随着电力系统的快速发展，电力运营市场化的不断推进，电网的结构和运行环境日益复杂，电网安全稳定问题日渐突出。继电保护是保证电力设备运行安全的关键元件，也是整个电网安全保障系统的“第一道防线”，其性能对整个电力系统的安全稳定运行有着重大影响。传统后备保护主要是利用就地单端量信息进行故障的检测判断，不同保护装置之间一般只能通过固有定值进行协调和配合，导致保护装置的适应性差，整定配合复杂，当出现非预期的故障或异常运行工况时，可能造成保护拒动、误动或连锁动作，引发全网性的大面积停电事故。近年来，随着广域同步测量和通信技术的迅速发展和逐步成熟，基于广域测量信息的新型保护系统-广域保护的研究得到了广泛关注。广域测量信息的应用，为大幅提高和改善继电保护的性能提供了新的技术手段，有助于从根本上切实解决现有继电保护存在的适应能力较差、整定配合复杂等难题，提高保护装置在复杂故障和异常运行工况下动作的安全性和可靠性。这对保证电力设备和电网的运行安全，减小大面积停电事故的发生具有非常重要的理论和现实意义。本文在国家自然科学基金重点项目“集中决策与分布实现相协调的大电网后备保护系统研究”（50837002）的资助下，针对新型广域后备保护系统原理、网络通信和可靠性等基础性问题进行了深入的研究。目前已提出的广域后备保护算法存在采样同步性要求高、广域通信流量较大、故障识别容错性能不强等问题。本文提出了一种具有采样同步性要求低，广域通信流量小，且具有高容错性能的广域后备保护算法新算法。新算法采用集中式广域保护系统结构，当电网发生故障后，区域内各子站通过支路电流群福比较法，确定距离故障元件最近的输电线路，并将该线路故障电流值上传给主站；而主站则根据各子站上传的电流故障分量值以及故障电流分布特性，确定候选可疑故障线路；然后向子站获取这些候选故障线路的保护信息域内的传统保护、方向元件等动作情况，并利用改进的D-S证据理论对该多源证据进行信息融合，最终识别出实际故障线路。仿真算例验证了所提出算法的正确性和良好的信息容错性能。随着智能电网发展，智能变电站的各种设备的信息建模及信息交互将在IEC61850框架下统一进行，IEC61850必将成为未来智能电网领域的主要标准之一。但目前IEC61850标准未对广域后备保护通信模型进行描述，这已成为广域后备保护实际应用中亟待解决的一个重要问题。为此，本文首先根据IEC61850标准层层包含的建模方法，提出了广域后备保护IED统一建模方法。然后以一220kV数字化变电站和本文提出的广域后备保护算法为例，给出了遵循IEC61850标准的广域后备保护主站和子站的树型结构模型，以及主站与子站的消息流交互过程。最后建立了广域后备保护信息交换通信服务模型，包括：客户端/服务器传输模型、电气量传输模型和逻辑状态量传输模型。所提出的后备保护通信建模方法具有良好的适应性，信息服务模型具有通信量小，传输可靠性高等特点，可满足不同结构和原理的广域保护的应用要求。广域通信系统是广域后备保护信息交互的支撑平台，良好的通信系统对广域后备保护正确地、快速地切除电网故障具有至关重要的作用。但目前的广域通信系统还不能很好地满足广域后备保护需求。因此，本文根据广域后备保护的通信特点设计了变电站和广域通信网络。提出了以太网接入方式的Ethernet over SDH（EOS）传输模式，建立了基于EVPL的广域通信系统的组网结构，并将并行冗余协议PRP用于变电站和广域通信网络，以实现在通信故障下的业务零故障恢复时间。为了评估广域通信系统的性能，提出了基于网络时延、网络时延抖动、吞吐量、带宽利用率、丢包率等参数的评估指标，并以IEEE14节点网络系统为例，对所提出的广域通信系统的整体性能进行了仿真分析，验证了其可行性。广域后备保护系统在构建模式、决策原理和实现技术等方面远较传统后备保护复杂，特别是涉及广域范围的网络通信，使得对其进行物理模拟实验研究和性能评估非常困难。本文根据广域后备保护的结构和运行特点，开发了一套基于高层体系结构(HLA)和Agent技术的OPNET-PSCAD/EMTDC联合同步仿真平台WAPSS，为分析评估广域后备保护在网络通信环境下的总体性能提供了一有力的工具。文中详细论述了WAPSS平台的总体结构、各重要组成部分的功能和接口方式以及多Agent的设计，最后以一仿真实例验证了平台的正确性和有效性。广域后备保护涉及众多元件，在保护原理、实现方式、作用域等方面较传统保护都有了较大变化，影响其可靠性的因素和环节增加，研究广域后备保护的可靠性具有重要的意义。本文将广域后备保护系统分成多个子系统分别研究，综合考虑各组件的失效和修复过程，应用Markov状态空间法、故障树分析法建立了各子系统和整个系统的可靠性分析模型，最后利用故障树结构函数和蒙特卡罗仿真相结合的方法对广域后备保护系统的可靠性进行了实例评估。论文最后对所取得的主要研究成果进行了总结，并对下一步研究工作重点进行了展望。