共享电力铁塔搭载通信基站经济效益分析模型

2021-03-13

浙江电力 2021年2期

（北方工业大学，北京 100144）

0 引言

现代社会正朝着智能化时代发展，互联网+和物联网技术突飞猛进，资源和信息共享越来越成为21 世纪的主题，而这一切需要庞大的、全覆盖的无线通信支撑。电力塔搭载通信基站不仅能够节约公共资源，提高基站建设效率，还能极大推动通信事业的发展，因此共享电力铁塔搭载通信基站具有广阔的发展前景。将电力铁塔与通信基站相结合有诸多好处，首先，对社会公共资源而言，“一塔（杆）多用”能够极大节约土地资源，避免重复建设、重复投资，有效减少新增通信铁塔基站占用土地资源及其对环境的影响，成为践行国家绿色发展、协调发展理念的典范。其次，对电力行业而言，可以推进形成电力和通信企业市场化的共建共享合作模式，促进电网公司盘活资源和提高效益，有利于国有资产保值增值。目前对共享电力铁塔的研究大多集中在具体的工程实现领域，如通信设施连接和安装、电力铁塔荷载分析、防雷接地、电磁环境干扰、通信机房布置等方面。其中，中国铁塔公司在2017 和2018 年分别与昆明供电局和南方电网进行合作，在电力铁塔上安装通信基站；在日本和英国也有建成电力塔共享基站的例子，但都只是在某一铁塔进行天线的搭建，不具有普适性。本文首先提出共享电力铁塔的成本模型和收益模型，最终给出共享电力铁塔经济效益分析模型，结合具体实例，可以定量评估电网公司共享铁塔的经济价值。

1 电力铁塔共建共享模型

电力铁塔共建共享成本主要分为两部分，即供电设备与架设线路成本、铁塔改造成本。其中，考虑供电设备与架设线路成本时，根据铁塔与配电网之间的距离差异，针对共享铁塔搭载5G 基站提出的3 种大功率供电方式，需分别计算线路架设成本。

（1）当铁塔与配电网距离很近时（0.25 km 以内），直接引220 V 市电对基站以及附属设施供电，线路架设成本为：

式中：p1为架设单位长度220 V 电力线路的材料费（不含人工费）；l1为220 V 架空线路长度；δ1为架设单位长度220 V 电力线路的人工费；θ1为单位长度220 V 电力线路运行维护费；λ1为架空线路年限；η1为架设单位长度220 V 电力线路的走廊赔偿费。

（2）当铁塔与配电网距离较远时，可架设10 kV 输电线路至铁塔处，通过配置变压器与配电箱进行电压转换，再向基站及其附属设施供电，线路架设成本为：

式中：p2为架设单位10 kV 线路的材料费；l2为10 kV 架空线路公里数；α2是购置10 kV 变压器耗资；β2为单位距离10 kV 变压器运输费；s2为10 kV 变压器运输距离；γ2为每年10 kV 变压器运行维护费；σ2为10 kV 变压器安装费；δ2为架设单位长度10 kV 线路的人工费；θ2为单位长度10 kV 线路的运行维护费；λ2为架空线路年限；η2为架设单位长度10 kV 电力线路的走廊赔偿费。

（3）当铁塔与配电网的距离更远时（15 km 以上），可采用直接取电法，即从单相输电线路引线至高变比单相变压器，通过变压器将输电线路高压转换为220 V 交流电向基站及其附属设施供电。直接取电方案以取电铁塔为中心，可向周围多座共享铁塔基站供电，线路架设成本为：

式中：α3为购置高变比单相变压器费用；δ3为单相变压器安装费；β3为单相变压器单位距离运输费；s3为单相变压器运输距离；γ3为单相变压器年运行维护费；λ3为变压器使用时间；θ3为单相变压器占地赔偿费；φ1为光伏板购置安装费用；φ2为高变比变压器配套断路器费用；l3为需供电铁塔与直接取电铁塔的平均距离；τ 为塔间架设单位长度输电线路（220 V）的材料费；φ4为塔间架设单位长度输电线路的人工费；n 为可供电的铁塔基站数量，与功率有关，若采用150 kVA 的单相变压器直接取电，当每座铁塔基站额定功率为20 kW 时，n=4。

根据3 种大功率供电方式分别计算得到供电设备与架设线路成本后，还需要针对单个铁塔架设基站的改造成本进行计算。单个共享铁塔改造费用为：

式中：pa为设置通信天线平台的材料费；pb为人工安装费；pc为平台年运维费用；λ平台为平台使用年数。

基于供电设备与架设线路的3 种成本计算，电力铁塔共建共享的总成本也可分为3 种情况：

当铁塔与配电网距离很近时（0.25 km 以内），架设220 V 市电线路向基站供电，电力铁塔共建共享总成本模型为：

当铁塔与配电网距离较远时，架设10 kV 输电线路向基站供电，电力铁塔共建共享总成本模型为：

当铁塔与配电网的距离更远时（15 km 以上），采用单相变压器从高压输电线路直接取电向基站供电，电力铁塔共建共享总成本模型为：

2 电力铁塔共建共享收益模型

电力铁塔共建共享的收益主要由两部分组成，即电费和铁塔（平台）租赁费用。其中，电费需按照一般工商业用电要求，根据分时电价进行计算，分为尖峰电价、高峰电价、低谷电价。尖峰时段是19:00—21:00，计2 h；高峰时段是8:00—11:00，13:00—19:00，21:00—22:00，计10 h；低谷时段是11:00—13:00，22:00—次日8:00，计12 h。可推得基站电费计算公式为：

式中：w尖峰为尖峰时段用电量；p尖峰为尖峰时段电价；w高峰为高峰时段用电量；p高峰为高峰时段电价；w低谷为低谷时段用电量；p低谷为低谷时段电价；m 为租赁单个铁塔的运营商数量。

铁塔租赁费用由多项因素决定。首先是铁塔地理位置，一般于海拔较高处铁塔架设的基站信号覆盖范围较大，此类地理位置优越的铁塔租金相对较高，反之地势较低处的铁塔，由于架设基站后的信号覆盖范围较小，租金相对较低；其次是天线搭载高度，铁塔可架设多层平台租赁给多家运营商，基站天线所处平台越高，信号覆盖范围越大，从而位于较高平台的基站运营商应承担较高的租赁费。另外，运营商数量也会影响租赁费用，对于铁塔来说，参加建设共享的运营商越多，铁塔的共享属性能得到充分发挥，共享所带来的收益也就越高，每家运营商所承担的租赁费用也会大大降低。

当只有一家通信运营商公司租赁使用共享铁塔时，铁塔租赁费用可表示为：

式中：k 为表征天线搭载高度与租金关系的比例系数，与周围环境、区域用户密度有关，具体铁塔具体定值；hmax为天线最高挂点与地基间的相对高度；k′为表征铁塔基座相对海拔高度与租金关系的比例系数，与地理位置、铁塔基座海拔高度、用户分布平面海拔高度有关；h′为铁塔基座相对海拔高度。

当有多家运营商共同租赁使用共享铁塔时，铁塔租赁费用可表示为：

式中：d 为多层平台的平台间距（视具体塔形及呼称高而定）；η′为多家运营商共享同一铁塔资源时的租金折扣率，η′≤100%（当只有一家运营商时，η′=100%），运营商数量越多，折扣率将越低。

综合电费和租赁费用模型，可得到共享铁塔共建共享的收益模型为：

3 电力铁塔共建共享的经济效益分析模型

电力铁塔共建共享的经济效益分析模型是根据成本模型和收益模型，计算投资回本时间，可基于三种大功率供电方式的成本模型分别进行构建。设电力共享铁塔的成本投入需要ε 年回本。

当铁塔与配电网距离很近时（0.25 km 以内），架设220 V 市电线路向基站供电，电力铁塔共建共享经济效益分析模型为：

基于式（5）和式（11），可将式（12）转化为：

当铁塔与配电网距离较远时，架设10 kV 输电线路向基站供电，电力铁塔共建共享经济效益分析模型为：

基于式（6）和式（11），可将式（14）转化为：

当铁塔与配电网的距离更远时（15 km 以上），采用单相变压器从高压输电线路直接取电向基站供电，电力铁塔共建共享经济效益分析模型为：

基于式（7）和式（11），可将式（16）转化为：

根据式（13）、式（15）、式（17）所示电力铁塔共建共享的经济效益分析模型，可计算投资回本时间，从而定量评估电网公司共享铁塔的经济价值。

4 实例方案分析

当共享电力铁塔距离配电半径50 km 以上时，大功率供电方案采用直接取电法。选用容量为150 kVA 的高变比单相变压器，变压器容量预设为负载容量的2 倍，单个共享铁塔拟架设3 家运营商基站，单座共享铁塔基站额定功率为20 kW，直接取电可给周围4 座共享铁塔搭载基站供电，构成共享铁塔组，进行经济效益分析。

铁塔共享成本分为直接取电成本和铁塔改造成本，各项具体费用如表1 所示。计算得到供电设备与架设线路成本P3=1 757 575 元，铁塔改造成本P改=26 000 元。

表1 模拟计算直接取电法供电成本所需参数

共享铁塔组的年收益由电费以及铁塔租赁费用构成，其中电费相关参数如表2 所示，租赁费用相关参数如表3 所示。

表2 电费收益参数

基于表2 参数，可得到共享铁塔组每年电费W电=281 779.2 元。

基于表3 参数，可得到共享铁塔组每年租赁费W租金=124 760 元

因此，共享铁塔组年收益W=406 539.2 元。

根据式（17）可知，采用直接取电法向4 座共享电力铁塔供电，则电网公司5～6 年时间即可收回成本。由此可见，采用共享电力铁塔，通信公司可避免铁塔建设选址和征地等问题，节省大量能源，降低建设成本；对于电网公司来说，存量铁塔资源租赁属于增值业务，提高了铁塔资源的利用率。因此，电力铁塔资源共建共享减少了土地资源、人力资源、电力资源及设备材料消耗和浪费，能够节约成本，提高经济效益，是对合作双方互利互惠的有效方式。