（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

0 引言

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。

1 電力鐵塔共建共享模型

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：

2 電力鐵塔共建共享收益模型

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：

3 電力鐵塔共建共享的經(jīng)濟(jì)效益分析模型

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。

4 實(shí)例方案分析

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)

5 結(jié)語

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。