继电保护是保障电网安全运行的第一道防线。近年来随着电网结构日益复杂,传统后备保护由于仅利用本地信息判断故障,角度单一,逐渐暴露出整定配合困难、动作延时长、不能适应系统运行方式变化、以及容易过负荷误动引发连锁跳闸等缺陷,在保护功能发挥不佳的同时严重威胁着电网安全。鉴于此,在相量测量单元(phasor measurement unit, PMU)、数字化变电站等硬件平台逐渐成熟的基础上,利用多点、多类型信息判断故障的广域后备保护成为了解决上述问题的重要途径。本文“以变电站为基本单元的区域后备保护”是现有广域保护进行功能拓展后的一种模式,针对目前研究中存在的难题,文中分别在保护系统结构和分区方法、适应不同电网环境的故障识别算法、以及区域信息对传统保护的改进方面进行了研究,具体工作和取得的成果如下：1)对广域保护功能进行拓展,提出了站域集中与区域分布相协调的保护构成模式,符合站内元件和站间联络线的分布特点,模式中分设站域后备保护和区域后备保护,后者即为本文研究重点。在此基础上,提出了计及站间距的区域保护多覆盖分区新方法,在设置合理半径的同时计及了站间距离,限制了主子站间的通信延时；针对故障信息完备性,制定了边界元件处理原则,简化了主站间配合策略；针对保护主机失效情况,制定了区域多覆盖原则,提高了保护系统可靠性；算例分析证明了分区方法的合理性和有效性。2)以电网络理论为基础,提出了随机PMU布点下的整套故障识别新算法,包括故障关联域识别、故障点定位和故障元件识别三个层次,涵盖了区域远后备、近后备和故障点定位功能,且大幅降低了保护对同步数据的依赖程度。对非同步注入节点的支路进行等值,使保护算法能够适应随机PMU布点环境；通过捕捉电网、线路结构变化信息构建判据,对故障特征具有放大作用,使保护对轻微故障亦有很强的反应能力；通过遍历比较节点电压差的方式进行故障定位,具有很高的定位精度,且在各种电网结构下均无死区；整套保护在系统振荡时不误动,振荡中再故障能够正确动作,对三相故障和不对称故障均能持续反应,对发展性故障和转换性故障能够良好适应。除此之外,与传统后备保护相比,该套保护提升了动作速度,简化了配合策略,同时还具有适应系统方式变化和不受潮流转移过负荷影响的优势。理论分析和大量数字仿真验证了上述特点。3)提出了基于功率信息的整套故障识别新算法,包括故障关联域识别、故障元件识别和高阻故障识别三个层次,涵盖了线路的近、远后备以及母线、变压器的远后备功能,且彻底摆脱了同步数据的制约。利用功率信息适应多电压等级网络的优势构造故障关联域识别判据,解决了变电站直流消失这一保护难题；从反应过渡电阻自身特征的全新角度进行故障识别,具有优异的高阻判别能力；无功功率判据在区内外故障时差异明显,三种故障算法均采用比率制动特性,整套保护具有很高的灵敏性和可靠性；对各类型发展性故障和转换性故障均能良好适应；对三相故障和不对称故障均能持续反应；相较传统后备保护,整套保护还具有动作速度快,配合策略简单,对系统振荡、潮流转移过负荷和系统运行方式变化影响不敏感等优势。理论分析和数字仿真验证上述结论。4)提出了基于区域双类故障特征的距离三段防误动新方案和基于故障条件集的故障元件识别新算法,利用区域信息改进了传统距离三段和线路近后备保护,适合在区域保护推广初期予以实施。利用保护系统故障特征和电网故障特征开放距离三段,使距离三段转变为“需要时再开放”的新型动作模式,大幅度降低了距离三段过负荷误动的可能性,能够杜绝因三段误动引起的电网大面积连锁跳闸事件,同时基本不影响距离三段近远后备功能的发挥；通过多信息融合,使故障识别算法能够在任意2个信息拒动和1个信息误判情况下得到正确的判别结果,为主保护提供有效的后备功能,相较传统近后备具有更高的可靠性,且无需上下级配合,简化了后备保护整定配合策略。理论分析和算例仿真验证了方案的正确性和有效性。