接地网是变电站的重要组成，对变电站的接地安全起到至关重要的作用。IEEE/GB制定了接地安全参数以及接地网设计指南来规范和指导变电站接地安全建设。变电站接地安全参数包括接地电阻、地电位升、跨步电压和接触电压等；接地电阻用来保护变电站中二次设备免受故障电流或者雷电流损坏和维护变电站的正常运行，其它参数则为了保证变电站内工作人员的安全。许多我国早期设计建设的以及重污染地区的变电站接地网，受土壤中微电池和宏电池共同作用产生了严重腐蚀、甚至断裂现象，亟需进行大范围的改造；为了适应现阶段变电站接地网改造工程的要求，开发出准确定位接地网腐蚀支路的故障诊断方法有非常重要的现实意义。本论文结合变电站接地性能分析和接地网故障诊断理论研究来综合分析变电站接地网并开发接地网故障诊断成像平台：推导和建立了基于复镜像展开的水平多层土壤参数反演模型，提出了采用邻居拓扑结构来研究接地网未知拓扑重构算法，开发了一整套包含硬件装置和软件系统的变电站接地网故障诊断平台，最后利用该接地网故障诊断成像平台综合分析了钟管变电站接地网。论文的主要创新性工作包括以下几点：①采用改进粒子群算法反演基于复镜像展开的水平多层土壤模型：为了克服镜像法在求解土壤参数时计算效率较低的问题，结合复镜像法推导了基于等距四电极法的视在电阻率快速计算模型；为了避免牛顿拉夫逊算法中递推公式推导过程复杂、迭代过程中雅克比矩阵条件数过大和不收敛等情况的出现，提出了采用改进粒子群算法的水平多层土壤参数反演的数值方法，为水平多层土壤参数反演提供了一种精度更高的土壤参数反演手段。②为了在接地网故障诊断中引入电阻抗成像新方法，需要对接地网的网络完整性进行预处理。首次引入邻居拓扑对变电站接地网未知拓扑进行重构，设置2条邻居互连规则和3条的补充规则，来分析接地引下线足够多、接地引下线不足以及接地引下线位置发生偏移等3种情况；提出了选定接地网节点的电压测量值与其拓扑可行解对应的节点电压计算值间的均方根误差为目标函数的接地网未知拓扑重构算法。③针对基于网络场模型和电阻抗成像原理推导出的接地网故障诊断逆问题存在的病态性，提出了基于Tikhonov正则化处理的牛顿拉夫逊法来改善故障诊断效果；根据接地网结构的特殊性，给出了适合接地网故障诊断成像的三种修改算法：1）提出了基于容斥原理的自动生成选择激励电流对的方法；2）对中大型变电站接地网进行了分区故障诊断定位和识别；3）首次提出了通过新增节点和新增支路的方式来考虑接地引下线偏移对接地网故障诊断的影响。上述三种方法能够有效提高选择激励电流对的效率和提高变电站接地网节点电压测量精度和故障定位的准确性，使电阻抗成像技术能够在变电站接地网故障诊断中实施。④基于电阻抗成像原理研发了变电站接地网故障诊断成像平台：硬件系统可以实现四电极16通道自动循环测量，提供32位高精度的接地网节点电压数据，避免了接触电阻对节点电压测量数据的干扰，以及提高了测量效率和测量精度；软件系统可以实现接地网故障支路定位和标注、土壤参数反演和接地网未知拓扑重构等功能。采用该平台综合分析了钟管变电站接地网，结论符合实际。