一种自带态势感知与分级响应的防窃电计量箱的制作方法

本发明涉及智能电网用电信息采集，具体涉及一种用于低压配电网的防窃电计量箱，尤其涉及一种通过微波谐振腔微扰原理实现非接触式态势感知并具备分级响应功能的防窃电计量箱。

背景技术：

1、电能计量箱是电力系统中承担电能计量与用电信息采集功能的关键终端设备，其安全运行直接关系到供电企业的线损管理与电费回收。长期以来，针对计量箱的非法开启、暴力破坏及内部窃电行为是困扰供电企业的突出问题。

2、在防窃电计量箱领域，一种典型的现有技术方案见中国发明专利cn104020328a。该专利公开了一种防窃电电表箱，其技术方案为：在进线开关正面设置可拆卸防护面板，在面板与开关之间设置位置检测单元（含顶开杆、弹簧、曲臂滑块），在开关壳体内设置棘轮和套装固定在开关脱扣装置转轴上的锁扣机构；位置检测单元经棘轮与锁扣机构机械连接。当防护面板被拆卸时，顶开杆上升推动棘轮转动，棘轮带动锁扣机构使进线开关机械跳闸，电磁铁铁芯在弹簧作用下卡入锁扣实现机械闭锁。该方案的设计目标明确，即防止非法开启面板后操作进线开关，在这一特定场景下能够有效发挥作用。

3、然而，该方案在实际应用中存在以下局限：其一，感知对象单一。系统仅检测防护面板的位置变化，对于面板未被拆卸但箱体侧面或顶部被钻孔、切割或锤击等破坏方式无法响应，这些破坏方式在实际窃电案件中并不少见，但该方案的传感器部署方式决定了其不具备感知能力。其二，响应方式为二值化逻辑，面板被拆即触发机械跳闸，对于运维人员正常打开面板进行检修的场景，系统同样触发跳闸，导致不必要的计划外停电。其三，报警信号的传输依赖外部供电线路，一旦进线开关跳闸导致全箱失电，报警信号无法上传至监控中心。

4、另一件相关现有技术见中国发明专利cn116050819a，该专利公开了一种基于嵌入式智能在线检测和态势感知技术的反窃电系统。该系统包含态势数据采集层、态势感知预警层、态势核算评估层、态势风险分类层和态势处理管控层，通过图像轮廓比对和风险概率计算实现反窃电的态势感知与分类处理。该方案引入了“态势感知”的概念，其实施对象为架空电缆侧，其分级逻辑体现在“风险概率越高则数据采集频次越高”的采样策略层面，并未延伸至执行器端的物理分级响应。此外，该方案的感知层仍然依赖部署于现场的图像采集设备与电气参数采样装置。

5、需要说明的是，防窃电领域已有部分方案采用非接触式传感技术，例如基于三轴mems振动传感器的防拆检测方案、基于微波接近传感的入侵预警方案等。这些方案在特定场景下具有一定的检测能力，但普遍存在以下问题：振动传感方案对持续缓慢施力（如用千斤顶缓慢顶开箱门）不敏感，且振动传感器的灵敏度受安装位置和耦合方式影响较大；微波接近传感方案仅能检测是否有物体靠近，无法区分接触类型（按压、敲击、钻孔），更无法实现分级响应。

6、综合来看，现有防窃电计量箱技术方案中，接触式传感方案存在传感器被识别和优先破坏的风险，非接触式振动/微波接近传感方案存在感知维度单一、无法区分接触类型、无法实现分级物理响应等局限。如何在实现非接触式感知的同时，获取足够的接触行为特征信息以支撑分级响应决策，是本领域尚未解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述现有技术中因“感知必须依赖接触式传感器”这一底层假设所导致的根本性技术缺陷。具体而言，本发明要解决的核心技术问题是：如何在不需要任何外露于箱体表面的接触式传感器的情况下，实现对计量箱箱体各方位物理接触行为的实时感知与分级响应。

2、技术方案：本发明提供一种自带态势感知与分级响应的防窃电计量箱，包括：计量箱箱体，由导电板材制成，所述导电板材的内外表面具有绝缘防护层，所述箱体同时作为电能计量的保护结构以及微波谐振腔的导电边界，外部物理接触使所述箱体壁面产生形变并改变所述微波谐振腔的谐振频率；微带天线对，部署于所述箱体内部，包括发射天线和接收天线，所述发射天线用于向所述箱体内部空间间歇式注入扫频微波信号，所述接收天线用于接收经所述箱体内部空间传输后的微波信号并输出反映所述微波信号传输特性的电信号；锁相环模块，与所述接收天线电连接，用于根据所述电信号实时锁定所述微波谐振腔的当前谐振频率，并输出表征当前谐振频率相对于基准谐振频率偏移量的频率误差信号；所述基准谐振频率在系统上电时通过全频段扫频标定获得，标定完成后所述锁相环模块切换至窄带锁定跟踪模式，所述窄带锁定跟踪模式下的扫频范围不大于所述全频段扫频标定范围的百分之十；态势感知与分级响应控制模块，与所述锁相环模块电连接，内置有限状态机，所述有限状态机被配置为根据所述频率误差信号随时间变化的波形模式特征执行以下三级判定：当所述频率误差信号的绝对值持续低于第一阈值且漂移速率低于第一速率阈值时，判定为安全态势，不输出响应；当所述频率误差信号呈现单向漂移、漂移速率介于所述第一速率阈值与第二速率阈值之间且持续时间超过第一时间阈值时，判定为低威胁态势，输出第一级响应信号；当所述频率误差信号呈现脉宽低于脉宽阈值的尖峰波形或呈现周期介于第一周期阈值与第二周期阈值之间的周期性重复波形时，判定为高威胁态势，输出第二级响应信号；机械执行机构，与所述态势感知与分级响应控制模块电连接，用于在接收到所述第二级响应信号时执行进线开关的机械跳闸与锁死动作；电源模块，用于为所述锁相环模块、态势感知与分级响应控制模块及机械执行机构提供工作电力。

3、作为优选，还包括差分计算单元；所述微带天线对为两组，分别为感知天线对和参考天线对，所述感知天线对部署于箱体前门内侧区域，所述参考天线对部署于箱体后壁内侧区域；所述感知天线对测得的谐振频率为f_a，所述参考天线对测得的谐振频率为f_b；所述差分计算单元分别与所述感知天线对和所述参考天线对电连接，计算并输出频率差值δf_diff = f_a - f_b，所述态势感知与分级响应控制模块根据所述频率差值δf_diff 的波形模式特征执行所述三级判定。

4、本发明将计量箱的金属箱体本身构造为一个微波谐振腔。微波谐振腔微扰基本原理是：当微波谐振腔的边界条件或腔内填充介质的介电常数发生微小变化时，谐振腔的谐振频率会发生相应的偏移。通过测量谐振频率的偏移量，可以反推引起该变化的外界扰动信息。该技术已在介质材料复介电常数测量、材料缺陷检测等领域得到应用。本发明首次将该技术引入防窃电计量箱领域，利用计量箱的金属箱体作为谐振腔的导电边界，利用箱体内部空间作为谐振腔的腔体。

5、关于箱体表面绝缘层对微波谐振的影响：计量箱箱体板材内外表面的绝缘防护层（如喷塑层、油漆层）厚度通常为0.05~0.2mm。在2~6ghz的微波频段，电磁波在金属导体中的趋肤深度δ_s = √(2/(ωμσ))。对于冷轧钢板（电导率σ≈5.8×106s/m），在2.45ghz频率下，趋肤深度约为0.8μm。电磁波的能量主要集中在金属表面以下不足1μm的深度范围内传播，绝缘层对谐振腔的电磁特性影响可以忽略。因此，即便箱体内外表面覆盖有绝缘层，箱体整体仍可作为有效的微波谐振腔导电边界。

6、关于频移量与形变之间的定量关系：根据谐振腔微扰理论，当谐振腔的边界发生微小形变时，谐振频率的相对偏移量满足δf/f0≈ -(δwe- δwm)/w0。对于由箱体壁面形变引起的微扰，形变量δ与频移量δf之间呈线性关系（在小形变条件下）：δf ≈ -f0·(δ/s)·g，其中s为箱体壁面面积，g为与谐振模式相关的几何因子。以本实施例中尺寸为600mm×800mm×200mm的箱体为例，当箱体前门板中心区域发生0.1mm的微小形变时，理论频移量约为15~25khz，这一量级远高于锁相环模块的频率分辨率（1khz），具备可检测性。

7、具体地，在箱体内部署微带天线对，发射天线向箱体内部空间注入扫频微波信号，接收天线接收经箱体内部空间传输后的微波信号。当箱体外部发生物理接触（如人手按压、工具敲击、钻孔等）时，箱体壁面产生微小形变或振动，改变了谐振腔的边界条件，导致谐振频率发生偏移。这个频移信号本身就是最原始的态势感知数据，系统通过锁相环持续跟踪谐振频率的变化，即可实时感知箱体是否受到接触以及接触的类型。

8、相比现有技术，本发明具有以下优点：首先，本发明将计量箱箱体本身作为感知元件，实现了零外露传感器的非接触式感知。现有技术（如cn104020328a）需要在箱体上设置位置检测单元、顶开杆等外露或接触式部件，这些部件可被窃电者识别并优先破坏。本发明中，感知元件（微带天线）完全内置于箱体内部，窃电者无法从外部识别感知元件的存在，更无法在不打开箱体的前提下破坏感知功能。同时，微波谐振腔的电磁场充满整个箱体内部空间，箱体表面任何位置的物理接触均会引起谐振频率的变化，实现了对箱体各方位（前面、侧面、顶部、底部）的全覆盖感知，不存在现有技术中点式监测的盲区。

9、其次，本发明基于频移信号波形模式的特征分析实现了分级响应。现有技术（cn104020328a）为二值化响应，面板被拆即跳闸，无法区分正常检修与恶意破坏。本发明通过有限状态机识别不同接触行为产生的不同频移波形模式（单向缓慢漂移对应人手按压、尖峰脉冲对应锤击、周期性微扰对应钻孔），据此输出不同级别的响应，从而避免了正常检修操作引发不必要的停电。

10、再次，本发明通过差分天线对架构从硬件层面解决了环境温湿度漂移问题。现有技术中环境变化对传感器的影响通常需要复杂的软件补偿算法来处理。本发明采用感知天线对与参考天线对并行测量并计算差值的方式，使温度、湿度等共模干扰在差值计算中被自动抵消，无需额外的软件校准。

11、最后，本发明不依赖于外部供电的连续性。优选实施方式中采用的相变储能与温差发电方案，可在市电中断后继续为系统供电，使态势感知与分级响应功能在断电工况下仍能维持，解决了现有技术中断电即失联的问题。