近年来,变电站技术的研究和工程应用正朝智能变电站方向快速推进。基于IEC61850标准和网络技术的智能变电站承担着电力变换、电能汇集、电能分配和控制等重要功能。智能变电站技术是智能电网技术的重要组成部分,包括其安全性在内的各方面性能直接关系到电力系统的整体性能。而其中的继电保护和安全控制系统则更是直接关系到电力系统故障状态下能否安全切除故障恢复正常运行。长期以来,由于继电保护系统的隐藏故障而引发的电网事故不断出现,是导致电网大停电事故的主要因素之一。解决这一问题的主要技术手段之一是研究继电保护隐藏故障的诊断理论和方法,实现对隐藏故障的在线诊断和对继电保护装置的状态监视。多年来,国内外学者在继电保护隐藏故障诊断方面进行了广泛而深入的研究,但限于传统继电保护系统中诊断所需信息不充分、信息同步和传输困难,隐藏故障诊断的可用成果较少,在工程实际中较少获得应用。智能变电站的体系结构,有利于实现保护系统各环节的信息提取和共享,为采用新的隐藏故障诊断技术提供了条件。为此,本文以智能变电站基础上的继电保护系统隐藏故障诊断为研究对象,力求通过提出新的继电保护隐藏故障诊断理论和方法,为继电保护系统和电网安全提供新的技术途径。论文总结了国内外在电网故障诊断和继电保护安全运行保障方面的理论和技术方法,对各种方法进行了评价,指出了各种方法的适应性和局限性。在此基础上,从智能变电站的体系架构入手,比较了传统变电站和智能变电站的区别,分析了智能变电站继电保护的新特征。从智能变电站信息结构出发,提出了通过获取SV网、GOOSE网、MMS网数据的智能变电站故障诊断系统结构。进一步,阐明了继电保护传感器环节、保护装置、命令出口环节故障诊断的数据流模式。对继电保护隐藏故障诊断所需数据的预处理技术进行了分析,给出了数据预处理的方法。运行经验表明,继电保护系统中不同环节出现隐藏故障的概率是不一样的,且不同类型的隐藏故障所造成的后果的严重程度也不相同。论文分析了智能变电站继电保护各环节的隐藏故障模式,对关键环节之一的保护电流测量回路的隐藏故障诊断方法进行了深入研究,提出了测量回路广义变比的概念,并基于变电站母线的电流约束,建立了广义变比的状态矩阵,通过获取二次回路电流量测以及求解广义变比状态矩阵,实现对连接在母线上的各间隔回路的保护电流测量值可信度的判断,由此监视保护电流测量回路的硬件及软件是否存在隐藏故障。继电保护的电子互感器是决定保护装置能否正确动作的另一关键环节。论文还针对电子互感器在保护系统中的重要作用,提出了一种电子互感器的故障诊断方法。文中给出了算例,验证所提方法的有效性。继电保护能否在电网故障时正确动作,其在电网扰动过程中的动态反应行为十分关键。但在已有的研究中,由于难于获取继电保护的动态数据而难以对这一过程中的保护行为进行科学的评判。此外,电力系统扰动引起的多个变电站保护启动以及由此所产生的大量信息未能用于保护的隐藏故障分析。针对这一现状,本文提出了充分利用扰动激励下不同地域变电站继电保护所产生的广域大数据同步进行继电保护状态分析的思想,可以方便地发现各个保护在同一激励下的反应灵敏性、可靠性以及保护之间的配合关系是否存在隐藏故障。为了实现这一思想必须解决大数据的精简问题并构建合适的指标体系。论文通过对继电保护状态区域的划分,分别构建了表征故障启动、故障测量、和故障反应时间的指标模型,提出了从保护的可靠性、选择性、灵敏性和快速性要求出发建立的多个继电保护隐藏故障诊断与运行状态评估方法。本方法能够直观反应继电保护系统的动态过程,反映单个保护及多个保护之间的测量和定值正确性,也为提升广域保护的可靠性提供了新的思路。智能变电站的体系架构为继电保护的逻辑开放和硬件标准化提供了可能。在继电保护装置失效情况下,利用保护系统的硬件冗余,在线实现继电保护系统的重构,是本文提出的一个新的概念。论文分析了电力系统对继电保护系统重构的潜在需求,提出了继电保护系统的失效重构的通用模型;提出了继电保护系统重构的四个准则。按照上述思想,论文以广域保护通信系统失效为例,根据所提出的可靠性准则,论述了广域通信网络失效重构的数学模型及求解过程,证明了保护系统重构的可行性。利用文中所提出的重构思想,还可以对现有保护的传感器布置进行重新优化和设计。文中介绍了所取得发明专利的变压器电流差动保护传感器重构后对保护性能的改善方法。智能变电站和智能电网的建设,为继电保护系统带来了更多的可用信息,为解决继电保护系统自身安全问题提供了新的机遇。本文提出了适合智能变电站体系结构的继电保护隐藏故障诊断的信息架构,以关键环节的隐藏故障诊断为突破,展示了隐藏故障诊断的新途径;同时,为大数据时代充分利用电网扰动激励,构建继电保护广域诊断体系给出了方法;对于发现存在隐藏故障后如何隔离故障装置,恢复保护系统功能,提出了新的继电保护重构概念和重构案例。