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      全球能源互联网

      第6卷 第3期 2023年05月;页码:297-307
      EN

      电力共享杆塔与5G 基站布点匹配模型构建及测算

      Matching Model and Potential Estimation of Power Sharing Towers and 5G Station Distribution Points

      王成洁1* ,吴鹏1 ,马捷1 ,郑海峰1 ,谭清坤1 ,张煜1 ,王振坤2
      WANG Chengjie1* , WU Peng1 , MA Jie1 , ZHENG Haifeng1 , TAN Qingkun1 , ZHANG Yu1 , WANG Zhenkun2
      • 1.国网能源研究院有限公司,北京市 昌平区 102209
      • 2.国网山东省电力公司经济技术研究院,山东省 济南市 250000
      • 1. State Grid Energy Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102209, China
      • 2. Economic & Technology Research Institute, State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250000, Shandong Province, China

      摘 要

      Abstract

      电力杆塔与5G站址开展共享共建,对提高资源利用效率、降低电信企业成本具有现实意义。构建电力杆塔与5G站址规划以及典型应用场景的规模化匹配方法,对于优化提升电力杆塔共享匹配度,摸底电力杆塔资源共享潜力,做好电力杆塔共享资源大范围推广后的统筹优化至关重要。针对电力杆塔和5G站址,构建了基于站距和站高的规模化匹配方法,以及考虑技术、政策和商业约束等情景的匹配度测算方法,并以福州长乐全域为例进行实证分析。结果显示,不同场景下电力杆塔和5G站址的匹配度差别较大,市人口密集区、工业园区匹配度可达50%,高铁沿线匹配度不足10%。若进一步考虑技术、政策、商业约束要素,则匹配度将进一步缩小,在四重要素叠加下,匹配度约为14%。虽然匹配程度不足,但考虑到全国电力杆塔和5G站址体量巨大,依然具备较大的共享潜力和良好的合作空间。

      Sharing and co-construction of power towers and 5G stations are of practical significance in improving the efficiency of resource utilization and reducing the costs of telecommunication enterprises. It is crucial to develop a method for large-scale matching of power towers with 5G planning and typical application scenarios, optimize and improve the matching degree of power tower sharing, estimate the resource sharing potential of power towers, and make efforts in overall planning and optimization after wide-range promotion for shared resources of power towers. This paper constructs a large-scale matching method based on station distance and station height for power towers and 5G stations, and a matching degree calculation method considering the constraint scenarios of technologies,policies, and business. The entire region of Changle in Fuzhou is taken as an example for empirical analysis. Results show that there are significant differences in the degree of matching between power towers and 5G stations in different scenarios,which could reach 50% in urban densely-populated areas and industrial parks and less than 10% along the high-speed railway.If further consideration is given to technologies, policies,and business constraints, the matching degree will be further reduced, approximately 14% under the superposition of these four factors. Although the matching degree is insufficient, there will still be great sharing potential and good cooperation space,given that nationwide massive power towers and 5G stations.

      0 引言

      当前,全球正处于新一轮科技革命和产业革命当中,第五代移动通信技术(5G)[1-3]、大数据[4-5]、云计算[6-8]、物联网[9-11]、人工智能[12-13]、区块链[14-16]等先进信息通信技术蓬勃发展,以平台经济、共享经济[17-19]为代表的数字经济势头强劲。发展壮大数字经济,对于实现新旧动能转换,推动经济发展,促进传统产业转型升级具有重要意义。由于5G等新型基础设施建设需要大量的资金投入,国家和通信行业迫切需要通过资源共享实现5G战略的快速部署。为此,国家相继出台了《关于促进分享经济发展的指导性意见》《关于2019年推进电信基础设施共建共享的实施意见》《关于推进电信基础设施共建共享支撑5G网络加快建设发展的实施意见》《关于促进“互联网+社会服务”发展的意见》[20-23]等政策文件,全面推进“共享经济”、“5G部署”、“新基建”等重大战略。

      电力杆塔作为电力基础设施的一种核心资源,具有先天的资源优势和网络优势[24-25],能够满足5G等新型基础设施的共享需求[26-27],在提升社会资源利用效率的同时,可助力国家5G战略的快速部署及数字经济的快速发展。目前,国内外在电力杆塔共享方面已经开展了不同程度的研究和应用。

      从国外来看,美国、印度电网企业开展基础资源共享分别有约90 a和20 a的历史,商业化运营成熟,其中基础资源成本纳入输配电价,对外共享业务相关成本均由需求方承担,几乎是“零投入、高收益”业务。美国的电力杆与电信杆共享业务被列为受监管业务,强制对外共享,由联邦通信委员会实施一体化监管,以法律条文的形式确立共享方式、费用标准等相关要求。印度的电网基础设施资源共享集中在输电环节,中央电力监管委员会通过《电力法》《输电资产用于非输电业务的收入分配》两项法律,明确支持和鼓励电网通过商业化方式向电信运营商共享输电线塔资源,政府对业务开展方式、收费标准等不作干涉。美国和印度电力杆塔资源共享的特点主要为:业务类型侧重点不同,美国侧重电杆资源,印度侧重铁塔、架空地线,均主要面向电信运营商开展共享业务;业务运营模式存在差异,美国由电网企业直接运营电杆资源,印度铁塔由电网企业直接运营、架空地线由信通子公司运营,基础资源均由电网企业一体化运维;定价方式上普遍重视发挥市场的决定作用,综合考虑基础资源价值、施工服务复杂性等因素确定费用标准[28-30]

      从国内来看,中国电力杆塔与5G通信基站共享合作始于2018年,南方电网海南电网公司建成了海南首座“共享铁塔”,即乐东35 kV佛尖孔线T7号塔试点项目[31-32],实现了该地4G信号盲点的覆盖;同年,南方电网云南电网公司与中国铁塔云南分公司签署了“共享铁塔”合作协议,极大推动了电力与通信行业的发展。从2019年开始,国家电网有限公司针对电力杆塔共享,从标准制定、技术验证、商业模式等方面开展了大量研究和论证,并在国家电网经营区范围内开展了试点应用。同时,国内在天线安装位置、电磁环境影响等方面开展了系列研究,吴丽松[33]从天线的安装位置、高度设置、电力安全距离等六方面探究有效的共享铁塔方案设计,对比通信基站设计和电力铁塔设计规范,得到共享铁塔设计时所依据的基本设计规范;刘堃等[34]以5G环境下通信参数要求为出发点,从通信设计、电气设计、结构设计三方面提出共享杆塔技术要求;张洲等[35]使用ANASYS Maxwell软件对不同电压等级下的典型铁塔进行电场强度仿真研究,绘制导线周围电场强度分布云图以确定输电线路对通信设备的影响。

      图 1 电力杆塔天线挂高示意图
      Fig. 1 Antenna hanging height diagram of power tower

      图 2 电力杆塔与5G站址匹配示意图
      Fig. 2 Matching diagram of power tower and 5G station

      在实际试点应用过程中,对于电信运营商5G基站部署对杆塔的需求情况及电网企业可共享、能匹配的资源情况缺乏摸底梳理及潜力评估方法,导致杆塔共享需求及可匹配资源分析精准度不高,潜力分析缺乏科学依据等问题存在。因此,开展电力杆塔与5G基站布点的匹配方法研究及潜力评估测算至关重要,对后续电力杆塔与5G基站共建共享大范围推广后的资源统筹工作,确保以对电网最小影响和投入来满足通信企业需求以及满足5G发展下延伸出的应用场景需求将发挥重要作用。

      本文构建电力杆塔与5G规划以及典型应用场景的规模化匹配方法及分情景共享潜力测算方法,并开展实证应用分析,对于优化提升电力杆塔共享匹配度,摸底电力杆塔资源共享潜力,做好电力杆塔共享资源大范围推广后的统筹优化具有参考意义。

      1 匹配模型

      1.1 匹配模型建立基础

      1.1.1 5G基站布点情况

      5G网络规划与电力杆塔匹配工作密切相关的内容包括:频率规划、组网策略、站点及设备类型、基站塔型等。

      1) 频率规划。频率规划是5G无线网络规划中至关重要的一步,频率的选择直接决定了5G网络的容量、站址部署的密度和5G的应用场景。5G大大扩展了支持的频率范围,3GPP协议[36]定义的5G频率范围同时支持FR1频段(Sub-6 GHz)和FR2频段(毫米波)。其中FR1频段的跨越范围非常大,从450 MHz到6 GHz,这意味着,除了利用还未使用的频段,同时也鼓励将2G/3G/4G的频段重耕。

      2) 组网策略。5G在总体覆盖上采用高、中、低“三频”协同的组网策略以及宏微协同、频率协同、室内外协同的“三协”立体式基站组网策略[37-39]。“三频”协同组网建设将在市区重点区域采用3.5 GHz覆盖,县乡重点采用2.1 GHz覆盖,农村广覆盖探索采用低频覆盖;“三协”立体式基站组网在实施时需将宏基站作为快速搭建网络骨架的核心点,在中后期利用微基站以及室内分布进行深度覆盖,进一步拓展组网的容量。

      3) 站点及设备类型。5G站点包括宏基站和微基站,宏基站主要解决大范围移动通信信号的面覆盖问题,对发射功率、天线架设高度、周边环境及景观协调等方面有着特殊的要求,主设备常见的有AAU(有源天线单元)一体化天线、RRU(射频拉远单元)+天线两种形态。微基站主要用于室外建筑物阻挡形成的信号盲区、园林绿地深度、小范围业务高度密集区域的信号覆盖,与宏基站构造分层或立体覆盖,一般作为宏基站的信号覆盖的补充手段,主设备常见的有Book RRU,多为4T4R设备,是一种设备天线一体化的产品[40]

      4) 基站塔型。5G基站现有杆塔塔型主要包括景观塔、路灯杆、仿生树、楼面抱杆、单管塔、三管塔、角钢塔、屋顶美化天线等[41]

      1.1.2 电力杆塔资源特性

      电力杆塔类型及分布直接决定了匹配结果。

      1) 电力杆塔高度及空间分布。电力杆塔高度主要根据地形、跨距、电压确定。通常500 kV线路杆塔在30~40 m甚至更高,200 kV线路杆塔在25 m左右,110 kV线路杆塔在20 m左右,35 kV及以下线路杆塔在10~20 m。从电力杆塔材质来看,10 kV、35 kV、66 kV等低压塔,传输距离近,以木材和水泥杆塔为主;110 kV及以上高压塔,传输距离远,架设高,负载大,以角钢塔和钢管杆为主。从电力杆塔间距来看,受地形影响,高压杆塔间距一般在300~500 m,低压杆塔间距一般在100~200 m,基本围绕负荷中心和人口聚居区分布,通常是几条交叉线分布。从共享潜力来看,110 kV及以上高压电力铁塔是共享宏基站的重点,在城市微基站建设中,电力杆塔可作为路灯杆、监控杆的补充。

      2) 电力杆塔资源物理特性。高压电力铁塔按电力铁塔的受力特点和用途分类主要有直线塔、耐张塔、分支塔、跨越塔以及换位塔;高压电力铁塔按电力铁塔的回路数分为单回路杆塔、双回路杆塔和多回路杆塔;钢筋混凝土电杆也称水泥杆,包括无拉线拔梢直线单杆、带拉线直线单杆、拔梢门型直线杆、拉线门型直线杆、耐张杆、转角杆等。

      1.2 匹配原理

      电力杆塔资源与5G基站布点匹配模型的构建,需要立足于5G网络的布点规划、5G典型应用的探索和推进情况以及电力杆塔的资源物理特征、空间分布等方面。通过研究5G站址和电力杆塔资源之间站距、站高、杆塔载荷、防雷接地、电磁环境等方面的匹配原理,合理设置匹配的边界参数,最终构建合理的匹配模型。

      1)站距匹配原理。

      计算电力杆塔与5G基站间距离,即求解两点间距离的问题。具体方法为

      式中:SU点和V点之间的距离,km;a1U点的经度;b1U点的纬度;a2V点的经度;b2V点的纬度;6371是地球平均半径,km;π是圆周率,根据精度要求确定位数。

      式 (1) 将地球看作理想的球体,精度能够满足实际工程应用。因此,只需根据电力杆塔与5G基站的经、纬度,就可以求出两站间的距离。

      2)站高匹配原理。

      根据运营商规划的天线挂高要求,以及电力杆塔的各参数,核算天线与导线之间的距离是否满足通信天线与带电导线最小安全距离的要求。本文所指天线挂高是天线下沿到地面的高度,具体数值参见表1,数据来源[42]。

      表 1 通信天线与带电导线最小安全距离
      Table 1 Minimum clearance distance between communication antenna and live conductor

      电压等级/kV 安全距离/m 电压等级/kV 安全距离/m 66~110 3.5 ±400 8.8 220 5.0 ±500 9.2 330 6.0 ±660 11.0±800 12.1

      电力杆塔支持的最大天线挂高为

      天线高度偏差值为

      式中:A是杆塔呼称高度;B是通信天线与带电导线最小安全距离;C是悬垂串长度;D是运营商天线长度;H是天线挂高。其中,ABC是电力杆塔参数,DH是运营商基站规划参数。

      天线高度偏差绝对值越小,表明该站点天线高度与规划值越一致;反之,说明天线高度设置不合理。当天线高度偏差值为正时,值越大,说明该站址资源可提供的挂高越高;当偏差值为负时,值越小,说明该站址资源可提供的挂高越低。

      3) 杆塔载荷匹配。

      根据运营商的网络制式和场景分布情况,在进行杆塔匹配时,对基站制式系统和天线加装数量有一定的要求。应考虑如下因素:①天线安装、维护的空间需要,同时满足天线垂直隔离距离要求;②根据杆塔的常规布置情况,应充分考虑杆塔对所增加通信设备的荷载能力,通信设备对杆塔的荷载情况详见表2。

      表 2 杆塔负荷要求
      Table 2 Tower load requirements

      天线重量/kg 1/2馈线重量/(kg·m-1)22 0.528 30 14 0.12 1.21 0.23天线受风面积/m2 RRU数量/个RRU重量/kg RRU受风面积/m2 7/8馈线重量/(kg·m-1)

      4) 防雷接地匹配。

      根据通信行业标准《YD 5098—2005 通信局(站)防雷与接地工程设计规范》对移动通信基站避雷防护等有关规定,移动通信基站设施必须在避雷针45°角的保护范围内,防雷地和保护地的阻抗需要满足规范要求。在进行杆塔资源匹配时需要充分考虑电力杆塔对通信基站的满足情况。

      5) 电磁环境匹配。

      站点匹配时,需要充分考虑电磁环境因素的影响。移动通信宏基站设计应符合《YD/T 5230—2016移动通信基站工程技术规范》、《YD/T 2164.2—2010电信基础设施共建共享技术要求第2部分:基站设施》的有关规定要求,不应设置在变压器室、配电室等强电磁干扰场所附近。

      1.3 参数设置

      边界参数的设置需要分场景统筹考虑,站距匹配主要考虑基站站址偏离距离,站高匹配主要考虑基站天线挂高偏差值。具体边界参数设置见表3,数据来源于福建省邮电规划设计研究院提供的实际经验数据。

      表 3 站距和站高匹配的边界条件
      Table 3 Boundary conditions for matching station spacing and station elevation

      场景站距允许偏离比例站高允许偏离比例密集市区 15%~20% -35%普通市区 15%~20% -35%郊区乡镇 20%~25% -15%农村 20%~25% -15%高铁轨距D≤250 m 天线挂高H≥20 m

      通信基站站址偏离距离=基站站间距×站距允许偏离比例;

      通信基站天线挂高偏差值=基站天线挂高×站高允许偏离比例。

      站高匹配的边界条件仅考虑电力杆塔最大支持天线挂高比通信基站规划挂高小的情况。而5G天线的垂直波宽大小直接决定了天线挂高允许偏离范围的大小。在站高允许偏离距离设置方面,考虑在密集城区、一般城区/县城城区等多采用AAU一体化天线的区域,垂直波宽较大,偏离比例宜设置略大。在郊区、乡镇和农村等多采用普通天线的区域,偏离比例宜设置略小。

      针对高铁场景,要求站轨距≤250 m,天线挂高≥20 m。

      1.4 规模化匹配方法

      本文中的规模化匹配是指电网企业和通信运营商基于站距和站高两要素进行需求的初步匹配,即在某个区域存在多座杆塔和5G站址的情况下进行有效匹配。假设某区域共n座电力杆塔,m个5G站址,则电力杆塔匹配模型建立如下:

      式中:Dij是第i座电力杆塔与第j个5G站址之间的距离;Bd是站距匹配的边界条件;ΔHij是天线高度匹配偏差值;Bh是站高匹配的边界条件;aij是第i座电力杆塔与第j个5G站址之间站距匹配的影响要素得分;bij是第i座电力杆塔与第j个5G站址之间站高匹配的影响要素得分;pij是第i座电力杆塔与第j个5G站址之间的匹配得分;pi是第i座电力杆塔与区域5G站址匹配得分;P是区域电力杆塔与区域5G站址匹配度。

      从式 (4)—(8) 可以看出,评估单座电力杆塔与单个5G站址匹配的影响要素得分aijbij,通过运算得到pijpi。由于现有5G站址存在一个物理基站对应多家运营商多制式网络共享的情况,因此在计算区域匹配度P时,只需先统计pi>0的电力杆塔的数量,再与杆塔总数n比较,即得到最终的匹配度P

      5G典型应用场景指5G共性业务(即远程设备操控、目标与环境识别、超高清与XR播放、信息采集与服务)在不同行业、细分应用领域及应用场景中的具体应用,包括5G+智慧教育、5G+智慧农业、5G+移动办公等场景。电力杆塔与5G典型应用场景的规模化匹配,需要为5G站址补充“5G典型应用场景”字段作为站点属性,在匹配结果中将该属性关联到每一条匹配记录上。

      最后以“5G典型应用场景”属性为索引,统计单个场景中pi>0的电力杆塔数量,与单个场景中杆塔总数n比较,得到最终的匹配度P

      1.5 多影响因素下的情景设置

      影响杆塔共享匹配度的要素包括物理位置、技术约束性[43-44]、政策性和商业性等多项指标。其中,物理位置是指前述章节基于5G发展所需的站距和站高要求进行的匹配结果。技术约束性是指电力杆塔荷载能力、防雷接地评估等一系列技术评估[45-47],以及杆塔种类、杆塔高度、电压等级等技术可行性方面的要求。政策性是指电力杆塔的共享落地很大程度上受到国家及当地政策因素的影响。商业性[48-49]是指电力杆塔与未来商业场景的契合程度。具体影响因素见表4。

      表 4 电力杆塔匹配度影响因素
      Table 4 Factors influencing sharing potential of power towers

      影响因素细分要素物理位置基于站距和站高的匹配程度技术约束性力学性能评估、防雷接地评估等杆塔种类、电压等级、改造成本等政策性国家及地方是否支持共享商业性 5G的应用化场景

      本文基于上述影响因素,将规模化匹配方法下基于物理位置的需求匹配度作为匹配基准,再逐步叠加技术约束、政策和商业影响因素,确定3个情景:情景一是在需求匹配度基础上叠加技术约束性指标;情景二是在情景一基础上进一步考虑政策约束要素;情景三是在情景二基础上进一步考虑商业约束。

      1.6 多情景下的匹配度测算方法

      不同情景下电力杆塔匹配度主要基于影响要素,针对每架杆塔进行综合打分评估,每架杆塔根据系统物理参数值、所在地理位置、当地政府政策环境、商业发展规划等进行评估。最后获取综合得分,设置可共享分值的边界要求为高于60分即匹配成功,进而获得3种情景下该地区的电力杆塔可共享匹配度。

      本文评估测算方法主要采用专家打分法,在通信行业和电力行业共选取了30名专家进行沟通协商,确定评分标准和分值,实现对各项指标的量化处理,不同情景的量化参数指标如表5所示。3种情景的匹配度测算方法如下:

      式中:PTP是情景一杆塔匹配数量;PTPP是情景二杆塔匹配数量;PTPPB是情景三杆塔匹配数量;PTPi是某杆塔i在情景一的总得分;PTPPi是某杆塔i在情景二的总得分;PTPPBi是某杆塔i在情景三的总得分;Stt是杆塔类型得分;Sth是杆塔高度得分;Svl是电压等级得分;Stl是杆塔荷载得分;Slpg是防雷接地得分;Src是改造成本评估得分;Ssc是共享能力评估得分;Ssm是单杆匹配度得分;Smh是匹配最高得分;Spid是政策发布部门得分;Spc是政策类型得分;Spsi是政策共享指标得分;Sias是工业应用场景得分;Sfas是未来应用场景得分。

      2 匹配方法实证分析

      2.1 规模化匹配边界条件参考值设置

      在匹配模型构建过程中,存在的主要影响要素有:电力杆塔最大支持天线挂高Hmax、站距匹配的边界条件Bd、站高匹配的边界条件Bh

      站址站距匹配方面,根据匹配方法中设置的站距允许偏离比例参数,结合不同场景5G站址的站间距,计算得到不同场景的站址偏移距离,作为站距匹配的边界条件。实际进行规模匹配时,可选用不同频段或综合建议的偏离距离作为边界条件,本文采用综合建议值见表3。

      表 5 不同情景的量化参数指标(定量)
      Table 5 Potential assessment model (quantitative estimation)

      评估维度关键量化指标细化指标及分值分配分值评分占比杆塔类型水泥杆塔:5分角钢塔:20分钢管塔:10分20杆塔高度≤10 m:3分(10, 20] m:5分(20, 30] m:10分(30, 45] m:13分(45, 70] m:15分15电压等级10 kV:10分35 kV:12分110 kV:15分220 kV:13分500 kV:10分15技术性杆塔荷载<0.98:10分0.98~1:8分>1:0分10 35%防雷接地<10 Ω:10分(10, 20] Ω,且具备改造条件:5分(20, 30] Ω,且具备改造条件:3分10改造成本评估≤50 000元:10分(50 000, 100 000] 元:8分(100 000, 150 000] 元:6分(150 000, 200 000] 元:3分10共享能力评估(改造后)0套:0分1套:10分2套:15分3套:20分20单杆匹配度x/m*50分 (x为单座电力杆塔实际匹配的5G站址数;m为单座电力杆塔允许匹配的5G站址数 (设置值) )50匹配度35%匹配最高分pi =0:0分0<pi≤区域平均分:10分区域平均分<pi≤1:30分1<pi:50分50发布单位/部门/企业地方政府:10分地方政府行业主管部门:20分企业集团公司:30分企业省级公司:40分企业地市公司:50分50政策性15%政策类型强制性政策:30分鼓励性政策:15分 30共享指标包含共享指标:20分不含共享指标:0分 20商业性“5G+工业互联网”重点行业和应用场景“5G+工业互联网”重点行业和应用场景中:60分“5G+工业互联网”重点行业和应用场景外:0分60 15%5G未来场景化应用在规划场景内:40分在规划场景外:0分 40

      站址站高匹配方面,根据运营商5G基站天线挂高经验值,设定H>5 m,则需电力杆塔最大支持天线挂高Hmax>5 m。根据匹配方法中设置的站高允许偏离比例参数,再结合不同场景5G站址的站间距,计算得到不同场景的站高偏差值,作为站高匹配的边界条件,具体见表6。

      表 6 5G站址站距、站高匹配边界条件参考值表
      Table 6 Reference values of boundary conditions for matching spacing and elevation of 5G station

      参数密集城区一般城区/县城城区郊区乡镇农村综合建议值站间距/m 200~300 300~450 450~800 800~1200偏移比例 15%~20% 15%~20% 20%~25% 20%~25%偏移距离/m 30~60 45~90 90~200 160~300宏基站天线挂高/m 25~35 25~35 30~45 40~50偏移比例 -35% -35% -15% -15%偏差值/m -9 -9 -5 -6

      2.2 福州长乐城区规模化匹配方案

      本文依托地理信息系统(GIS)等数字化工具及大数据分析等工具,获取5G站址和电力杆塔布点信息,并通过大数据分析工具进行处理匹配。5G基站布点的站址采用福州市长乐区的通信基础设施规划的站址[50],长乐全域共计规划5G站址3248个,存量电力杆塔共计1241座,具体点位分布详见图3。其中,长乐旧城区总面积约15.5 km2,该区域内共规划238个5G站址,现有存量110 kV电力杆塔共14座。匹配方案总体上考虑分两步:先匹配站距,再匹配站高。根据匹配结果考虑是否增加其他匹配条件。

      图 3 长乐全域5G站址分布及存量电力杆塔分布图
      Fig. 3 Distribution diagram of 5G stations and stock power towers throughout Changle

      以长乐城区站址匹配为例,假设某区域有2座电力杆塔,与4个5G站址展开匹配;将站址的最大偏差距离和站高的偏差值作为边界条件;站址距离和天线高度偏差分别取大于、等于、小于边界值的情况进行分析,匹配结果见表7。

      表 7 福州长乐站址匹配计算示例
      Table 7 Example of station matching calculation for Changle in Fujian

      匹配关系 Dij Bd Δhij Bh aij bij pij pi P电力杆塔1-5G站址1 90 60 12 -9 0 2.33 0电力杆塔1-5G站址2 60 60 9 -9 0 2.00 0电力杆塔1-5G站址3 30 60 6 -9 0.5 1.67 0.83电力杆塔1-5G站址4 0 60 3 -9 1.0 1.33 1.33电力杆塔2-5G站址1 90 60 0 -9 0 1.00 0 1.33 50%电力杆塔2-5G站址2 60 60 -6 -9 0 0.33 0电力杆塔2-5G站址3 30 60 -9 -9 0.5 0 0电力杆塔2-5G站址4 0 60 -12 -9 1.0 0 0 0

      2.3 福平铁路规模化匹配方案

      长乐境内的高铁线路仅涉及福平铁路,该铁路为国铁Ⅰ级电气化铁路,已于2020年12月26日通车运营。目前铁路沿线的公网2/3/4G无线信号覆盖工作已由三家基础电信企业共同完成。

      本文高铁沿线5G典型场景选点优化匹配工作选择福平铁路(长乐段)开展。福平铁路(长乐段)总长约43 km,公铁跨海大桥范围为松下离岸至长屿岛公铁合建主桥部分,长约7.7 km。跨海坛海峡采用公铁合建桥梁方案,大桥以铁路双线、公路双向6车道的规模进行合建,采用公路在上、铁路在下分层布置,并考虑搭载水电条件。

      福平铁路(长乐段)红线外共有5G站址32个,其余红线内站址分布在隧道洞室内、隧道进出口以及跨海大桥箱梁或主跨钢梁上。由于高铁红线内站点属于铁路管控范围,占用铁路资源(洞室、管沟、电力资源等),由高铁建设方承建,不在本次匹配工作范围内。

      由于高铁场景的特殊性,开展匹配工作需要将拟匹配的电力杆塔在GIS地图上撒点验证站轨距是否满足要求(即站轨距不大于250 m)。经过筛选,满足匹配要求的存量110 kV电力杆塔共6座。福平铁路沿线5G站址及电力杆塔分布详见图4。

      图 4 福平铁路红线外5G站址及电力杆塔分布图
      Fig. 4 Distribution diagram of 5G stations and power towers off boundary lines of Fuzhou-Pingtan Railway

      2.4 福州长乐规模化匹配方案汇总

      除了对长乐全域、福平铁路沿线进行实证外,还对长乐旧城区的人口密集区、滨海工业集中区进行了实证分析,结果显示:长乐全域共有486座满足规划的5G站址和站高的要求,长乐全域站址匹配率达到39.2%;人口密集区共有7座满足规划的5G站址和站高的要求,城市人口密集区场景站址匹配率达到50.0%;福平铁路沿线共有3座既满足设定的站距要求,又满足规划的5G站高要求,高铁场景站址匹配率为6.8%;滨海工业集中区共有14座既满足设定的站距要求,又满足规划的5G站高要求,园区场景站址匹配率达到51.9%。

      表 8 福州长乐匹配结果
      Table 8 Matching results for Changle in Fujian

      序号匹配区域区域类型站距匹配度站高匹配度整体匹配度1 长乐区全域 61.8% 66.8% 39.2%2 航城、吴航街道等城市人口密集区 57.1% 92.9% 50.0%3 福平铁路高铁沿线 13.6% 47.7% 6.8%4 滨海集中区园区 100% 51.9% 51.9%

      2.5 分情景测算结果

      结合1.5节情景设置,通过测算可以得到:在情景一中,长乐区域可与5G规划匹配的电力杆塔数量为290座,占比为23%;在情景二中,长乐区域可与5G规划匹配的电力杆塔数量为223座,占比为18%;在情景三中,长乐区域可与5G规划匹配的电力杆塔数量为178座,占比为14%。具体测算结果见表9。

      表 9 分情景电力杆塔共享潜力测算结果
      Table 9 Results of sharing potential estimation for power towers in 3 scenarios

      情景共享数量/座共享比例情景一 290 23%情景二 223 18%情景三 178 14%

      3 结论

      本文搭建了电力杆塔与5G基站布点的规模化匹配方法及分情景匹配测算方法,并以福州市长乐区为应用试点,选取长乐全域、城市人口密集区、高铁沿线、园区4个场景进行了模型方法的实证分析,主要结论如下。

      1) 基于电力杆塔资源物理特征、分布地图等优化边界,依托地理信息系统等数字化工具及大数据分析等先进算法,考虑5G典型应用场景的实际需求,将5G基站布点规划、5G典型应用场景的网络覆盖方式与电力杆塔资源物理特征、空间分布等存量数据相结合,深入研究存量电力杆塔与5G基站布点规划、典型应用场景的规模化匹配方法,进而实现杆塔资源选点的优化。

      2) 城市人口密集区和工业园区5G场景电力杆塔与5G站址匹配度相对较高,分别达到50.0%和51.9%,尤其园区场景站距匹配度更是高达100%,共享潜力最大。高铁场景由于受杆塔资源和站轨距的影响,匹配度相对较低,共享潜力不大。

      3) 长乐全域、城市人口密集区、高铁沿线、工业园区的电力杆塔与5G基站布点的站高匹配度分别达到66.8%、92.9%、47.7%、51.9%,电力杆塔相较5G基站布点需求,在高度上优势明显。随着5G应用的快速普及,未来几年各运营商将需要大量部署5G微基站以满足5G应用的需求,电力杆塔可作为路灯杆、监控杆的补充,因此未来在密集城区适配5G微基站的潜力较大。

      4) 电力杆塔与5G基站布点的匹配度不仅受到站距、站高等规模化初步匹配的影响,也受到技术、政策、商业约束等因素的限制,考虑影响因素越多,匹配度也相应降低。在规模化匹配度、技术、政策、商业等4种影响因素叠加下,福州长乐地区电力杆塔可与5G规划匹配的杆塔数量为178座,占比为14%。

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      作者简介

      • 王成洁

        王成洁 (1984),女,高级工程师,研究方向为电力杆塔资源共享、能效及需求侧管理、电力营销市场等。通信作者,E-mail:jie905.student@sina.com。

      • 吴鹏

        吴鹏 (1978),男,正高级工程师,研究方向为电力需求侧管理、智慧用能与能效、电能替代等,E-mail:chanpig@126.com。

      出版信息

      文章编号:2096-5125 (2023) 03-0297-11

      中图分类号:TM75;TN915;TN828.6

      文献标志码:A

      DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2023.03.009

      收稿日期:2022-10-10

      修回日期:

      出版日期:2023-05-25

      引用信息: 王成洁,吴鹏,马捷等.电力共享杆塔与5G 基站布点匹配模型构建及测算[J].全球能源互联网,2023,6(3):297-307 .WANG Chengjie, WU Peng, MA Jie,et al.Matching Model and Potential Estimation of Power Sharing Towers and 5G Station Distribution Points[J].Journal of Global Energy Interconnection,2023,6(3):297-307 (in Chinese).

      (责任编辑 李锡)
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