主要完成单位

主要完成人

1

中国铁路设计集团有限公司

重载铁路设计理论、关键技术与应用

重载铁路运输对于快速提升运输能力、缓解运能瓶颈制约、提高运输综合效益、减少环境污染、打赢蓝天保卫战具有重要战略意义。依托国家、原铁道部等10余项重大科研，系统开展我国重载铁路设计技术研究，攻克了因大运量、大牵引质量、大轴重而引起的重载铁路路桥隧轨道和四电设计技术难题。

1.创立了我国重载铁路设计理论体系，为重载铁路设计标准体系建立和设计关键技术构建提供了理论基础。①建立面向平纵断面参数分析的重载车线桥系统动力学分析理论，创新车线桥动力学模型求解方法，研发重载线路动力分析软件。②建立基于强度和动应力控制的重载路基隧道结构设计理论，揭示重载列车荷载和动应力分布特征。③建立重载弓网关系理论，攻克重载列车弓网接触和受流质量难题。④建立重载铁路速度、密度和质量合理匹配理论，实现满足运输能力条件下的最大经济性。⑤建立全生命周期成本设计理论，揭示基础设施全生命周期成本规律，解决工程投入和运营支出匹配的难题。

2.创建了我国重载铁路设计标准体系。①创建由荷载图式、荷载发展系数、荷载系数组成的重载列车荷载标准。②创建涵盖轴重250、270、300kN，牵引质量10000、20000t，设计速度80、100km/h重载铁路设计标准，编制世界首部《重载铁路设计规范》。

3.构建了重载铁路设计多项关键技术，为瓦日、浩吉等铁路建设提供了实施方案。①创新大轴重重载铁路轨道、路、桥、隧设计技术，研发30t轴重无砟轨道、小半径曲线高墩大跨桥梁以及多线整体高墩、隧道仰拱、路基挡墙等结构。②创新既有重载铁路路基桥梁强化技术，研发路基加筋水泥土排桩等六种加固结构和装备，提出桥梁辅助钢板梁加固方法。③创新满足重载列车开行的通信、信号、牵引供电设计技术，提出传输通道冗余保护、隧道冗余覆盖、交叉区域覆盖等通信设计方法；提出信号L2、L3显示、双接近区段、抗电气干扰防护、组合分解站等信号设计方法；创新重载牵引供电能力和故障判断、合理接地以及重载弓网参数匹配、接触网刚性悬挂、腕臂计算等设计技术，发明利用AT网孔电流判断AT故障区段方法，研发自动化预配平台和接触网支柱等多种装置。

研究成果应用于瓦日、浩吉、印尼中加等国内外十余条重载铁路，至2021年底，较公路运输减少碳排放5亿吨。成果总体达到国际先进水平，全面提升了我国重载铁路设计技术水平，为保障国家能源安全、打赢蓝天保卫战、实施“一带一路”等国家战略做出了贡献。

科学技术进步奖

一等奖

中国铁路设计集团有限公司、天津大学、清华大学天津高端装备研究院、天津银龙预应力材料股份有限公司

赵斗、刘宝珑  、苏伟、罗健、董入凯、严加宝、龙许友、宋绪国  、左家强、侯军红、徐凌雁  、何常红

2

中国铁路设计集团有限公司

基于北斗卫星的轨道交通智能监测检测关键技术及创新应用

截至2021年底，全国铁路运营里程突破15万公里，城市轨道交通的运营线路也不断增加，为保证铁路安全运营，工务部门对运营线路的轨道、路基、桥梁、边坡等基础设施进行日常监测检测工作任务量愈发繁重。传统的人工监测检测存在效率低下、工作量大、测量周期长、实时性差、线上工作受天窗时间限制等诸多问题，已无法满足实际要求。研究轨道交通基础设施全天候、高效率、高精度、智能化监测检测关键技术及创新应用，对轨道交通的运营安全具有重要的理论研究和工程应用价值。

本课题立足于既有铁路测绘的具体应用需求，研究基于北斗卫星的轨道交通附属设施智能化监测理论与轨道自动化检测技术方法，解决包括北斗卫星定位中的智能选星、多路径误差建模、随机误差模型、轨道自动化监测检测装备研发等在内的既有铁路测绘核心难题。突破现有大范围铁路基础设施自动化、高精度监测检测瓶颈，形成兼顾精度、效率与作业安全性的铁路基础设施高精度、自动化监测与检测成套装备与技术，为铁路建设及智能运维等应用场景提供可靠的技术支持。

1. 主要研究内容

（1）推导单历元E-ADOP公式，发展了适用于分析影响模糊度固定成功率主要因素的E-ADOP理论。通过将ADOP因子引入选星算法，进一步提出了基于E-ADOP的适用于不同复杂观测条件且具有较高ADOP可控成功率的自适应截止高度角快速选星算法，可选取尽可能少的卫星实现具有稳定且较高模糊度固定成功率的快速定位，同时可取得较高的平面定位精度。

（2）构建了北斗/GPS抗差移动窗口精密定权Kalman滤波模型，基于时钟同步双天线北斗/GPS接收机构建单频单差组合定位模型，对北斗和GPS观测值等价权进行抗差处理，利用引入时间相关遗忘因子的Helmert方差估计，精确确定北斗与GPS观测值权比，最后通过实时更新观测值方差，实现扩展Kalman滤波的逐历元定位；该方法可以显著缩短初始坐标收敛时间，消除观测随机噪声影响，位移探测精度可达1 mm。

（3）针对轨道交通轨道几何状态快速高精度检测需求，构建北斗中长基线毫米级定位模型，研发一套适合中长基线解算的轨道几何状态检测北斗高精度位置服务系统，研制了集软硬件于一体的轨道几何状态测量装备及北斗高频且适应高速运动的惯导轨检仪，实现了轨道几何状态快速高精度检测。

2. 应用效果及取得的成效

本项目相关研究成果申请专利15项（发明专利9项，实用新型专利4项，外观专利2项），公开发表学术论文30篇（其中SCI、EI期刊论文21篇），登记软件著作权7项，论文获欧空局COSPAR青年科学家优秀论文奖、入选F5000中国精品科技期刊顶尖学术论文等奖励。

项目研究成果服务于多条铁路和城市轨道交通项目中，软硬件系统先后在哈尔滨至佳木斯铁路重点段路基沉降监测、神朔铁路东沟一号隧道边坡北斗监测、京港高特、郑阜高铁阜阳西站区域沉降自动化监测、沪昆线精测网布设及线形测量、大连地铁轨道线形测量等项目中进行了实际应用。相较于传统北斗监测检测作业方法，精度和作业效率提高3~5倍，取得了良好的应用效果。创造产值约2200万元，净利润1098万元，经济效益及社会效益显著。

科学技术进步奖

二等奖

中国铁路设计集团有限公司  、中国矿业大学、  武汉大学

张云龙、张秋昭  、石德斌、梁永、陈渠森、胡锦民、刘鑫、何义磊

3

中国铁路设计集团有限公司

高速铁路桥梁装配式一体化关键技术

本项目属于土木工程领域，具体属铁路桥梁领域，随着高速铁路建设向工业化、绿色化和智能化方向的发展，对桥梁装配式建造技术需求迫切。高铁桥梁装配式建造技术发展不均衡，预制箱梁技术已逐渐成熟，但在桥墩和桥面系等装配式建造方面尚属空白，桥梁装配式一体化建造存在一些难题需要解决和克服，课题以高速铁路桥梁装配式一体化关键技术为研究对象，开展设计、试验和施工等技术研究，取得如下创新成果：

1.提出了采用长螺旋钻机辅助引孔的施工方法，解决了华北地区黏土加砂层较厚地质情况下管桩应用难题，推广了管桩的应用地质情况范围。

2.提出高速铁路装配式桥墩结构形式、连接形式及施工方法。

3.提出高速铁路桥梁桥面系装配化新结构及装配技术，实现桥梁桥面系的工厂化预制、机械化装配。

4.研发了基于BIM的桥梁装配一体化信息化管理系统。

项目成果形成标准6部（其中国铁集团标准3部），授权专利13项（其中发明专利1项，实用新型专利12项），发表学术论文6篇，取得工法5项，成果已应用于京雄等多个高速铁路项目中，经济和社会效益显著，对推动高速铁路桥梁工业化、绿色化和智能化建设具有重要意义。经鉴定该成果达到国际先进水平。

科学技术进步奖

二等奖

中国铁路设计集团有限公司  

刘凯、吴长发、冯沛、张帅、刘思明、商耀兆、饶建雄、王琦

主要完成单位

主要完成人

4

国网天津市电力公司

电力变压器机械稳定性评估与提升关键技术及应用

能源电力安全保供是经济社会稳定运行的基础保障，天津电网用电负荷连创历史纪录，可靠供电形势异常严峻。大型电力变压器是电网的核心设备，其健康状态直接影响电网安全运行。变压器在热、机械应力作用下，容易产生松动、变形等缺陷，尤其对于短路故障频发的城市电网，多次短路冲击极易导致变压器损坏。据中国电科院“十三五”运行报告统计，因机械失稳引起的变压器故障占比达65%以上。开展电力变压器机械稳定性评估与提升关键技术研究，对提高设备可靠性、延长设备使用寿命具有重要意义。项目在以下方面取得创新：

（1）首次建立了流固耦合条件下变压器绕组电磁-机械暂态模型，提出了计及振动响应、支撑刚度的变压器绕组轴向倒伏、辐向屈曲分析方法，揭示了短路热效应与累积作用对暂态特性和轴辐向稳定性的影响机理，提取了影响变压器短路承受能力的关键特征参量，为稳定性评估与提升奠定了理论基础。

（2）提出了基于暂态声-振信号的变压器绕组机械失稳在线预警技术，发明了基于工作运行振型的绕组机械缺陷精准定位技术，研发了非介入式、无损化振动检测装置以及状态评估系统，攻克了不停电状态下变压器绕组机械稳定性评估难题。

（3）发明了计及累积效应的变压器抗短路能力校核防御方法，提出了变压器绕组绝缘密化、张紧绕制、均布压紧等控制工艺，研发了系列高抗短路能力大型变压器，攻克了变压器机械性能现场提升改造难题。

科学技术进步奖二等奖

国网天津市电力公司、西安交通大学、天津市特变电工变压器有限公司、特变电工衡阳变压器有限公司、沈阳变压器研究院有限公司

刘力卿、张凡、魏菊芳、欧强、汲胜昌、冯军基、高军彦、曾铎

主要完成单位

主要完成人

5

国网天津市电力公司

多功能移动式储能系统灵活控制与协同调控关键技术及工程应用

移动式储能具有高时空可平移性，是电能与其他能源进行灵活转换、综合利用的关键设备，是实现高渗透率分布式电源灵活消纳和配电网灵活、可靠、经济供电的重要手段。

移动式储能在实际应用中面临如下难题：①储能系统内部器件及功率变换级数众多，系统响应速度慢且难以实现故障工况下的不间断运行；②并离网运行状态切换过程存在并网成功率低、离网切换时间长的问题，难以保证重要负荷的可靠供电；③系统的多场景供电灵活性差，资产利用率难以提升。在国家重点研发计划项目、国家电网公司科技项目等的支持下，产学研团队历时4年联合攻关，围绕配电网供电灵活性提升需求，从移动储能系统的多工况优化控制、并离网协同调控、多功能储能系统研发三个层面取得了重大突破：(1)开发了移动式储能系统多工况优化控制技术；(2)攻克了移动式储能系统并离网协同调控技术；(3)突破了移动式储能系统灵活多功能运行技术。

项目获授权发明专利16项(含国际专利1项)，实用新型专利5项，软著4项，编制国家标准1项，发表高水平SCI论文23篇，EI论文14篇，核心论文2篇，研发软硬件装置6项。项目成果实现了“移动救援+应急保电+削峰填谷+智能充售+备用电源+灵活接入”的一体化系统集成，在满足削峰填谷、抑制可再生能源功率波动的同时，提供紧急功率支撑、潮流最优运行等优质服务，近三年直接经济效益3.56亿元，有力支撑可再生能源大规模接入配电网，为加快天津“建设碳达峰、碳中和先行示范区，全力打造能源革命先锋城市”，奠定了坚实的技术基础。

科学技术进步奖二等奖

国网天津市电力公司、中国电力科学研究院有限公司、平高集团储能科技有限公司、天津大学

马世乾、肖迁、陈涛、李官军、李占军、张柳丽、余豪杰、黄家凯

主要完成单位

主要完成人

6

国网天津市电力公司

面向低碳安全发展的新能源电力系统协同规划与控制技术及应用

“低碳”“安全”发展是我国实现“双碳”目标和保障经济社会持续进步的重要战略方向，大规模开发新能源则是我国能源体系低碳安全发展的关键路径。由于新能源具有点多面广、随机性强和可控性低等特征，新能源的高比例并网破坏了电力系统原有的运行特性，加深了断电危机，面临的难点有：1）新能源传统“定容选址”规划方法主要考虑风光资源分布特性而忽略了电网运行约束，适用性差，电网潮流过载和弃风弃光挑战愈加突出；2）新能源传统控制缺乏快速柔性功率控制能力，无法参与电网紧急功率控制，难以支撑多重耦合的电网运行安全；3）新能源传统虚拟惯量技术存在有效性低、稳定性差、通用性弱等问题，新能源电力系统频率安全挑战愈加艰巨。产学研团队八年联合攻关，取得了三方面重大成果：

（1）提出了新能源规划的线性化快速计算模型，设计了电力系统新能源接纳能力的量化分析方法和新能源-储能协同规划方案，构建了电力系统中长期时序生产模拟的新能源及储能线性规划模型，实现了全年电力生产模拟误差小于1.2%，比传统规划方法提升计算效率65倍、提高新能源占比13%以上。

（2）提出了新能源场站快速柔性功率控制方案，构建了消耗盈余能量的卸荷电路及其控制系统，设计了快速柔性功率控制的专用直控通讯系统，提出了基于优先顺序法的功率控制指令多机分配策略，实现了安全可控的新能源100毫秒内幅度达70%的功率速降。

（3）提出了基于超级电容储能的新能源惯量模拟算法，设计了实现惯量模拟的控制器设计，研制了世界上首套“即插即用”式惯量模拟装置，明显提升了惯量模拟技术的有效性和通用性，比传统惯量模拟方案对惯性时间常数的模拟提高4倍以上。

项目取得了理论方法、设备研制、平台开发和工程应用的系列创新成果，获授权发明专利25项，实用新型专利4项，软件著作权2项，发表SCI/EI论文60余篇，他引1400余次，ESI前1%高被引论文1篇，出版中英文专著3部；开发硬件装置3套，软件系统3套，编制国内外标准8项。经鉴定，项目技术水平整体达到国际领先水平。

项目成果应用于天津沙井子、洒金坨风电场和黄港、大月河村光伏等新能源规划与控制改造工程，并推广至河北、河南、新疆等15个省份50余座新能源工程，推动我国新能源装机容量达8.3吉瓦，提升了我国新型电力系统的低碳安全发展，实现了新能源电力系统规划与控制技术的国际引领。项目成果节约成本约4.79亿元，新能源功率柔性控制和惯量模拟装置等产品，近三年实现新增销售9.99亿元，新增利润8051万元，经济和社会效益显著。

科学技术进步奖二等奖

国网天津市电力公司、天津大学、中国能源建设集团天津电力设计院有限公司、中国电力科学研究院有限公司、新疆金风科技股份有限公司

朱介北，葛磊蛟，张利，迟永宁，王慧，张长志，刘建伟，黄远彦