共享电力铁塔搭载通信基站经济效益分析模型

（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。

表3 共享铁塔组的铁塔租赁收益参数

5 结语

本文基于共享铁塔的成本模型和收益模型，提出了共享铁塔的经济效益分析模型，并结合具体实例对电网公司共享铁塔的经济效益进行了评估。所提经济效益模型能够量化共享电力铁塔给电网公司带来的经济效益，提高电网公司积极建设共享铁塔的积极性，增加电力铁塔利用率，促进电力铁塔资源共享，提高5G 网络布局速度。