偏遠通信基站新能源供電方案及經(jīng)濟價值的提升路徑

易金印

（中廣核太陽能開發(fā)有限公司，北京 100037）

0 引 言

隨著我國通信事業(yè)的快速發(fā)展和智能手機等移動終端設備的爆發(fā)式增長，各大通信運營商不斷加大對硬件設施的投入，如增加通信基站。為擴大通信覆蓋范圍，各大通信運營商積極推進偏遠地區(qū)的基站建設和信號全覆蓋，如高速鐵路、高速公路沿線和海島及山區(qū)等。基站需要用到各種設備，其用電累計量巨大[1]，而偏遠地區(qū)大多山高路遠，電網(wǎng)供電困難?？梢?，為偏遠地區(qū)提供一套經(jīng)濟、穩(wěn)定以及可靠的電源供應系統(tǒng)，是一個迫切需要深入研究的課題。

中廣核作為國內(nèi)一流的清潔電力提供商和服務商，已率先開展了相關課題研究，探索了基于風光儲一體化系統(tǒng)的新能源供電技術和應用方案，并在鐵塔關鍵用戶的支持下，依托吉林省某新建鐵塔基站進行了試點建設（以下簡稱“吉林示范項目”），為后續(xù)鐵塔基站新能源供電的規(guī)?；瘧梅e累了寶貴經(jīng)驗。

1 偏遠鐵塔基站主要供電方式及其價值比較

1.1 用電特點

通信行業(yè)是關系國計民生的基礎性行業(yè)，故通信基站設備的持續(xù)、穩(wěn)定運行至關重要。鐵塔基站用電具有負荷小和穩(wěn)定性高的特點。中國目前擁有鐵塔基站超過592萬座[2]，額定用電功率多在幾到十幾千瓦。不設機房或機房不設空調的鐵塔基站，額定用電功率一般只有兩三千瓦。

偏遠鐵塔基站由于周邊缺少市網(wǎng)覆蓋，需采取特定措施解決用電問題，提高了用電成本。偏遠地區(qū)鐵塔基站的新建進度往往受制于用電成本，隨著偏遠地區(qū)鐵塔基站需求的增加，急需通過技術和商業(yè)創(chuàng)新解決用電貴的問題。

1.2 主要供電方式

目前，偏遠鐵塔基站的主要供電方式有3種：（1）新建供電線路實現(xiàn)市網(wǎng)供電；（2）采用柴油機現(xiàn)場發(fā)電并持續(xù)供電；（3）采用新能源發(fā)電，并通過儲能調節(jié)進行持續(xù)供電。目前，應用比較廣泛的方式是前兩種。

1.2.1 電網(wǎng)供電方式

電網(wǎng)供電方式是將電網(wǎng)直接引線到偏遠鐵塔基站進行電力供應的方式。利用電網(wǎng)供電，穩(wěn)定性最高，可很好地適應負荷的較大波動。

該方式需重新建設電網(wǎng)線路。按照目前的平均水平，高壓引電成本每公里為15～16萬元，低壓引電成本每公里為12～13萬元。這種方式適用于與既有電網(wǎng)距離在兩三公里的地區(qū)。若距離過遠，則一次性用電投入極高，度電成本甚至將高達幾元到十幾元。這種方式只有在特定情況下方可實現(xiàn)，如旅游景區(qū)、邊防地區(qū)等。

1.2.2 柴油機供電方式

柴油機供電方式是通過柴油機現(xiàn)場發(fā)電為偏遠鐵塔基站供應電力的方式。此方式不僅需采購柴油機發(fā)電設備，還需定期添加柴油和維護設備，可廣泛應用于電網(wǎng)無法抵達的海島、高山等用電“剛需”地區(qū)。但是，它的用電成本較高，且存在環(huán)境污染和噪聲污染，不可作為優(yōu)選方案，只能作為備選方案。

柴油機供電方式的用電成本與柴油價格和交通情況有關，一般每千瓦時為3～4元。從遠期來看，柴油價格將逐步提高，柴油機供電方式的用電成本將隨之升高。

1.2.3 新能源供電方式

新能源供電方式是依托風力和太陽光發(fā)電，并通過儲能調節(jié)設備和智能化管理系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定供電的一種方式，具備就地取材、維護簡便及綠色環(huán)保等特點。相比電網(wǎng)供電方式和柴油機供電方式，新能源供電方式的適應范圍更廣，可應用于風、光資源充足的地區(qū)。很多通信基站的站址具有地勢高、風力和太陽能資源好的特點，因此新能源發(fā)電可較好地適用于高速鐵路、高速公路沿線、山區(qū)、海島及邊防等地區(qū)，如圖1所示。

圖1 風、光資源充足的地區(qū)的新能源供電現(xiàn)場圖

新能源發(fā)電方式通常有光伏發(fā)電、風力發(fā)電、風光一體化、風光柴一體化及風光網(wǎng)一體化等多種形式[3]。風光網(wǎng)一體化模式是以已有市網(wǎng)接入為主，光伏和風電為輔，并按照“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的原則建設運營的一種模式。其他發(fā)電模式下，光伏和風力存在發(fā)電不穩(wěn)定的問題，故需配置適當?shù)膬δ苷{節(jié)設備和智能化調控系統(tǒng)進行自動調節(jié)供電。風光儲一體化方案很好地利用了光伏和風力的天然互補性，應用前景廣闊，因此本文討論的發(fā)電方式中未加以特別說明，均指風光儲一體化方式。

新能源供電方式隨光伏、風力發(fā)電成本的大幅下降，已陸續(xù)開展試點項目進行探索和應用。由于儲能成本仍處于高位，所以尚未大規(guī)模商業(yè)推廣。根據(jù)測算，風光儲一體化供電方式的折算電價在每千瓦時2～3元，但隨著儲能成本和發(fā)電成本的下降，其用電成本已明顯下降，商業(yè)化推廣為期不遠。

1.3 三種主要供電方式的價值比較

1.3.1 供電方式

電網(wǎng)供電和柴油機供電是偏遠鐵塔基站傳統(tǒng)的供電方式，新能源供電是新興的供電方式。

1.3.2 技術效益方面

電網(wǎng)供電穩(wěn)定性最高，對負荷波動的適應能力最強，柴油機供電和新能源供電次之。電網(wǎng)和柴油供電技術已較為成熟，可提升空間有限。新能源供電技術快速更新，潛在的技術優(yōu)化空間極大。

1.3.3 經(jīng)濟效益方面

電網(wǎng)供電成本與引線距離基本呈現(xiàn)正相關關系，供電成本在一元到若干元不等。根據(jù)初步測算，引線距離在1～2 km經(jīng)濟性較好，2～3 km可進行分析比較，大于3 km基本不具有經(jīng)濟優(yōu)勢。柴油發(fā)電成本相對穩(wěn)定，但始終保持每千瓦時3～4元的較高水平，一般只在其他方式都不適宜時采用；新能源供電方式適應力較強，既可解決電網(wǎng)遠距離引線問題，也可彌補柴油發(fā)電方式高能耗、高成本的缺陷，測算電價在2～3元，顯示出良好的經(jīng)濟競爭力。遠期看，電網(wǎng)供電成本將隨電價的緩慢提升而提升；柴油機供電成本也將隨柴油價格的逐步上漲而上漲；新能源供電成本將隨發(fā)電成本和儲能成本的降低而降低，并隨標準化、集約化發(fā)展而進一步降低。因此，新能源的供電成本有望降至2元以內(nèi)，市場經(jīng)濟競爭力最佳。

1.3.4 社會效益方面

新能源屬于清潔能源，是綠色低碳經(jīng)濟的重要組成部分，符合節(jié)能環(huán)保的時代主題，且社會效益最高。電網(wǎng)供電方式和柴油機供電方式均存在不同程度的環(huán)境污染問題，無法與新能源供電方式相提并論。

傳統(tǒng)供電技術穩(wěn)定但發(fā)展有限。新能源供電技術方興未艾，技術和經(jīng)濟優(yōu)越性逐步顯現(xiàn)。雖然傳統(tǒng)的供電方式仍是應用主流，但新能源供電方式正以幾何級數(shù)的發(fā)展速度逐步替代其他方式，成為未來偏遠鐵塔基站供電的主要方式。

2 基于風光儲一體化技術的典型應用方案及經(jīng)濟性提升的有效路徑

2.1 典型應用方案及主要配置

2.1.1 系統(tǒng)方案研究

偏遠鐵塔基站的風光儲一體化供電系統(tǒng)的主要技術方案為：在基站附近地面安裝小型風力發(fā)電機；在基站的機房屋頂或者地面空地安裝太陽能電池組件；根據(jù)基站功耗情況，設計合適的風光裝機容量和蓄電池儲能裝置，達到風光互補離網(wǎng)供電的目的。

為實現(xiàn)風光互補離網(wǎng)供電，系統(tǒng)需配置光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)及有關的微網(wǎng)控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。通過設置，系統(tǒng)可優(yōu)先示范光伏和風力發(fā)電，始終保持蓄電池充滿狀態(tài)，并在需要時供電。極端天氣下，蓄電池工作電壓將低于某一閥值。此時，控制系統(tǒng)應提前且持續(xù)發(fā)出告警，保證供運維人員有充足時間采取必要的應急措施。

2.1.2 示范項目設計及主要配置

吉林示范項目規(guī)劃的固定用電功率為2 kW，必要時開啟空調機的用電功率為3 kW。風光儲一體化供電方式如圖2所示，并預留油機接口。極端情況下，運維人員可攜帶應急油機至站點，并利用油機對蓄電池緊急充電。

圖2 風光儲一體化供電方式

按照設計方案，有光有風時，可同時使用光能和風能；有光無風時，可使用光能；無光有風時，可使用風能；無光、無風或者在風光能量不足時，則由蓄電池向負載供電。

示范項目的用電負荷主要包括通信設備用電和空調用電。經(jīng)分析，空調開啟的時間不持續(xù)，往往與光伏發(fā)電的峰值相吻合，即夏季白天溫度高，空調開啟，用電負荷大。同時，夏季光照時間長、光照條件好，光伏發(fā)電量也大，可在發(fā)電時間和用電時間上實現(xiàn)很好的匹配。

根據(jù)業(yè)主需求，蓄電池容量按照2 d（48 h）后備時間、極限狀態(tài)時利用3個晴天在保障負載供電情況下恢復蓄電池虧欠電量的標準進行配置（即通常所說的“2天對3天”）。

為此，示范項目配置了54塊260 W光伏組件（1 404 W）、1臺5 kW的小型風機、48節(jié)2 V、1 500 A（144 kW·h）的鉛酸儲能裝置及相關配套的功能模塊。

2.2 主要成本構成和后續(xù)降低項目造價的有效路徑

示范項目的支出主要包括：太陽能電池板、小型風機和匯流箱及支架等主要設備費用約16萬元；鉛酸電池及其支架機柜等儲能費用約18萬元；控制模塊和線纜等輔助材料費用約7萬元；施工安裝和保險等工程類費用約8萬元。其中，儲能設備和發(fā)電設備費用占據(jù)項目投資的主要部分。

一套技術可行的方案能否被商業(yè)化、規(guī)模化推廣，關鍵在于其是否具有合理、可復制的經(jīng)濟盈利能力。在售電收入固定的情況下，降低建設成本是最重要的路徑。吉林示范項目以技術驗證、展示和樹立關鍵用戶對新能源供電穩(wěn)定性信心為主，采用較安全保守的技術配置，加上示范項目單一、管理成本較高，因此整體造價較高。吉林示范項目的整體造價可作為項目造價的上限值，后續(xù)項目可通過數(shù)據(jù)搜集分析和優(yōu)化技術方案降低項目造價。

降低項目造價的有效路徑主要有4種。

第一，優(yōu)化集成方案和容量配置。吉林示范方案固定用電功率2 kW（不含空調），光伏和風力發(fā)電功率達到19 kW，儲能配置為144 kW·h（48 h放完，72 h充滿）。這種配置在技術上留有較大余量，在缺少經(jīng)驗數(shù)據(jù)期間十分必要。通過后續(xù)的數(shù)據(jù)收集，可在合理保證率下，進一步優(yōu)化系統(tǒng)集成方案，降低發(fā)電和儲能容量，滿足用電情況的同時降低項目造價。

第二，標準化設計和規(guī)?；ㄔO。吉林示范項目作為單一的建設項目，采購量少，采購成本、人工成本、物流運輸成本及管理成本都很高。后續(xù)項目可通過標準化設計、批量化生產(chǎn)及規(guī)?；ㄔO實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟，提高議價能力，降低采購成本，從而降低項目總體造價。據(jù)了解，目前已有多個新能源省級分公司達成了當?shù)罔F塔基站供電訂單，訂單數(shù)量已達到幾千個的數(shù)量級，已具備規(guī)模化建設的條件。

第三，加強供用電雙方協(xié)同且避免重復工作。鐵塔基站新能源供電是發(fā)電企業(yè)與鐵塔企業(yè)的共贏合作，需在設計和建設環(huán)節(jié)加強業(yè)務協(xié)同，避免重復工作。吉林示范項目的發(fā)電建設和鐵塔建設由兩家單位分開進行，協(xié)同性較低。后續(xù)項目可通過統(tǒng)一的招投標平臺和必要的工作委托，共同選定工程承包單位，實現(xiàn)技術協(xié)同、管理協(xié)同及發(fā)展協(xié)同，進而提升協(xié)同效益。

第四，創(chuàng)新商業(yè)模式并發(fā)揮蓄電池梯次應用優(yōu)勢。吉林示范項目采用發(fā)電企業(yè)投資、用電企業(yè)購電的商業(yè)模式。后續(xù)項目可積極開展商業(yè)模式創(chuàng)新，開展發(fā)電企業(yè)與鐵塔企業(yè)的投資合作，共擔風險，共享收益。據(jù)了解，中國鐵塔集團將受國家有關部門的委托，承接電動汽車充電樁建設[4]和蓄電池的梯次利用任務，即技術要求等級較高的電動汽車蓄電池報廢后，可應用在技術要求等級較低的鐵塔基站上。儲能成本在鐵塔基站供電成本中的占比較高，這一政策優(yōu)勢將很大程度上降低項目造價，提升項目收益。

2.3 優(yōu)劣勢分析

2.3.1 優(yōu)勢分析

風光儲一體化應用方案順應國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略要求，提升了通信基站的節(jié)能環(huán)保性能，增加了基站現(xiàn)有的供電方式，促進了綠色通信基站的建設推廣。它在技術和經(jīng)濟方面具有5個優(yōu)勢。

（1）充分利用風能和太陽能的自然互補特性，優(yōu)先使用風能和太陽能發(fā)電進行供電和蓄電池儲能。

（2）采用風光互補供電方式，設計合適的風光容量比配置蓄電池組，保障通信設備的用電需求。

（3）施工周期短，投入資金少，可在較短時間內(nèi)為運營商節(jié)約通信基站的電費開支，具有良好的時效性和經(jīng)濟性。

（4）利用微網(wǎng)控制技術實現(xiàn)遠程監(jiān)控，提高了系統(tǒng)運行效率和智能化水平。

（5）通過試點項目可總結一套標準化的設計和建設方案，通過規(guī)模化建設降低項目造價，提升項目經(jīng)濟效益。

2.3.2 潛在的不足

風光儲一體化應用方案在技術上不存在顛覆性障礙因素，在試點應用項目上已取得成功。它的主要不足是實踐應用相對較少，在集成優(yōu)化方面缺少經(jīng)驗數(shù)據(jù)的支撐，儲能關鍵技術尚未最終突破，商業(yè)模式創(chuàng)新不足，協(xié)同性不高，未形成規(guī)模化發(fā)展。

2.4 發(fā)展前景分析

2015年，中共中央出臺《關于進一步深化電力體制改革的若干意見（中發(fā)〔2015〕9號）文》，提出加快電力體制改革，穩(wěn)步推進售電側改革，有序向社會資本放開售電業(yè)務，并建立分布式電源發(fā)展新機制。這在很大程度上激發(fā)了全社會參與售電業(yè)務的熱情，為發(fā)電企業(yè)建設風光儲一體化微網(wǎng)并直接向鐵塔基站用戶供電提供了政策支持。

隨著國家通信行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鐵塔通信基站的用電越來越受到重視。新能源供電系統(tǒng)尤其是基于風光儲一體化的孤島微網(wǎng)系統(tǒng)的推廣應用，為我國綠色電力、綠色通信的長足發(fā)展提供了有力支撐。

3 結 論

（1）在偏遠鐵塔基站現(xiàn)有的供電方式中，新能源供電方式尤其是基于風光儲一體化技術的供電系統(tǒng)最具發(fā)展?jié)摿?。因此，需通過持續(xù)的深入研究和試點項目建設，不斷積累經(jīng)驗，優(yōu)化技術集成方案，推進新能源供電方式的規(guī)?；瘧谩?/p>

（2）受制于當下較高的儲能成本，新能源供電方案僅在距離市網(wǎng)較遠的基站中應用。隨著技術的進步，相關儲能設備價格將不斷降低，新能源供電方案將具備不可比擬的絕對優(yōu)勢。因此，企業(yè)需保持高度關注，提前布局，在摸清外部需求、爭取優(yōu)質客戶的同時，盡早建立適合自身特點的財務評價模型。

（3）國家電力改革已逐步深入推進，企業(yè)需緊跟電改步伐，積極參與通信基站的供電和售電業(yè)務，加強業(yè)務協(xié)同，推動建立、健全鐵塔基站供電市場交易體系，從而引領鐵塔供電基站的新能源創(chuàng)新發(fā)展。

（4）以風光儲一體化技術為基礎的供電模式，不僅適用于鐵塔基站用電，而且適用于其他市網(wǎng)無法覆蓋的偏遠地區(qū)用電，尤其是邊疆、海島等偏遠邊防哨所的照明和供暖用電。