(北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)
現(xiàn)代社會(huì)正朝著智能化時(shí)代發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)+和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn),資源和信息共享越來越成為21 世紀(jì)的主題,而這一切需要龐大的、全覆蓋的無線通信支撐。電力塔搭載通信基站不僅能夠節(jié)約公共資源,提高基站建設(shè)效率,還能極大推動(dòng)通信事業(yè)的發(fā)展,因此共享電力鐵塔搭載通信基站具有廣闊的發(fā)展前景。將電力鐵塔與通信基站相結(jié)合有諸多好處,首先,對(duì)社會(huì)公共資源而言,“一塔(桿)多用”能夠極大節(jié)約土地資源,避免重復(fù)建設(shè)、重復(fù)投資,有效減少新增通信鐵塔基站占用土地資源及其對(duì)環(huán)境的影響,成為踐行國(guó)家綠色發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展理念的典范。其次,對(duì)電力行業(yè)而言,可以推進(jìn)形成電力和通信企業(yè)市場(chǎng)化的共建共享合作模式,促進(jìn)電網(wǎng)公司盤活資源和提高效益,有利于國(guó)有資產(chǎn)保值增值。目前對(duì)共享電力鐵塔的研究大多集中在具體的工程實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域,如通信設(shè)施連接和安裝、電力鐵塔荷載分析、防雷接地、電磁環(huán)境干擾、通信機(jī)房布置等方面。其中,中國(guó)鐵塔公司在2017 和2018 年分別與昆明供電局和南方電網(wǎng)進(jìn)行合作,在電力鐵塔上安裝通信基站;在日本和英國(guó)也有建成電力塔共享基站的例子,但都只是在某一鐵塔進(jìn)行天線的搭建,不具有普適性。本文首先提出共享電力鐵塔的成本模型和收益模型,最終給出共享電力鐵塔經(jīng)濟(jì)效益分析模型,結(jié)合具體實(shí)例,可以定量評(píng)估電網(wǎng)公司共享鐵塔的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
電力鐵塔共建共享成本主要分為兩部分,即供電設(shè)備與架設(shè)線路成本、鐵塔改造成本。其中,考慮供電設(shè)備與架設(shè)線路成本時(shí),根據(jù)鐵塔與配電網(wǎng)之間的距離差異,針對(duì)共享鐵塔搭載5G 基站提出的3 種大功率供電方式,需分別計(jì)算線路架設(shè)成本。
(1)當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)距離很近時(shí)(0.25 km 以內(nèi)),直接引220 V 市電對(duì)基站以及附屬設(shè)施供電,線路架設(shè)成本為:
式中:p1為架設(shè)單位長(zhǎng)度220 V 電力線路的材料費(fèi)(不含人工費(fèi));l1為220 V 架空線路長(zhǎng)度;δ1為架設(shè)單位長(zhǎng)度220 V 電力線路的人工費(fèi);θ1為單位長(zhǎng)度220 V 電力線路運(yùn)行維護(hù)費(fèi);λ1為架空線路年限;η1為架設(shè)單位長(zhǎng)度220 V 電力線路的走廊賠償費(fèi)。
(2)當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)距離較遠(yuǎn)時(shí),可架設(shè)10 kV 輸電線路至鐵塔處,通過配置變壓器與配電箱進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,再向基站及其附屬設(shè)施供電,線路架設(shè)成本為:
式中:p2為架設(shè)單位10 kV 線路的材料費(fèi);l2為10 kV 架空線路公里數(shù);α2是購(gòu)置10 kV 變壓器耗資;β2為單位距離10 kV 變壓器運(yùn)輸費(fèi);s2為10 kV 變壓器運(yùn)輸距離;γ2為每年10 kV 變壓器運(yùn)行維護(hù)費(fèi);σ2為10 kV 變壓器安裝費(fèi);δ2為架設(shè)單位長(zhǎng)度10 kV 線路的人工費(fèi);θ2為單位長(zhǎng)度10 kV 線路的運(yùn)行維護(hù)費(fèi);λ2為架空線路年限;η2為架設(shè)單位長(zhǎng)度10 kV 電力線路的走廊賠償費(fèi)。
(3)當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)的距離更遠(yuǎn)時(shí)(15 km 以上),可采用直接取電法,即從單相輸電線路引線至高變比單相變壓器,通過變壓器將輸電線路高壓轉(zhuǎn)換為220 V 交流電向基站及其附屬設(shè)施供電。直接取電方案以取電鐵塔為中心,可向周圍多座共享鐵塔基站供電,線路架設(shè)成本為:
式中:α3為購(gòu)置高變比單相變壓器費(fèi)用;δ3為單相變壓器安裝費(fèi);β3為單相變壓器單位距離運(yùn)輸費(fèi);s3為單相變壓器運(yùn)輸距離;γ3為單相變壓器年運(yùn)行維護(hù)費(fèi);λ3為變壓器使用時(shí)間;θ3為單相變壓器占地賠償費(fèi);φ1為光伏板購(gòu)置安裝費(fèi)用;φ2為高變比變壓器配套斷路器費(fèi)用;l3為需供電鐵塔與直接取電鐵塔的平均距離;τ 為塔間架設(shè)單位長(zhǎng)度輸電線路(220 V)的材料費(fèi);φ4為塔間架設(shè)單位長(zhǎng)度輸電線路的人工費(fèi);n 為可供電的鐵塔基站數(shù)量,與功率有關(guān),若采用150 kVA 的單相變壓器直接取電,當(dāng)每座鐵塔基站額定功率為20 kW 時(shí),n=4。
根據(jù)3 種大功率供電方式分別計(jì)算得到供電設(shè)備與架設(shè)線路成本后,還需要針對(duì)單個(gè)鐵塔架設(shè)基站的改造成本進(jìn)行計(jì)算。單個(gè)共享鐵塔改造費(fèi)用為:
式中:pa為設(shè)置通信天線平臺(tái)的材料費(fèi);pb為人工安裝費(fèi);pc為平臺(tái)年運(yùn)維費(fèi)用;λ平臺(tái)為平臺(tái)使用年數(shù)。
基于供電設(shè)備與架設(shè)線路的3 種成本計(jì)算,電力鐵塔共建共享的總成本也可分為3 種情況:
當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)距離很近時(shí)(0.25 km 以內(nèi)),架設(shè)220 V 市電線路向基站供電,電力鐵塔共建共享總成本模型為:
當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)距離較遠(yuǎn)時(shí),架設(shè)10 kV 輸電線路向基站供電,電力鐵塔共建共享總成本模型為:
當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)的距離更遠(yuǎn)時(shí)(15 km 以上),采用單相變壓器從高壓輸電線路直接取電向基站供電,電力鐵塔共建共享總成本模型為:
電力鐵塔共建共享的收益主要由兩部分組成,即電費(fèi)和鐵塔(平臺(tái))租賃費(fèi)用。其中,電費(fèi)需按照一般工商業(yè)用電要求,根據(jù)分時(shí)電價(jià)進(jìn)行計(jì)算,分為尖峰電價(jià)、高峰電價(jià)、低谷電價(jià)。尖峰時(shí)段是19:00—21:00,計(jì)2 h;高峰時(shí)段是8:00—11:00,13:00—19:00,21:00—22:00,計(jì)10 h;低谷時(shí)段是11:00—13:00,22:00—次日8:00,計(jì)12 h??赏频没倦娰M(fèi)計(jì)算公式為:
式中:w尖峰為尖峰時(shí)段用電量;p尖峰為尖峰時(shí)段電價(jià);w高峰為高峰時(shí)段用電量;p高峰為高峰時(shí)段電價(jià);w低谷為低谷時(shí)段用電量;p低谷為低谷時(shí)段電價(jià);m 為租賃單個(gè)鐵塔的運(yùn)營(yíng)商數(shù)量。
鐵塔租賃費(fèi)用由多項(xiàng)因素決定。首先是鐵塔地理位置,一般于海拔較高處鐵塔架設(shè)的基站信號(hào)覆蓋范圍較大,此類地理位置優(yōu)越的鐵塔租金相對(duì)較高,反之地勢(shì)較低處的鐵塔,由于架設(shè)基站后的信號(hào)覆蓋范圍較小,租金相對(duì)較低;其次是天線搭載高度,鐵塔可架設(shè)多層平臺(tái)租賃給多家運(yùn)營(yíng)商,基站天線所處平臺(tái)越高,信號(hào)覆蓋范圍越大,從而位于較高平臺(tái)的基站運(yùn)營(yíng)商應(yīng)承擔(dān)較高的租賃費(fèi)。另外,運(yùn)營(yíng)商數(shù)量也會(huì)影響租賃費(fèi)用,對(duì)于鐵塔來說,參加建設(shè)共享的運(yùn)營(yíng)商越多,鐵塔的共享屬性能得到充分發(fā)揮,共享所帶來的收益也就越高,每家運(yùn)營(yíng)商所承擔(dān)的租賃費(fèi)用也會(huì)大大降低。
當(dāng)只有一家通信運(yùn)營(yíng)商公司租賃使用共享鐵塔時(shí),鐵塔租賃費(fèi)用可表示為:
式中:k 為表征天線搭載高度與租金關(guān)系的比例系數(shù),與周圍環(huán)境、區(qū)域用戶密度有關(guān),具體鐵塔具體定值;hmax為天線最高掛點(diǎn)與地基間的相對(duì)高度;k′為表征鐵塔基座相對(duì)海拔高度與租金關(guān)系的比例系數(shù),與地理位置、鐵塔基座海拔高度、用戶分布平面海拔高度有關(guān);h′為鐵塔基座相對(duì)海拔高度。
當(dāng)有多家運(yùn)營(yíng)商共同租賃使用共享鐵塔時(shí),鐵塔租賃費(fèi)用可表示為:
式中:d 為多層平臺(tái)的平臺(tái)間距(視具體塔形及呼稱高而定);η′為多家運(yùn)營(yíng)商共享同一鐵塔資源時(shí)的租金折扣率,η′≤100%(當(dāng)只有一家運(yùn)營(yíng)商時(shí),η′=100%),運(yùn)營(yíng)商數(shù)量越多,折扣率將越低。
綜合電費(fèi)和租賃費(fèi)用模型,可得到共享鐵塔共建共享的收益模型為:
電力鐵塔共建共享的經(jīng)濟(jì)效益分析模型是根據(jù)成本模型和收益模型,計(jì)算投資回本時(shí)間,可基于三種大功率供電方式的成本模型分別進(jìn)行構(gòu)建。設(shè)電力共享鐵塔的成本投入需要ε 年回本。
當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)距離很近時(shí)(0.25 km 以內(nèi)),架設(shè)220 V 市電線路向基站供電,電力鐵塔共建共享經(jīng)濟(jì)效益分析模型為:
基于式(5)和式(11),可將式(12)轉(zhuǎn)化為:
當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)距離較遠(yuǎn)時(shí),架設(shè)10 kV 輸電線路向基站供電,電力鐵塔共建共享經(jīng)濟(jì)效益分析模型為:
基于式(6)和式(11),可將式(14)轉(zhuǎn)化為:
當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)的距離更遠(yuǎn)時(shí)(15 km 以上),采用單相變壓器從高壓輸電線路直接取電向基站供電,電力鐵塔共建共享經(jīng)濟(jì)效益分析模型為:
基于式(7)和式(11),可將式(16)轉(zhuǎn)化為:
根據(jù)式(13)、式(15)、式(17)所示電力鐵塔共建共享的經(jīng)濟(jì)效益分析模型,可計(jì)算投資回本時(shí)間,從而定量評(píng)估電網(wǎng)公司共享鐵塔的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
當(dāng)共享電力鐵塔距離配電半徑50 km 以上時(shí),大功率供電方案采用直接取電法。選用容量為150 kVA 的高變比單相變壓器,變壓器容量預(yù)設(shè)為負(fù)載容量的2 倍,單個(gè)共享鐵塔擬架設(shè)3 家運(yùn)營(yíng)商基站,單座共享鐵塔基站額定功率為20 kW,直接取電可給周圍4 座共享鐵塔搭載基站供電,構(gòu)成共享鐵塔組,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。
鐵塔共享成本分為直接取電成本和鐵塔改造成本,各項(xiàng)具體費(fèi)用如表1 所示。計(jì)算得到供電設(shè)備與架設(shè)線路成本P3=1 757 575 元,鐵塔改造成本P改=26 000 元。
表1 模擬計(jì)算直接取電法供電成本所需參數(shù)
共享鐵塔組的年收益由電費(fèi)以及鐵塔租賃費(fèi)用構(gòu)成,其中電費(fèi)相關(guān)參數(shù)如表2 所示,租賃費(fèi)用相關(guān)參數(shù)如表3 所示。
表2 電費(fèi)收益參數(shù)
基于表2 參數(shù),可得到共享鐵塔組每年電費(fèi)W電=281 779.2 元。
基于表3 參數(shù),可得到共享鐵塔組每年租賃費(fèi)W租金=124 760 元
因此,共享鐵塔組年收益W=406 539.2 元。
根據(jù)式(17)可知,采用直接取電法向4 座共享電力鐵塔供電,則電網(wǎng)公司5~6 年時(shí)間即可收回成本。由此可見,采用共享電力鐵塔,通信公司可避免鐵塔建設(shè)選址和征地等問題,節(jié)省大量能源,降低建設(shè)成本;對(duì)于電網(wǎng)公司來說,存量鐵塔資源租賃屬于增值業(yè)務(wù),提高了鐵塔資源的利用率。因此,電力鐵塔資源共建共享減少了土地資源、人力資源、電力資源及設(shè)備材料消耗和浪費(fèi),能夠節(jié)約成本,提高經(jīng)濟(jì)效益,是對(duì)合作雙方互利互惠的有效方式。
表3 共享鐵塔組的鐵塔租賃收益參數(shù)
本文基于共享鐵塔的成本模型和收益模型,提出了共享鐵塔的經(jīng)濟(jì)效益分析模型,并結(jié)合具體實(shí)例對(duì)電網(wǎng)公司共享鐵塔的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評(píng)估。所提經(jīng)濟(jì)效益模型能夠量化共享電力鐵塔給電網(wǎng)公司帶來的經(jīng)濟(jì)效益,提高電網(wǎng)公司積極建設(shè)共享鐵塔的積極性,增加電力鐵塔利用率,促進(jìn)電力鐵塔資源共享,提高5G 網(wǎng)絡(luò)布局速度。