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水电站运行安全事故是全球范围内严重威胁人民生命和财产安全的隐患。如何防患于未然，针对各类安全问题做好水电站应对措施，是本研究需要解决的关键问题。鉴于此，本研究针对水电站运行期间存在的泄洪诱发振动安全问题、下游水力安全问题和引尾水系统安全问题提取调控安全约束，分别建立优化调控模型并从时间、空间角度给出相应调控策略。基于上述调控策略提出水电站运行调控准则，并以此为基础开展耦合多安全约束的水电站运行多目标优化调控研究并提取调控策略。本论文的主要研究内容及成果如下：
(1)构建了耦合泄洪诱发振动安全约束的两阶段对冲水电站优化调控模型，分析了不同等级上游来流量以及预报不确定性下的向家坝水电站最优泄洪调控策略。得到结论如下：①最不利闸门开度和水库水位组合条件下竖直方向振动加速度均方根安全限值所对应的向家坝水电站振动安全流量上限为13900m3/s。②优化调控模型以保证水库不发生漫坝为前提，主要针对现阶段面对较大洪量的洪水退水过程，提供最小化泄洪诱发振动安全问题风险的调控策略，最优泄洪调控策略相对传统泄洪策略可降低泄洪诱发振动安全问题风险约6.95%，提高水电站发电量约0.78%。③通过上述模型得到泄洪宏观调控策略如下：当洪水来流量规模较大时(泄洪振动安全流量剩余空间＜6.6亿m3)，基于“对冲理论”的保证泄洪振动安全流量剩余空间对两阶段目标边际效益相等的调控策略为最优；当洪水来流量规模很小时(泄洪振动安全流量剩余空间＞6.6亿m3)，均匀泄洪调控策略为最优。④洪水预报不确定性越大，现阶段所分配的泄洪振动安全流量剩余空间所占比例越高，现阶段泄洪流量量级越小。
(2)根据下游水力安全指标提取闸门开度组合安全约束，以此为基础开展了耦合下游水力安全约束的水电站泄洪优化调控研究。应用到桐子林水电站，主要结论如下：①引入泄洪闸明渠安全流量概念来保障下游水力安全。应用到研究对象上具体量化为在总泄洪流量小于6000m3/s时，只利用河床段闸门参照试验结果建议泄洪；在总泄洪流量大于6000m3/s时，以“明渠安全流量”为依据启闭明渠段闸门最大化分担河床段闸门泄洪压力，利用河床段泄洪闸门开度组合对河床段导墙临底流速进行控制。最终求得保证下游区域冲蚀淘刷安全的最优泄洪闸门开度组合安全约束。②针对日调节水电站上游来流量量级及波动较大情况，由于日调节水电站本身调节能力较弱，主要利用上游枢纽水库对其来流量进行削峰处理，每日调用1亿m3以下调蓄库容可削减洪峰约2000m3/s。③调控模型优化前和优化后闸门总体调控工作总量减少了60%以上，其中明渠段闸门调控工作量减少量占总体减少量的40%。④与以洪水削峰为优化导向的调控方案相比，以最小化闸门调控工作量为优化导向的调控方案河床段中孔闸门降低的闸门调控工作量占总体降低的闸门调控工作量的40%。因此河床段中孔闸门在减小闸门调控工作量时作为主要控制对象进行调控。⑤以闸门调控工作量最小为优化导向的调控方案比以洪水最大化削峰为导向的调控方案上游枢纽水库调蓄库容调用率小29%。
(3)提取了引水系统“一管双机”运行模式安全约束、尾水调压室运行安全约束。构建了耦合上述引尾水系统安全约束的水电站优化调控模型并采用双层嵌套方式对模型进行求解，该求解模式可降低决策变量维度(维度从6480降为270)和整体模型求解难度。将其应用到锦屏一级和二级水电站，通过分析水库特征以及电站运行特性得出电站调控准则。将上述调控准则嵌入到优化调控模型中优化得到覆盖各种上游来流量及水库起调水位组合的调控方案，通过总结上述方案得到电站长短期调控策略和针对上述安全约束的调控策略。
(4)建立了耦合多安全约束的梯级水电站运行多目标优化调控模型。综合水电站运行振动安全、水力防冲安全调控策略和电站运行特性得到电站调控准则。进一步分别设置对梯级水电站泄水量“先优化后分配”和“先分配后优化”的调控方式对模型进行优化。应用到锦屏梯级水电站得到结论如下：①锦屏一级电站运行调控准则为在泄洪期采取低水位运行，泄洪振动安全流量剩余空间分配准则调整为各等级洪水均利用对冲准则进行调控。如此可使电站防洪风险降低，并可增大机组最大发电流量分担泄洪压力。锦屏二级电站运行调控准则为调控过程中水位高于1643m，可保证在中高流量泄洪时机组分担泄洪压力、机组出力受阻风险小、水库闸门有较高泄流能力。②“先优化后分配”调控方式比“先分配后优化”调控方式在提升4%泄洪诱发振动安全度、1%下游水力防冲安全度的基础上提升水电站发电量9%。③各等级洪水调控策略为最大和次大等级洪水需要在汛末时将枢纽水库蓄水至正常蓄水位，在洪水期后均匀缓慢下泄。现阶段需在满足生态流量需求的条件下最大化地分配泄洪振动安全流量剩余空间。第三和第四等级洪水枢纽水库水位在洪水期末恢复至汛限水位。未来阶段分配超过57.1%的泄洪振动安全流量剩余空间。按照每时段电站泄水总流量和发电水头最大化分配发电流量，利用启发式优化算法得到最小化波动程度的泄洪流量序列。
(1)构建了耦合泄洪诱发振动安全约束的两阶段对冲水电站优化调控模型，分析了不同等级上游来流量以及预报不确定性下的向家坝水电站最优泄洪调控策略。得到结论如下：①最不利闸门开度和水库水位组合条件下竖直方向振动加速度均方根安全限值所对应的向家坝水电站振动安全流量上限为13900m3/s。②优化调控模型以保证水库不发生漫坝为前提，主要针对现阶段面对较大洪量的洪水退水过程，提供最小化泄洪诱发振动安全问题风险的调控策略，最优泄洪调控策略相对传统泄洪策略可降低泄洪诱发振动安全问题风险约6.95%，提高水电站发电量约0.78%。③通过上述模型得到泄洪宏观调控策略如下：当洪水来流量规模较大时(泄洪振动安全流量剩余空间＜6.6亿m3)，基于“对冲理论”的保证泄洪振动安全流量剩余空间对两阶段目标边际效益相等的调控策略为最优；当洪水来流量规模很小时(泄洪振动安全流量剩余空间＞6.6亿m3)，均匀泄洪调控策略为最优。④洪水预报不确定性越大，现阶段所分配的泄洪振动安全流量剩余空间所占比例越高，现阶段泄洪流量量级越小。
(2)根据下游水力安全指标提取闸门开度组合安全约束，以此为基础开展了耦合下游水力安全约束的水电站泄洪优化调控研究。应用到桐子林水电站，主要结论如下：①引入泄洪闸明渠安全流量概念来保障下游水力安全。应用到研究对象上具体量化为在总泄洪流量小于6000m3/s时，只利用河床段闸门参照试验结果建议泄洪；在总泄洪流量大于6000m3/s时，以“明渠安全流量”为依据启闭明渠段闸门最大化分担河床段闸门泄洪压力，利用河床段泄洪闸门开度组合对河床段导墙临底流速进行控制。最终求得保证下游区域冲蚀淘刷安全的最优泄洪闸门开度组合安全约束。②针对日调节水电站上游来流量量级及波动较大情况，由于日调节水电站本身调节能力较弱，主要利用上游枢纽水库对其来流量进行削峰处理，每日调用1亿m3以下调蓄库容可削减洪峰约2000m3/s。③调控模型优化前和优化后闸门总体调控工作总量减少了60%以上，其中明渠段闸门调控工作量减少量占总体减少量的40%。④与以洪水削峰为优化导向的调控方案相比，以最小化闸门调控工作量为优化导向的调控方案河床段中孔闸门降低的闸门调控工作量占总体降低的闸门调控工作量的40%。因此河床段中孔闸门在减小闸门调控工作量时作为主要控制对象进行调控。⑤以闸门调控工作量最小为优化导向的调控方案比以洪水最大化削峰为导向的调控方案上游枢纽水库调蓄库容调用率小29%。
(3)提取了引水系统“一管双机”运行模式安全约束、尾水调压室运行安全约束。构建了耦合上述引尾水系统安全约束的水电站优化调控模型并采用双层嵌套方式对模型进行求解，该求解模式可降低决策变量维度(维度从6480降为270)和整体模型求解难度。将其应用到锦屏一级和二级水电站，通过分析水库特征以及电站运行特性得出电站调控准则。将上述调控准则嵌入到优化调控模型中优化得到覆盖各种上游来流量及水库起调水位组合的调控方案，通过总结上述方案得到电站长短期调控策略和针对上述安全约束的调控策略。
(4)建立了耦合多安全约束的梯级水电站运行多目标优化调控模型。综合水电站运行振动安全、水力防冲安全调控策略和电站运行特性得到电站调控准则。进一步分别设置对梯级水电站泄水量“先优化后分配”和“先分配后优化”的调控方式对模型进行优化。应用到锦屏梯级水电站得到结论如下：①锦屏一级电站运行调控准则为在泄洪期采取低水位运行，泄洪振动安全流量剩余空间分配准则调整为各等级洪水均利用对冲准则进行调控。如此可使电站防洪风险降低，并可增大机组最大发电流量分担泄洪压力。锦屏二级电站运行调控准则为调控过程中水位高于1643m，可保证在中高流量泄洪时机组分担泄洪压力、机组出力受阻风险小、水库闸门有较高泄流能力。②“先优化后分配”调控方式比“先分配后优化”调控方式在提升4%泄洪诱发振动安全度、1%下游水力防冲安全度的基础上提升水电站发电量9%。③各等级洪水调控策略为最大和次大等级洪水需要在汛末时将枢纽水库蓄水至正常蓄水位，在洪水期后均匀缓慢下泄。现阶段需在满足生态流量需求的条件下最大化地分配泄洪振动安全流量剩余空间。第三和第四等级洪水枢纽水库水位在洪水期末恢复至汛限水位。未来阶段分配超过57.1%的泄洪振动安全流量剩余空间。按照每时段电站泄水总流量和发电水头最大化分配发电流量，利用启发式优化算法得到最小化波动程度的泄洪流量序列。