共享電力鐵塔搭載通信基站經(jīng)濟效益分析模型

（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

0 引言

現(xiàn)代社會正朝著智能化時代發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進，資源和信息共享越來越成為21 世紀的主題，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，對社會公共資源而言，“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環(huán)境的影響，成為踐行國家綠色發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展理念的典范。其次，對電力行業(yè)而言，可以推進形成電力和通信企業(yè)市場化的共建共享合作模式，促進電網(wǎng)公司盤活資源和提高效益，有利于國有資產(chǎn)保值增值。目前對共享電力鐵塔的研究大多集中在具體的工程實現(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、通信機房布置等方面。其中，中國鐵塔公司在2017 和2018 年分別與昆明供電局和南方電網(wǎng)進行合作，在電力鐵塔上安裝通信基站；在日本和英國也有建成電力塔共享基站的例子，但都只是在某一鐵塔進行天線的搭建，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)濟效益分析模型，結(jié)合具體實例，可以定量評估電網(wǎng)公司共享鐵塔的經(jīng)濟價值。

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，根據(jù)鐵塔與配電網(wǎng)之間的距離差異，針對共享鐵塔搭載5G 基站提出的3 種大功率供電方式，需分別計算線路架設(shè)成本。

（1）當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)距離很近時（0.25 km 以內(nèi)），直接引220 V 市電對基站以及附屬設(shè)施供電，線路架設(shè)成本為：

式中：p1為架設(shè)單位長度220 V 電力線路的材料費（不含人工費）；l1為220 V 架空線路長度；δ1為架設(shè)單位長度220 V 電力線路的人工費；θ1為單位長度220 V 電力線路運行維護費；λ1為架空線路年限；η1為架設(shè)單位長度220 V 電力線路的走廊賠償費。

（2）當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)距離較遠時，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；l2為10 kV 架空線路公里數(shù)；α2是購置10 kV 變壓器耗資；β2為單位距離10 kV 變壓器運輸費；s2為10 kV 變壓器運輸距離；γ2為每年10 kV 變壓器運行維護費；σ2為10 kV 變壓器安裝費；δ2為架設(shè)單位長度10 kV 線路的人工費；θ2為單位長度10 kV 線路的運行維護費；λ2為架空線路年限；η2為架設(shè)單位長度10 kV 電力線路的走廊賠償費。

（3）當(dāng)鐵塔與配電網(wǎng)的距離更遠時（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為購置高變比單相變壓器費用；δ3為單相變壓器安裝費；β3為單相變壓器單位距離運輸費；s3為單相變壓器運輸距離；γ3為單相變壓器年運行維護費；λ3為變壓器使用時間；θ3為單相變壓器占地賠償費；φ1為光伏板購置安裝費用；φ2為高變比變壓器配套斷路器費用；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)單位長度輸電線路（220 V）的材料費；φ4為塔間架設(shè)單位長度輸電線路的人工費；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，n=4。

根據(jù)3 種大功率供電方式分別計算得到供電設(shè)備與架設(shè)線路成本后，還需要針對單個鐵塔架設(shè)基站的改造成本進行計算。單個共享鐵塔改造費用為：

式中：pa為設(shè)置通信天線平臺的材料費；pb為人工安裝費；pc為平臺年運維費用；λ平臺為平臺使用年數(shù)。

基于供電設(shè)備與架設(shè)線路的3 種成本計算，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（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)距離較遠時，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)的距離更遠時（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，即電費和鐵塔（平臺）租賃費用。其中，電費需按照一般工商業(yè)用電要求，根據(jù)分時電價進行計算，分為尖峰電價、高峰電價、低谷電價。尖峰時段是19:00—21:00，計2 h；高峰時段是8:00—11:00，13:00—19:00，21:00—22:00，計10 h；低谷時段是11:00—13:00，22:00—次日8:00，計12 h。可推得基站電費計算公式為：

式中：w尖峰為尖峰時段用電量；p尖峰為尖峰時段電價；w高峰為高峰時段用電量；p高峰為高峰時段電價；w低谷為低谷時段用電量；p低谷為低谷時段電價；m 為租賃單個鐵塔的運營商數(shù)量。

鐵塔租賃費用由多項因素決定。首先是鐵塔地理位置，一般于海拔較高處鐵塔架設(shè)的基站信號覆蓋范圍較大，此類地理位置優(yōu)越的鐵塔租金相對較高，反之地勢較低處的鐵塔，由于架設(shè)基站后的信號覆蓋范圍較小，租金相對較低；其次是天線搭載高度，鐵塔可架設(shè)多層平臺租賃給多家運營商，基站天線所處平臺越高，信號覆蓋范圍越大，從而位于較高平臺的基站運營商應(yīng)承擔(dān)較高的租賃費。另外，運營商數(shù)量也會影響租賃費用，對于鐵塔來說，參加建設(shè)共享的運營商越多，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，每家運營商所承擔(dān)的租賃費用也會大大降低。

當(dāng)只有一家通信運營商公司租賃使用共享鐵塔時，鐵塔租賃費用可表示為：

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為天線最高掛點與地基間的相對高度；k′為表征鐵塔基座相對海拔高度與租金關(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′為鐵塔基座相對海拔高度。

當(dāng)有多家運營商共同租賃使用共享鐵塔時，鐵塔租賃費用可表示為：

式中：d 為多層平臺的平臺間距（視具體塔形及呼稱高而定）；η′為多家運營商共享同一鐵塔資源時的租金折扣率，η′≤100%（當(dāng)只有一家運營商時，η′=100%），運營商數(shù)量越多，折扣率將越低。

綜合電費和租賃費用模型，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)濟效益分析模型

電力鐵塔共建共享的經(jīng)濟效益分析模型是根據(jù)成本模型和收益模型，計算投資回本時間，可基于三種大功率供電方式的成本模型分別進行構(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（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)距離較遠時，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)的距離更遠時（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)濟效益分析模型，可計算投資回本時間，從而定量評估電網(wǎng)公司共享鐵塔的經(jīng)濟價值。

4 實例方案分析

當(dāng)共享電力鐵塔距離配電半徑50 km 以上時，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)為負載容量的2 倍，單個共享鐵塔擬架設(shè)3 家運營商基站，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，進行經(jīng)濟效益分析。

鐵塔共享成本分為直接取電成本和鐵塔改造成本，各項具體費用如表1 所示。計算得到供電設(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以及鐵塔租賃費用構(gòu)成，其中電費相關(guān)參數(shù)如表2 所示，租賃費用相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

表2 電費收益參數(shù)

基于表2 參數(shù)，可得到共享鐵塔組每年電費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，能夠節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益，是對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)濟效益分析模型，并結(jié)合具體實例對電網(wǎng)公司共享鐵塔的經(jīng)濟效益進行了評估。所提經(jīng)濟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，促進電力鐵塔資源共享，提高5G 網(wǎng)絡(luò)布局速度。