用。

当采用功率型单相变压器直接取电方式为通信基站供电时，需着重考虑其功率对原输电线路供电质量及可靠性的影响。以220 kV 电压等级输电线路输送自然功率142 MW 为例[29]，单台变压器输出功率为80 kW 时，新增负荷占比为：

新增负荷占比仅0.056%，非常小，当采用合理的取电回路控制方法，例如PFC（功率因数校正）等，新增负荷并不会对原输电线路供电质量产生影响；从维持输电线路三相平衡的角度考虑，若线路中多处应用该种变压器进行取电时，应按照a 相、b 相、c 相的循环顺序分别从线路的各相取电；同时，为避免取电回路故障降低原输电线路供电可靠性，需加入变压器取电回路的故障切除功能。

3.3 光伏与蓄电池联合供电

该供电方案包含光伏发电部分、Boost 变换器部分和蓄电池，原理如图13 所示[30-31]，利用光伏发电，经由Boost 变换器升压后给直流负载供电，同时配备48 V 电池组。当设备功率较大时，光伏和蓄电池同时供电；当设备功率较小时，光伏为其供电，同时为48 V 蓄电池组充电。此方案比较成熟，但由于光伏发电不稳定，并不能保证输出功率的稳定。

图13 “光伏+蓄电池”取电方案原理

图13 中：PV 表示光伏设备；电感L1、二极管D1、电容C1、功率半导体器件MOSFET 共同构成Boost 升压电路为负载RL供电；蓄电池、开关S1和S2并联在负载两端，在光伏设备输出功率充足时，蓄电池作为负载进行充电，光伏设备输出功率不足时，蓄电池作为电源进行放电。

3.4 大功率供电方案优选

本文提出的方案为：

（1）当共享铁塔位于配电网供电半径之内时，使用市电直接供电，通过就近引入380 V/220 V交流电源为基站供电，如3.1 节所述。

（2）当共享铁塔位于配电网供电半径之外时，将大功率单相变压器从高压输电线路直接取电方式以及光伏和蓄电池组合供电进行并联，共同为基站供电。原理如图14 所示，单相变压器直接从线路取电作为主要电源为通信基站供电；光伏与蓄电池的组合作为后备电源为基站供电。两者优势互补，可以保证整座基站稳定用电。

图14 组合供电方式原理

图14 中：交流源AC 表示由输电线路引下的交流电源；功率型单相变压器T1将高电压转换为低电压；二极管D1—D4共同构成不控整流，将交流电转换为直流电；电感L1与电容C1，C2共同构成滤波电路对直流电进行滤波；功率半导体器件MOSFET、二极管D5、电感L2、电容C3共同组成Buck 降压电路进而为负载RL供电；PV 表示光伏设备；L3，D6，C4，功率半导体器件MOSFET 共同构成Boost 升压电路；蓄电池、开关S1和S2并联在负载两端，与光伏回路共同作为后备电源。