随着我国能源结构转型及电力市场改革，水电作为一种清洁的可再生能源在整个电力系统中占比越来越大，扮演着越来越重要的角色。然而，水电站高水头、大容量、长输水管路布置对电站的安全运行带来了巨大挑战。水电站过渡过程计算是应对该挑战的关键举措。目前，水电站过渡过程计算主要是通过程序编码依靠计算机进行仿真计算，但编码过程复杂，通用性差，人机交互程度低。因此，开发一套操作简单、界面友好、计算精确、通用性强的水电站过渡过程可视化仿真软件刻不容缓。
　　为解决上述问题，本文从理论模型、软件开发、工程应用三个角度开展深入研究。首先，建立了能适应不同类型电站、不同管路布置形式的水电站输水发电系统精细化模型；其次，对水电站过渡过程计算仿真软件的图形化建模和拓扑结构构建等关键步骤展开研究，开发了一套能构建任意水电站拓扑结构的过渡过程计算可视化仿真软件；最后，将该软件应用于抽水蓄能电站主进水阀自激振动研究和带调压阀水电站过渡过程研究中，揭示了主进水阀自激振动机理，阐明了以阀代井的优势。本文对节约电站建设成本具有积极意义，为保障电站安全运行，提供了理论依据和技术参考。本文的主要研究内容和创新性成果归纳总结如下：
　　(1)构建了水电站输水发电系统精细化模型，实现了不同电站全工况的数值仿真计算。首先，基于特征线法，建立了复杂输水发电系统模型，不仅考虑了叉管及串联节点的水头损失，还计及水体惯性和管壁弹性；其次，在改进Suter变换的基础上，提出了一种基于双三次均匀B样条空间曲面的水泵水轮机模型，提高了水泵水轮机建模的精度；然后，针对现有的各种调压室和水轮机，构建了不同类别的调压室和水轮机模型；最后，充分考虑主配压阀和主接力器死区和限幅特点，建立了调速器非线性模型。
　　(2)针对水电站过渡过程可视化仿真软件图形化建模与拓扑结构自动构建问题开展研究。图形化建模和拓扑结构构建是实现仿真软件可视化的关键步骤，将输水发电系统进行模块化划分，抽象出多样化图形对象，引入碰撞识别法将图形对象进行组合，实现了任意拓扑结构水电站输水发电系统的图形化建模。进而，提出了动态自适应编号法和管线拓扑结构识别法，实现了输水发电系统拓扑数据结构自动构建，使计算机能根据用户所构建的图形化模型，自动解析为其本身可识别的数据结构。不仅有效的降低了用户的工作量，而且提高了计算效率，减少了计算时间。已将上述研究成果应用于复杂管网系统的水力机械过渡过程计算软件研发项目，开发了一套能自动构建任意拓扑结构的水电站过渡过程计算可视化仿真软件(HTPVSS)，为后续水电站自激振动和以阀代井的研究奠定基础。
　　(3)提出了一种基于经验小波变换法与修正Morris法相结合的研究方法，揭示了抽水蓄能电站主进水阀自激振动机理。首先，基于HTPVSS软件构建了主进水阀自激振动可视化数值仿真模型并模拟主进水阀水力瞬态过程；然后，采用经验小波变换法(EWT)对电站采集的主进水阀自激振动信号和可视化模型仿真信号进行特征提取和频谱分析，验证了软件的正确性；最后，引入修正Morris参数筛选法，探明了影响主进阀自激振动的敏感性因素，为抑制及消除自激振动提供理论依据。
　　(4)针对某些水电站不宜设置调压井问题，开展了水电站以阀代井研究，应用HTPVSS软件建立了多布置模式水电站输水发电系统可视化仿真模型，并进行甩负荷过渡过程计算，验证了调压阀代替调压井的可行性。进而，引入改进多目标优化算法(IMOGSA)对导叶—调压阀联动控制规律进行优化，获得了满足优化目标的分布均匀且广泛的帕累托优化解集，有效提高了水电机组的动态性能和调节品质，为电站协联控制策略的优化和安全运行提供了科学依据。