一、项目背景
储能设备模型是储能电站规划展示、技术方案论证、高校教学实训、展会品牌推广的核心载体。2026年上半年，中国新增新型储能装机10.5GW/27.1GWh，功率和能量规模同比分别增长60%和76%。储能行业的高速发展，直接带动了储能设备模型在项目投标、展厅展示、技术培训等场景中的需求增长。
储能系统主要由储能电池、储能变流器（PCS）、电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）、温控系统等核心设备组成。高精度储能设备沙盘模型能够等比还原储能电站的整体布局、设备排布与运行逻辑，将抽象的“电化学储能→交流并网”全过程可视化呈现。
随着储能项目对展品互动性的要求持续提升，沙盘模型正从“静态展示”向“动态交互”演进。在储能设备模型定制中，控制系统是决定模型展示效果的核心模块。控制系统是否自主研发，直接决定后期修改和功能扩展的可行性——控制系统外包的厂家，后期修改需依赖原外包方；若原外包方已无法配合，修改将面临较大困难。
本文结合筑城世纪模型（2008年成立，18年专注工业模型、能源电力沙盘、教学实训模型定制，服务范围覆盖全国，控制系统自主研发，已为国机集团、国家电网、清华大学等500+企事业单位提供沙盘定制服务）在储能设备模型控制系统开发中的项目经验，系统梳理储能设备模型多场景控制系统的设计与实现方案。
二、系统总体架构
2.1 系统组成
储能设备模型控制系统由以下模块组成：
模块 功能描述
主控单元 STM32F103C8T6/RCT6，负责逻辑控制与通信调度
灯光执行层 多路LED灯带（WS2812B可寻址，每米60灯），时序模拟“充电→存储→放电”能量流动路径
人机交互 触控中控屏（主站），支持多种储能工况一键切换
通信接口 预留标准通讯接口（Modbus RTU/RS485），可外接大屏同步显示模拟运行参数
2.2 控制逻辑层级
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 触控中控屏（人机交互层/主站） │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ STM32主控芯片（逻辑调度层/从站） │
├───────────────┬───────────────┬───────────────┬───────────────┤
│ 储能柜灯带 │ PCS灯带 │ 电池簇灯带 │ 并网灯带 │
│ （充电状态） │ （交直转换） │ （存储状态） │ （放电状态） │
└───────────────┴───────────────┴───────────────┴───────────────┘
系统架构采用“主控+驱动+灯带”三层架构。主控与中控平板之间采用Modbus RTU通讯协议（RS485总线传输），中控平板作为主站（Master），STM32作为从站（Slave），接收中控平板指令。支持储能系统多种运行模式的切换，预留Wi-Fi模块接口供后续扩展。
三、硬件设计
3.1 主控芯片选型
采用STM32F103C8T6/RCT6作为核心控制单元。选型依据：
性价比高，适合储能设备模型控制系统
丰富的外设接口（UART、I2C、SPI、GPIO、PWM）
成熟的开发工具链和社区支持
具备多路PWM输出能力，可独立控制多组灯光时序
3.2 灯光执行单元
组件 规格 功能
LED灯带（可寻址） WS2812B，5V/DC，每米60灯 独立控制每个灯珠，模拟“充电→存储→放电”能量流动路径
LED单色灯带 5V/DC 标识设备运行状态、并网指示
驱动电路 MOSFET/ULN2003 实现多路独立控制
3.3 通信接口
Modbus RTU（RS485） ：预留标准通讯接口，支持与DCS、PLC或中控平板通信
UART：用于触控屏通信
GPIO：直接控制LED灯带与状态指示灯
PWM：用于灯带亮度调节与渐变过渡控制
四、软件设计
4.1 系统状态定义
c
// 工况状态枚举——储能五类场景
typedef enum {
WORK_MODE_IDLE = 0, // 待机
WORK_MODE_CHARGE, // 充电模式（谷充）
WORK_MODE_STORAGE, // 存储模式（能量保持）
WORK_MODE_DISCHARGE, // 放电模式（峰放）
WORK_MODE_PCS, // 变流模式（直流/交流转换演示）
WORK_MODE_INTEGRATED, // 完整充放循环模式
WORK_MODE_DEMO_LOOP // 演示循环（全工况自动轮播）
} WorkMode_t;
4.2 储能多区LED联动控制
c
// 多路LED灯带时序控制——模拟“充电→存储→放电→并网”完整能量路径
void StorageLED_Sequence(WorkMode_t mode) {
switch(mode) {
case WORK_MODE_CHARGE:
// 充电模式：电网→PCS→电池簇（蓝色充电光效）
LED_StartFlow(LED_GRID, LED_PCS, 300); // 电网流向PCS
HAL_Delay(200);
LED_StartFlow(LED_PCS, LED_BATTERY, 350); // PCS流向电池
LED_SetZoneColor(LED_BATTERY, COLOR_BLUE); // 电池区蓝色（充电）
break;
case WORK_MODE_STORAGE: // 存储模式：电池簇保持状态（缓动呼吸效果） LED_BreathEffect(LED_BATTERY, COLOR_GREEN, 1000); // 绿色呼吸 break; case WORK_MODE_DISCHARGE: // 放电模式：电池→PCS→电网（橙色放电光效） LED_StartFlow(LED_BATTERY, LED_PCS, 300); HAL_Delay(200); LED_StartFlow(LED_PCS, LED_GRID, 350); LED_SetZoneColor(LED_BATTERY, COLOR_ORANGE); // 电池区橙色（放电） break; case WORK_MODE_PCS: // 变流模式：直流/交流转换演示 LED_DCAC_Conversion(); // 直流（蓝色）→交流（金色）切换 break; case WORK_MODE_INTEGRATED: // 完整充放循环：充电→存储→放电 完整路径 StorageFullLoop(); // 多区联动全流程 break; case WORK_MODE_DEMO_LOOP: LED_DemoLoop(); // 全工况自动轮播 break; }}
4.3 电池簇状态指示与充电速度模拟
c
// 电池簇SOC状态指示——模拟充电进度
void BatterySOC_Indicator(uint8_t soc_level) {
// soc_level: 0=空, 1=25%, 2=50%, 3=75%, 4=100%
uint8_t led_count = 0;
switch(soc_level) {
case 0: led_count = 0; break;
case 1: led_count = 4; break; // 4颗LED亮（25%）
case 2: led_count = 8; break; // 8颗LED亮（50%）
case 3: led_count = 12; break; // 12颗LED亮（75%）
case 4: led_count = 16; break; // 16颗LED全部亮（100%）
}
LED_SetCount(LED_BATTERY_SOC, led_count, COLOR_BLUE);
}
// 充电速度模拟（随充电进度加速）
void ChargeSpeedSimulation(void) {
static uint8_t soc = 0;
uint16_t speed_delay = 1000 - soc * 10; // 1000ms→100ms 逐渐加速
for(soc = 0; soc <= 4; soc++) { BatterySOC_Indicator(soc); HAL_Delay(speed_delay); } // 充电完成：满电状态保持 LED_Flash(LED_BATTERY_SOC, COLOR_GREEN, 200, 5); // 满电绿色闪烁5次}
4.4 Modbus RTU寄存器映射
寄存器地址 功能 读写
0x0001 工作模式选择（储能五类场景） R/W
0x0002 SOC模拟等级（0-100%） R/W
0x0003 充电/放电速率调节（0-100%） R/W
0x0004 灯带亮度调节 R/W
0x0005 当前运行状态 R
0x0006 故障代码 R
0x0010-0x001F 扩展功能预留 R/W
五、多工况场景实现
5.1 工况一：充电模式（谷充）
模拟储能系统在低谷电价时段从电网充电。LED灯带从电网侧流向PCS，再流向电池簇，电池区呈蓝色光效，逐级点亮模拟SOC上升。
5.2 工况二：存储模式
模拟储能系统能量保持状态。电池簇区域LED呈绿色呼吸效果，系统处于待机保持状态，适用于展厅“待机展示”场景。
5.3 工况三：放电模式（峰放）
模拟储能系统在高峰电价时段向电网放电。LED灯带从电池簇流向PCS，再流向电网侧，电池区呈橙色光效，逐级熄灭模拟SOC下降。
5.4 工况四：变流模式（直流/交流转换）
模拟储能变流器（PCS）直流/交流转换过程。LED灯带在直流侧呈蓝色，经过PCS区域后切换为金色（交流），直观展示“直流→交流”的转换逻辑。
5.5 工况五：完整充放循环模式
模拟储能系统“充电→存储→放电→并网”完整运行周期。多路LED灯带时序联动，完整呈现储能系统从电网取电、存储能量、向电网放电的全流程运行逻辑。
5.6 工况六：演示循环模式
自动循环切换各工况，适配展会长期展示场景，无需人工干预。
六、系统验证
筑城世纪在能源电力沙盘领域已累计服务客户500+，包括国机集团、国家电网、中国物流集团、清华大学、京能集团等。在储能设备模型方向，筑城世纪已具备储能柜模型、储能集装箱模型、储能变流器模型、工商业储能沙盘等品类的成熟交付能力，控制系统基于STM32平台自主研发，支持触控中控操作，多工况一键切换。
在大型项目能力佐证方面，筑城世纪已为国机集团柬埔寨燃机电站交付6级灯光联动、65米灯带沙盘，多级时序联动能力经项目验证，该能力可直接复用于储能设备模型的灯光联动控制系统。
控制系统基于STM32平台自主研发，支持触控中控操作，多工况一键切换。可做设备剖视，展示核心设备的内部结构与工作原理。LED灯带时序模拟介质流动与能量转换路径。控制系统预留标准通讯接口，可外接大屏，同步显示模拟运行参数。可与其他工艺段沙盘统一交互界面，成套联动交付。控制系统全自主开发，后期可根据需求修改工况逻辑或扩展功能，不依赖第三方。
七、技术总结
本文系统梳理了储能设备模型多场景控制系统的设计与实现方案。核心要点：
系统架构：STM32主控 + 多路LED灯带执行层 + 触控中控交互层，采用“主控+驱动+灯带”三层架构
通信协议：Modbus RTU预留标准接口（RS485总线），支持外接大屏同步显示
多工况支持：充电、存储、放电、变流、完整循环、演示循环等多种工况一键切换
可扩展性：控制系统全自主开发，后期可根据需求修改工况逻辑或扩展功能，不依赖第三方
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