龔堅(jiān)剛,曹枚根,劉欣博,樓佳悅,周文俊
(1.浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,杭州 310014;2.北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)
共享經(jīng)濟(jì)最早由美國德克薩斯州立大學(xué)社會學(xué)教授Marcus Felson 和伊利諾伊大學(xué)社會學(xué)教授Joel Spaeth 于1978 年提出[1],一般是指以獲得一定報(bào)酬為主要目的,基于陌生人之間且存在物品使用權(quán)暫時(shí)轉(zhuǎn)移的一種新的經(jīng)濟(jì)模式。共享經(jīng)濟(jì)主要包括一個(gè)由第三方創(chuàng)建的、以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的市場平臺,這個(gè)第三方可以是商業(yè)機(jī)構(gòu)、組織或者政府。個(gè)體借助這些平臺交換閑置物品,分享自己的知識經(jīng)驗(yàn),或者向企業(yè)、某個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目籌集資金等,這也是共享經(jīng)濟(jì)的最大特點(diǎn)——淡化所有權(quán),突出使用權(quán)[2-3]。
近年來,共享經(jīng)濟(jì)在我國的發(fā)展如火如荼。從最初的交通、空間、物流倉儲領(lǐng)域到如今的教育、基礎(chǔ)設(shè)施、城市建設(shè)等領(lǐng)域,共享經(jīng)濟(jì)已經(jīng)逐漸滲透到社會的方方面面,為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展開創(chuàng)了新的增長點(diǎn)[4-5]。這種經(jīng)濟(jì)模式有利于解決資源地域間的不足或過剩,實(shí)現(xiàn)資源合理配置,促使經(jīng)濟(jì)的高效良性發(fā)展,且已在各行各業(yè)有了領(lǐng)頭企業(yè)。在共享交通領(lǐng)域,滴滴打車、摩拜單車、Uber 等企業(yè)使大眾的出行更加方便;在共享住宿領(lǐng)域,Airbnb 和自如等企業(yè)為需要的人提供了更方便快捷的租房服務(wù);在共享知識領(lǐng)域,知乎、TED 和MOOC 等大大擴(kuò)展了人們的知識和視野。
上述共享經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用大多是個(gè)人參與。如今,參與共享的主體不再局限于個(gè)人,而是出現(xiàn)了企業(yè)級共享的趨勢[6]。2018 年4 月,隨著國家電網(wǎng)有限公司、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司分別與中國鐵塔股份有限公司之間戰(zhàn)略合作協(xié)議的簽署,雙方正式開啟了“共享鐵塔”的全新合作模式,電力行業(yè)也正式加入了共享經(jīng)濟(jì)的發(fā)展隊(duì)列當(dāng)中,雙方將在通信業(yè)務(wù)服務(wù)、智能電網(wǎng)建設(shè)以及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)等方面開展更廣泛的合作,不斷為行業(yè)和社會創(chuàng)造價(jià)值[7]。
作為參與共享經(jīng)濟(jì)的新成員,兩大電網(wǎng)公司將開放共享電力行業(yè)資源,尤其是鐵塔資源。輸電線路桿塔是電網(wǎng)公司重要的基礎(chǔ)資源,其按結(jié)構(gòu)材料可分為鋼筋混凝土電桿和鐵塔。鐵塔外形一般有干字型塔、貓頭塔和鼓型塔等[8]。隨著近年來電力行業(yè)的迅速發(fā)展,輸電線路規(guī)模不斷擴(kuò)大,鐵塔隨著輸電線路的延伸廣泛分布在城鄉(xiāng)之間。鐵塔自身特點(diǎn)及所在地理位置賦予了它多種屬性,如果將這些屬性合理挖掘并共享利用,會大大提升電力鐵塔的價(jià)值,且為合作各方帶來更多收益。
電網(wǎng)公司開放電力資源的第一步是提供電力鐵塔用于共享架設(shè)通信基站。在大力發(fā)展5G 通信的今天,該項(xiàng)舉措不僅符合國家創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念,同時(shí)能加快5G通信的組網(wǎng)建設(shè)速度。由于5G 通信設(shè)備耗能較高,單系統(tǒng)功耗是4G 通信的4~5 倍,達(dá)到6 kW左右[9-10],且所處位置可能在配電網(wǎng)供電半徑之外,所以如何為通信基站提供穩(wěn)定的大功率電源是亟待解決的問題。
目前,涉及輸電線路可共享屬性方面的文獻(xiàn)較少,大多數(shù)文獻(xiàn)只討論了運(yùn)營商內(nèi)部通信塔共享[11-12]。如文獻(xiàn)[13-14]對共享電力鐵塔架設(shè)通信基站時(shí)如何改造鐵塔本體以及電力鐵塔的荷載和電磁干擾問題進(jìn)行了討論,但并未涉及到基站供電問題。
本文首先對輸電線路鐵塔電源屬性及取電技術(shù)進(jìn)行深入研究;其次提出輸電線路其他4 種可共享屬性,即通信、地理位置、支架和防雷接地屬性,針對每種可共享屬性給出了共享應(yīng)用場景;最后以共享電力鐵塔架設(shè)5G 通信基站為典型應(yīng)用范例,提出通信基站大功率供電方案,考慮到電力鐵塔是電力行業(yè)輸送電能的基礎(chǔ)設(shè)施,在配電網(wǎng)供電半徑之外,提出了高壓輸電線路直接取電為5G 通信基站供電的優(yōu)選方案。
電的用處十分廣泛,方便快捷地獲得穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電源是非常重要的。然而,受種種條件限制,優(yōu)質(zhì)電源并不容易獲得,尤其是遠(yuǎn)離城鄉(xiāng)的山野間。而電力鐵塔作為輸電線路的支撐,往往沿路、沿河等在山野間分布,因此輸電線路鐵塔具有極佳的電源屬性,可以直接從其承載的輸電線路導(dǎo)地線上取電?,F(xiàn)有輸電線路直接取電主要有以下4 種方式:
(1)靜電感應(yīng)取電
在高壓架空線路的導(dǎo)線周圍分布著由線路電荷感生出的庫倫電場,庫倫電場沿電場方向是存在電位差的,若能夠通過負(fù)載連接空間中不同電位的兩點(diǎn),則可以實(shí)現(xiàn)取電[15-16],原理如圖1 所示。應(yīng)用該原理的2 種取電方法如圖2 所示。
(2)電流互感器取電
交流輸電線路周圍的磁場可以認(rèn)為僅由導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生,是準(zhǔn)靜態(tài)磁場。由電磁感應(yīng)定律可知,工頻時(shí)變磁場與線圈交鏈,線圈兩端可以產(chǎn)生感生電動勢,方向符合右手螺旋定則,將負(fù)載接入線圈兩端即可實(shí)現(xiàn)取電[17-18],原理如圖3所示。磁芯與線圈部分共同組成母線式TA(電流互感器)或羅氏線圈。
圖1 靜電感應(yīng)取電原理
圖2 靜電感應(yīng)2 種取電方法示意
圖3 導(dǎo)線TA 取電原理
(3)地線渦旋電場取電
交流輸電線路導(dǎo)線周圍的磁場除了能夠與外接取電線圈產(chǎn)生交鏈之外,還可以與地線所構(gòu)成的回路構(gòu)成交鏈,在時(shí)變磁場的作用下,同樣會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,從而可以外接負(fù)載取電[19-21]。原理如圖4、圖5 所示。導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場分別與鐵塔-OPGW(光纖復(fù)合架空地線)-鐵塔構(gòu)成的回路和地線-OPGW 構(gòu)成的回路交鏈,分別在環(huán)路1 和環(huán)路2 產(chǎn)生電流。在環(huán)路1 中,通過將負(fù)載串接入OPGW 中,可以實(shí)現(xiàn)取電。由于OPGW是連續(xù)的,一般只能在光纜接續(xù)處接入負(fù)載。在環(huán)路2 中,將負(fù)載與地線絕緣子并聯(lián),可以實(shí)現(xiàn)取電。
圖4 地線渦旋電場取電原理
圖5 地線渦旋電場取電2 種環(huán)路示意
上述3 種取電方式的共同特點(diǎn)是功率小,僅能滿足一些線路監(jiān)測裝備的用電需求;而且由于輸電線路一般輸送高電壓,上述取電方式并不適合為低壓設(shè)備供電。因此如何輸出低壓大功率優(yōu)質(zhì)電能便成為一個(gè)難題,只有解決了這個(gè)難題,才能充分利用鐵塔的電源屬性。
(4)功率型單相變壓器取電
文獻(xiàn)[22-24]介紹了一種特殊設(shè)計(jì)的變壓器——功率型單相變壓器,其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。該變壓器可直接連接高壓線路,輸出大功率低壓電,從而為設(shè)備供電,并具有鐵磁諧振抗擾性優(yōu)異、對過電壓不敏感、浪涌電流低和防爆性能優(yōu)異等特點(diǎn)。更為關(guān)鍵的是,該變壓器輸出功率最高可達(dá)167 kW。
圖6 功率型單相變壓器結(jié)構(gòu)
圖7 功率型單相變壓器在變電站的應(yīng)用
該變壓器一般應(yīng)用在各種變電站(如圖7 所示),可以提供額外的設(shè)備用電,取代了一般的變壓器和柴油發(fā)電機(jī),適用于那些無法連接到配電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)變電站,例如在一些領(lǐng)土廣闊并且人口密集度比較低的國家,利用這種變壓器是非常方便的。另一種典型應(yīng)用是為遠(yuǎn)程工業(yè)用戶(如礦井、泵站等)供電,在這種情況下,通過建立一個(gè)輕量級的站點(diǎn),就可以確保一個(gè)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定和可靠的電源供應(yīng)。若將該變壓器直接應(yīng)用于高壓輸電線路,便完全可以依托電力鐵塔,成為一個(gè)可輻射周邊地區(qū)的可靠電源,不僅可以為架設(shè)于電力鐵塔上的大功率設(shè)備供電,還可以在路邊建立充電樁,充分共享線路的電源屬性。
結(jié)合現(xiàn)有輸電線路直接取電方法及上述功率型單相變壓器直接取電方法,電力鐵塔的電源屬性可以得到充分利用。表1 為4 種輸電線路直接取電方式之間的比較,不同的方式適用于不同功率的用電設(shè)備。
表1 4 種直接取電方式比較
電網(wǎng)公司利用特有的線路桿塔資源架設(shè)電力特種光纜來發(fā)展電力通信網(wǎng)絡(luò)。我國從1985 年開始將電力特種光纜應(yīng)用于電力通信網(wǎng),經(jīng)過幾十年的發(fā)展,電力特種光纜已經(jīng)是我國電力通信網(wǎng)的重要組成部分。電力特種光纜共分為5種:OPGW、OPPC(光纖復(fù)合架空相線)、MASS(金屬自承式光纜)、ADSS(全介質(zhì)自承式光纜)、OPAC(附掛式光纜)。其中,我國電力通信網(wǎng)主要采用OPGW 和ADSS[25-26]。
隨著我國輸電線路光纖化率不斷提高,鐵塔的通信屬性愈加顯現(xiàn)。輸電線路中的光纖通信資源除了提供給電力系統(tǒng)自身使用以外,還可以提供給其他需求對象。例如,輸電線路鐵塔可以將電力光纜資源共享給通信公司,用以通信組網(wǎng)建設(shè);也可以利用線路通信資源,建設(shè)共享Wi-Fi,為偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)維和臨時(shí)應(yīng)急通信提供服務(wù)。圖8為共享Wi-Fi 設(shè)想示意圖。
輸電線路鐵塔廣泛分布在城鄉(xiāng)之間,特殊的地理位置決定了其位置屬性。如高速公路邊、鐵路邊、城鎮(zhèn)道路邊等,往往都具有優(yōu)質(zhì)的位置屬性,該屬性可以給社會提供豐富的共享想象空間。對于在山頂上的鐵塔,可以作為衛(wèi)星氣象觀測站,進(jìn)行氣象觀測;對于公路沿線明顯位置的鐵塔,可以設(shè)置廣告;對于位置較高的鐵塔,可以設(shè)置通信基站等。
圖8 利用電力通信資源的共享Wi-Fi 設(shè)想
輸電線路各種塔型的鐵塔均屬空間桁架結(jié)構(gòu),桿件主要由單根等邊角鋼或組合角鋼組成,材料一般使用Q235(A3F)和Q345(16Mn),桿件間連接采用粗制螺栓,靠螺栓受剪力連接,整個(gè)塔由角鋼、連接鋼板和螺栓組成,個(gè)別部件如塔腳等由幾塊鋼板焊接成一個(gè)組合件。而且輸電線路鐵塔為保證導(dǎo)線對地的安全距離,高度較高,所以輸電線路鐵塔可以作為一個(gè)高空支架,為高空附加設(shè)備提供支撐。在滿足荷載條件的前提下,輸電線路鐵塔的支架屬性可以與氣象臺站、通信公司基站、廣告公司等共享。
防雷和接地是各行業(yè)內(nèi)的設(shè)備都需要考慮的問題,輸電線路的防雷與接地問題也是建設(shè)時(shí)的重中之重。電力行業(yè)通常采用降低線路高度、減少接地電阻、增加避雷線保護(hù)角、采取主動安全引流設(shè)備、增設(shè)耦合線等方式來加強(qiáng)輸電線路的防雷特性[27]。因而,輸電線路鐵塔的防雷接地可以充分共享給其他需要的設(shè)備,減少重復(fù)建設(shè)。例如將電力鐵塔用以共享架設(shè)通信基站時(shí),機(jī)房及天線的防雷與接地措施可以依附于電力鐵塔已布置完成的防雷與接地設(shè)施。
基于上述分析,鐵塔可共享屬性可分為電源、通信、地理位置、支架和防雷接地屬性,如圖9所示。圖10 為電力鐵塔共享應(yīng)用場景暢想圖。
圖9 電力鐵塔可共享屬性
圖10 電力鐵塔共享應(yīng)用場景
值得注意的是,電力鐵塔在為其他行業(yè)提供共享時(shí),不一定是共享單一屬性,更多情況是各種可共享屬性相互配合,相互依附,也正因?yàn)槿绱耍旊娋€路共享的可行性也大大提高。最典型的例子便是將電力鐵塔用于架設(shè)通信基站,其充分共享了鐵塔的地理位置屬性、支架屬性和防雷接地屬性。2017 年7 月,中國鐵塔公司與昆明供電局合作,成功在220 kV 東郭二回線6 號塔安裝了通信基站和天線。2018 年3 月,中國鐵塔公司再次與云南電網(wǎng)合作,在云南楚雄市東瓜鎮(zhèn)220 kV 鹿紫二回線38 號塔成功安裝了通信基站及天線[28]。與此同時(shí),隨著5G 通信技術(shù)的快速發(fā)展,由于其頻率較高,覆蓋面積較4G/3G/2G小很多,所以5G 通信需要建設(shè)成倍數(shù)量的鐵塔架設(shè)基站來滿足廣域覆蓋。如果通信鐵塔全部重建,會嚴(yán)重降低5G 通信的組網(wǎng)建設(shè)速度,且極大地增加建設(shè)成本。如果能夠?qū)㈦娏﹁F塔資源共享,用以架設(shè)通信基站,則會大大提高5G 通信的建設(shè)速度,降低成本。
由于5G 通信設(shè)備耗能較高,單系統(tǒng)功耗是4G 通信的4~5 倍,達(dá)到6 kW 左右,共享電力鐵塔架設(shè)5G 通信基站面臨一個(gè)很嚴(yán)峻的問題——大功率供電問題,且由于基站所處位置可能在配電網(wǎng)供電半徑之外,如何應(yīng)用鐵塔輸電線路為基站提供一個(gè)穩(wěn)定的大功率電源是亟待解決的問題。
電力鐵塔上架設(shè)5G 通信基站能夠充分共享鐵塔的地理位置屬性、支架屬性、防雷接地屬性,但基站的大功率供電問題急需解決。共享電力鐵塔上5G 基站的供電方式需要滿足電源輸出功率不受電網(wǎng)電流波動和環(huán)境變化的影響,并能夠保證穩(wěn)定的電能輸出,還要盡量做到體積小、重量輕、安全環(huán)保和易于安裝。本文以5G 有源天線單元供電電壓需求48 V、整座5G 基站功率需求6 kW 為例,若考慮4 家5G 通信運(yùn)營商(移動、聯(lián)通、電信、廣電)同時(shí)架設(shè),每家運(yùn)營商設(shè)置3 副天線,且保留一定的功率裕量,則取電方案需滿足80 kW 的供電功率需求。下面以220 kV高壓輸電線路為例討論直接取電方案。
根據(jù)中國鐵塔公司發(fā)布的《基站通信電源系統(tǒng)配置指導(dǎo)意見》,若引入市電為通信基站供電,原則上應(yīng)該引入一路不差于三類(平均月市電故障低于4.5 次,平均每次故障時(shí)間小于8 h)的市電電源,優(yōu)先從公共電網(wǎng)引入一路380 V/220 V的交流電源;若無法引入,在滿足供電質(zhì)量的前提下,按以下方案引入:
(1)從基站所在地或附近的建筑物就近引入一路380 V/220 V 的交流電源。
(2)自建變壓器,引入一路10 kV 高壓市電。
從上述意見可知,引入市電需要非常靠近市區(qū)才是經(jīng)濟(jì)可行的方案。若附近無可用交流電源,需自建變壓器,引入高壓市電。對于配電網(wǎng)供電半徑之內(nèi)地區(qū),可以采用市電供電方案。對于供電半徑之外的偏遠(yuǎn)地區(qū),該方案的應(yīng)用會受到限制。
功率型單相變壓器如前文所述,其取電原理如圖11 所示,包含電壓轉(zhuǎn)換部分、整流部分、濾波部分和Buck 變換器部分。變壓器一次側(cè)電壓為220 kV,二次側(cè)電壓為220 V,其變比n=N1/N2=1 000,原副邊和原邊繞組匝間絕緣強(qiáng)度要求很高,且變比較高,因此此類變壓器需特殊設(shè)計(jì)。
圖11 單相變壓器取電方式原理
高壓側(cè)繞組電網(wǎng)電壓經(jīng)過單相變壓器后,經(jīng)全橋整流電路轉(zhuǎn)換為直流,再經(jīng)濾波后作為后級Buck 電路的輸入。Buck 變換器電路的作用是降壓,將整流輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為48 V,作為基站天線供電的直流電源。圖12 為功率型單相變壓器取電接線圖。
圖12 功率型單相變壓器取電接線
圖11 中:交流源AC 表示由輸電線路引下的交流電源;功率型單相變壓器T1將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓;二極管D1—D4共同構(gòu)成不控整流電路,將交流電轉(zhuǎn)換為直流電;電感L1與電容C1,C2共同構(gòu)成濾波電路對直流電進(jìn)行濾波;功率半導(dǎo)體器件MOSFET、二極管D5、電感L2、電容C3共同組成Buck 降壓電路為負(fù)載RL供電。
利用該變壓器取電,直接把電網(wǎng)能量輸送給設(shè)備,比較靈活方便,且單相變壓器的功率比較大,可以滿足基站的大功率需求,該直接取電方案是可行的。但是在線路故障或者停電檢修時(shí)該方案便失去作用。
當(dāng)采用功率型單相變壓器直接取電方式為通信基站供電時(shí),需著重考慮其功率對原輸電線路供電質(zhì)量及可靠性的影響。以220 kV 電壓等級輸電線路輸送自然功率142 MW 為例[29],單臺變壓器輸出功率為80 kW 時(shí),新增負(fù)荷占比為:
新增負(fù)荷占比僅0.056%,非常小,當(dāng)采用合理的取電回路控制方法,例如PFC(功率因數(shù)校正)等,新增負(fù)荷并不會對原輸電線路供電質(zhì)量產(chǎn)生影響;從維持輸電線路三相平衡的角度考慮,若線路中多處應(yīng)用該種變壓器進(jìn)行取電時(shí),應(yīng)按照a 相、b 相、c 相的循環(huán)順序分別從線路的各相取電;同時(shí),為避免取電回路故障降低原輸電線路供電可靠性,需加入變壓器取電回路的故障切除功能。
該供電方案包含光伏發(fā)電部分、Boost 變換器部分和蓄電池,原理如圖13 所示[30-31],利用光伏發(fā)電,經(jīng)由Boost 變換器升壓后給直流負(fù)載供電,同時(shí)配備48 V 電池組。當(dāng)設(shè)備功率較大時(shí),光伏和蓄電池同時(shí)供電;當(dāng)設(shè)備功率較小時(shí),光伏為其供電,同時(shí)為48 V 蓄電池組充電。此方案比較成熟,但由于光伏發(fā)電不穩(wěn)定,并不能保證輸出功率的穩(wěn)定。
圖13 “光伏+蓄電池”取電方案原理
圖13 中:PV 表示光伏設(shè)備;電感L1、二極管D1、電容C1、功率半導(dǎo)體器件MOSFET 共同構(gòu)成Boost 升壓電路為負(fù)載RL供電;蓄電池、開關(guān)S1和S2并聯(lián)在負(fù)載兩端,在光伏設(shè)備輸出功率充足時(shí),蓄電池作為負(fù)載進(jìn)行充電,光伏設(shè)備輸出功率不足時(shí),蓄電池作為電源進(jìn)行放電。
本文提出的方案為:
(1)當(dāng)共享鐵塔位于配電網(wǎng)供電半徑之內(nèi)時(shí),使用市電直接供電,通過就近引入380 V/220 V交流電源為基站供電,如3.1 節(jié)所述。
(2)當(dāng)共享鐵塔位于配電網(wǎng)供電半徑之外時(shí),將大功率單相變壓器從高壓輸電線路直接取電方式以及光伏和蓄電池組合供電進(jìn)行并聯(lián),共同為基站供電。原理如圖14 所示,單相變壓器直接從線路取電作為主要電源為通信基站供電;光伏與蓄電池的組合作為后備電源為基站供電。兩者優(yōu)勢互補(bǔ),可以保證整座基站穩(wěn)定用電。
圖14 組合供電方式原理
圖14 中:交流源AC 表示由輸電線路引下的交流電源;功率型單相變壓器T1將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓;二極管D1—D4共同構(gòu)成不控整流,將交流電轉(zhuǎn)換為直流電;電感L1與電容C1,C2共同構(gòu)成濾波電路對直流電進(jìn)行濾波;功率半導(dǎo)體器件MOSFET、二極管D5、電感L2、電容C3共同組成Buck 降壓電路進(jìn)而為負(fù)載RL供電;PV 表示光伏設(shè)備;L3,D6,C4,功率半導(dǎo)體器件MOSFET 共同構(gòu)成Boost 升壓電路;蓄電池、開關(guān)S1和S2并聯(lián)在負(fù)載兩端,與光伏回路共同作為后備電源。
通過開展輸電線路電源屬性及取電技術(shù)研究、輸電線路其他共享屬性分析以及共享電力鐵塔5G 通信基站的大功率供電方案研究,可以得到以下結(jié)論,對輸電線路鐵塔的共建共享具有很好的參考價(jià)值。
(1)提出電力鐵塔5 種可共享屬性,分別涉及電源、通信、地理位置、支架、防雷接地等方面,并針對各個(gè)屬性給出共享應(yīng)用場景。
(2)針對現(xiàn)有高壓輸電線路直接取電方法功率小、電力鐵塔電源屬性釋放不完全的問題,提出一種通過功率型單相變壓器實(shí)現(xiàn)高壓輸電線路大功率直接取電的方法。
(3)提出共享電力鐵塔5G 通信基站的大功率供電方案。在配電網(wǎng)供電半徑之內(nèi)直接采用市電供電;在配電網(wǎng)供電半徑之外,采用功率型單相變壓器從高壓輸電線路大功率直接取電,并與光伏和蓄電池組合供電的方案。