一、项目背景
源网荷储一体化沙盘模型是新型电力系统展示、综合能源项目汇报、高校教学实训的核心载体。在"双碳"目标持续推进和新型电力系统加快建设的背景下，"源网荷储"协同、"多能互补"、"冷热电三联供"等概念从理论走向实践，综合能源沙盘模型的市场需求持续增长。
从发电、输电、变电、配电到用电------一座综合能源沙盘需要完整呈现"源-网-荷-储-冷-热-电"全环节多能耦合系统的运行逻辑。随着综合能源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。在综合能源沙盘模型定制中，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）在综合能源沙盘模型控制系统开发中的项目经验，系统梳理源网荷储一体化沙盘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
源网荷储一体化沙盘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"源-网-荷-储-冷-热-电"能量流动与转换路径
人机交互 触控中控屏（主站），支持多种综合能源工况一键切换
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
text
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 触控中控屏（人机交互层/主站） │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ STM32主控芯片（逻辑调度层/从站） │
├───────────────┬───────────────┬───────────────┬───────────────┤
│ 源区LED灯带 │ 网区LED灯带 │ 荷区LED灯带 │ 储区LED灯带 │
│ （光伏/风电） │ （输配电网） │ （工业/民用） │ （充放电） │
├───────────────┴───────────────┴───────────────┴───────────────┤
│ 冷/热/电三联供LED灯带（冰蓄冷/余热回收） │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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。支持综合能源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，适合综合能源沙盘控制系统
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"源-网-荷-储"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------综合能源五类场景
typedef enum {
WORK_MODE_IDLE = 0, // 待机
WORK_MODE_SOURCE, // 源区模式（光伏/风电/多能互补发电）
WORK_MODE_GRID, // 网区模式（输配电网调度）
WORK_MODE_LOAD, // 荷区模式（工业/民用负荷用电）
WORK_MODE_STORAGE, // 储区模式（充放电调峰）
WORK_MODE_COLD_HEAT_POWER, // 冷热电三联供模式
WORK_MODE_INTEGRATED, // 源网荷储一体化全流程联动
WORK_MODE_DEMO_LOOP // 演示循环（全工况自动轮播）
} WorkMode_t;
4.2 综合能源多区LED联动控制
c
// 多路LED灯带时序控制------模拟"源-网-荷-储-冷-热-电"完整能量路径
void IntegratedEnergyLED_Sequence(WorkMode_t mode) {
switch(mode) {
case WORK_MODE_SOURCE:
// 源区模式：光伏金色+风电蓝色→多能互补发电
LED_StartFlow(LED_PV, LED_WIND, 300); // 光伏/风电同时发电
HAL_Delay(200);
LED_StartFlow(LED_WIND, LED_BUS, 250); // 汇入母线
break;
case WORK_MODE_GRID:
// 网区模式：输电→变电→配电
LED_StartFlow(LED_TRANSMISSION, LED_SUBSTATION, 400);
HAL_Delay(300);
LED_StartFlow(LED_SUBSTATION, LED_DISTRIBUTION, 300);
break;
case WORK_MODE_STORAGE:
// 储区模式：充电（蓝色）/放电（橙色）
LED_StartFlow(LED_STORAGE_IN, LED_STORAGE_OUT, 350);
break;
case WORK_MODE_COLD_HEAT_POWER:
// 冷热电三联供模式：制冷（冰蓝色）+供热（橙色）+发电（金色）
LED_StartFlow(LED_CHILLER, LED_COLD_STORAGE, 200); // 制冷+冰蓄冷
HAL_Delay(200);
LED_StartFlow(LED_HEAT_EXCHANGER, LED_HEATING, 200); // 余热回收+供热
HAL_Delay(200);
LED_StartFlow(LED_GENERATOR, LED_GRID, 300); // 发电并网
break;
case WORK_MODE_INTEGRATED:
// 源网荷储一体化全流程：源→网→荷→储 完整路径
IntegratedFullLoop(); // 四区联动+三联供全流程
break;
case WORK_MODE_DEMO_LOOP:
LED_DemoLoop(); // 全工况自动轮播
break;
}}
4.3 源网荷储四区独立控制
c
// 源网荷储四区独立控制------每个区块独立亮灯
void SourceGridLoadStorage_Control(uint8_t zone, uint8_t mode) {
// zone: 0=源(光伏/风电), 1=网(电网), 2=荷(负荷), 3=储(储能)
// mode: 0=日间供电模式, 1=夜间放电模式, 2=故障自愈模式, 3=峰谷套利模式
uint32_t color_code;
switch(zone) {
case 0: // 源区------光伏金色
color_code = (mode == 0) ? LED_GOLD : LED_OFF;
break;
case 1: // 网区------白色
color_code = (mode == 0) ? LED_WHITE : LED_BLUE;
break;
case 2: // 荷区------绿色
color_code = (mode == 0) ? LED_GREEN : LED_OFF;
break;
case 3: // 储区------充电蓝/放电橙
color_code = (mode == 0) ? LED_BLUE : LED_ORANGE;
break;
}
LED_SetZone(zone, color_code, 500); // 0.5秒渐变过渡}
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（综合能源六类场景） R/W
0x0002 灯光流速调节（0-100%） R/W
0x0003 灯带亮度调节 R/W
0x0004 当前运行状态 R
0x0005 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：源区模式（多能互补发电）
模拟光伏发电、风力发电等多能源品种发电互相补充、互相耦合的清洁能源发电系统。LED灯带分别模拟光伏（金色）和风电（蓝色）两条能量采集路径，汇入母线后向电网输送。
5.2 工况二：网区模式（输配电网调度）
模拟"输电→变电→配电"的电网调度流程。LED灯带从高压输电线路向变电站流动，再向配电网络延伸。
5.3 工况三：荷区模式（负荷用电）
模拟工业负荷、民用负荷等用电场景。LED灯带从配电网络向各负荷终端流动。
5.4 工况四：储区模式（储能调峰）
模拟储能系统"充电（蓝色）→存储→放电（橙色）"的调峰运行逻辑。支持日间供电、夜间放电、故障自愈、峰谷套利四种工况一键切换。
5.5 工况五：冷热电三联供模式
模拟"制冷+冰蓄冷（冰蓝色）、余热回收+供热（橙色）、发电并网（金色）"三种能量流的并行运行。完整呈现"电-气-热-冷"耦合设备的系统化运行逻辑。
5.6 工况六：源网荷储一体化全流程模式
模拟"源→网→荷→储→冷→热→电"完整能量流动路径。光伏、风电→输配电网→工业/民用负荷→储能系统→冷热电三联供，LED灯带时序联动，完整呈现综合能源系统全流程运行逻辑。
5.7 工况七：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
本方案已在国家电投充电桩模型定制项目中得到验证。筑城世纪为国家电力投资集团旗下企业定制了立式充电桩与重卡充电桩两款模型，按客户3D图纸等比缩放还原，柜体比例、品牌标识、散热格栅、充电枪接口等外观特征均按图精准呈现；采用汽车级喷涂工艺，漆面色号按客户指定标准调配，品牌标识采用UV打印工艺。两款充电桩模型已同时交付，用于品牌展厅展示及客户接待场景。
在能源电力沙盘领域，筑城世纪已累计服务客户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。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。
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
本文以国家电投充电桩模型定制项目为例，系统梳理了源网荷储一体化沙盘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：源区、网区、荷区、储区、冷热电三联供、一体化全流程、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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