IEC 60870-5-104(简称IEC 104)是国际电工委员会(IEC)制定的电力自动化领域核心通信协议，基于TCP/IP网络传输，属于IEC 60870-5-101标准的网络扩展版本。该协议定义了控制中心(调度主站)与变电站或其他远程终端(如RTU、智能保护设备)之间通过网络进行数据传输和通信的规范，广泛应用于电力系统远程控制和监视场景。
一、IEC 104协议概述
1. 基本定义
IEC 104协议是一种基于TCP/IP的通信协议，用于实现电力自动化设备间的实时数据监控与控制。它采用平衡式传输模型，定义了I/S/U三种报文格式，支持遥测、遥信、控制命令等37类标准化功能。技术特征包含滑动窗口协议、应用层地址分段规则及毫秒级时标记录机制，通过发送/接收序号实现数据完整性保障。
2. 协议定位
简单来说，IEC 104协议是一种用于电力系统监控的通信规约，它继承了IEC 60870-5-101协议的应用层，并基于TCP/IP协议栈进行网络通信，适应了现代网络的发展需求。
二、历史背景与发展历程
1. IEC 60870-5系列标准的起源
IEC 60870-5系列标准最早于20世纪80年代开始制定，最初主要关注的是点对点和多点链路的通信，即IEC 60870-5-101协议。当时的电力系统使用铜缆、电力线载波、串行无线电链路、拨号调制解调器和低带宽租用线路进行通信，由于这些链路速度慢且噪声大，协议在设计时非常重视错误检测、链路监督和时序控制。
2. IEC 104的诞生
随着计算机网络技术的飞速发展，特别是TCP/IP网络的广泛应用，为了满足电力系统在网络环境下的通信需求，国际电工委员会在IEC 60870-5-101协议的基础上，制定了IEC 60870-5-104协议。该协议于1997年首次发布(另有资料显示1993年开始制定，1996年发布，2000年正式发布)，之后经过不断的修订和完善，逐渐成为电力系统自动化领域广泛应用的网络通信标准。
3. IEC 104的设计理念
IEC 104作为IEC 101的“网络接入配套标准”，其核心设计思想是：保留IEC 101的数据模型，但替换传输机制。具体而言，它将IEC 101的ASDU(应用服务数据单元)封装到网络帧中，去除了IEC 101使用的严格串行链路机制。IEC 101仍用于许多偏远或老旧变电站，而IEC 104已成为现代能源管理系统和国家控制中心的主导协议。
三、技术架构与通信原理
1. 网络架构
IEC 104协议基于TCP/IP网络，采用客户机/服务器(C/S)模式。在电力系统中，调度主站通常作为客户机(控制站)，变电站自动化设备等作为服务器(被控站)。客户机发起连接请求，服务器响应连接并提供数据服务。
- 主站（客户端） ：接收数据、发送命令
- 从站（服务器） ：发送数据、接收命令
2. 协议分层结构
IEC 104协议采用明确的分层结构，主要包括：
APCI(应用协议控制信息)
APCI包含启动字符0x68、长度域及控制域(I/S/U帧标识)。APDU(应用协议数据单元)包含APCI或带有ASDU的APCI。
ASDU(应用服务数据单元)
ASDU承载业务数据，包含两个主要部分：
数据单元标识符：固定长度为6字节，包含类型标识、可变结构限定词、传送原因、公共地址等
数据本身：由一个或多个信息对象组成，每个信息对象有唯一的地址
3. 帧格式详解
IEC 104协议定义了三种帧格式，每种帧都有特定的用途和控制功能：
I帧(信息帧)
I帧用于传输应用数据，包含发送序号和接收序号，用于实现数据传输的确认和排序。I帧的控制域编码采用左移存储方式优化存储效率。
I帧结构：
启动字符(0x68)
长度域
控制域(4字节，包含发送序号和接收序号)
ASDU(应用服务数据单元)
S帧(监视帧)
S帧用于确认已经接收到的I帧，不包含ASDU数据，只包含接收序号。攻击者可能伪造S帧干扰序号同步，这一点在安全分析中需要特别关注。
S帧结构：
启动字符(0x68)
长度域(固定为0x04)
控制域(4字节，仅包含接收序号)
U帧(控制帧)
U帧用于链路控制功能，如建立连接、测试连接、断开连接等。U帧不包含序号，通过特定的控制命令码实现链路管理。
U帧结构：
启动字符(0x68)
长度域(固定为0x04)
控制域(4字节，包含控制命令码)
4. 通信机制
连接建立
IEC 104协议使用TCP端口2404进行通信。连接建立过程包括：
客户端发起TCP连接请求
服务器接受连接
发送U帧启动指令(STARTDT)
接收U帧启动确认
数据传输
数据传输采用滑动窗口协议，通过发送/接收序号实现数据完整性保障。主要流程包括：
总召唤命令：主站发起总召唤，从站按点表返回所有数据
变化数据上报：从站主动上报状态变化的数据
周期性数据上传：定时上传遥测等周期性数据
超时管理
IEC 104协议定义了多种超时参数，用于控制连接建立、数据传输和链路维护：
- T0：连接建立超时
- T1：数据发送/确认超时
- T2：接收确认延迟
- T3：空闲链路测试周期
5. 数据封装与解码
IEC 104协议将应用层的数据封装在TCP报文段中进行传输。应用层数据遵循IEC 60870-5-101协议的格式，包括启动字符、长度、控制域、ASDU等部分。在实现中，解码器通常通过LengthFieldBasedFrameDecoder实现动态报文分割，支持最大253字节的APDU。信息体地址采用3字节小端序编码，遥测值为IEEE754浮点型，遥信状态为单字节。
四、应用层功能详解
1. 四遥操作
IEC 104协议的核心功能包括“四遥”操作，这是电力系统监控的基础：
遥测(YC)
遥测用于采集电压、电流、功率、频率等模拟量数据(如类型标识0x0D)。这些数据反映了电网的实时运行状态，是调度决策的基础。遥测值通常以IEEE754浮点数格式传输，保证精度。
遥信(YX)
遥信用于监测开关状态等数字量信号(如M_SP_NA_1单点遥信)。它包括断路器分/合闸状态、开关位置、报警信号等信息，以二进制位表示。
遥控(YK)
遥控用于远程控制断路器分合闸(如C_SC_NA_1指令)。它是电力系统中最重要的控制功能之一，直接影响电网的安全运行。遥控命令通常需要选择-执行机制以确保操作安全。
遥调(YT)
遥调用于参数调节，如变压器分接头调整、设定值修改等(模拟量输出AO)。遥调命令允许调度中心远程修改设备工作参数，实现更精细化的电网控制。
2. 其他应用功能
除了四遥操作，IEC 104还支持：
- 遥脉：计数器传输，用于电度量采集
- 保护事件：传输故障记录、事件序列等信息
- 时标记录：毫秒级时标记录机制，用于事件排序和故障分析
3. 传送原因机制
传送原因字段用于标识数据传输的动机，包括：
- 周期性传送
- 变化数据上传
- 总召唤响应
- 命令激活/确认
- 事件触发等
五、安全性与加密机制
1. 原生安全缺陷
IEC 104协议在设计之初并未将安全性作为优先考虑因素，存在显著的安全缺陷：
缺乏加密机制：协议本身不强制使用加密，数据以明文形式传输，存在数据窃听和篡改风险
无身份认证：仅通过公共地址(通常2字节)识别设备，容易受到伪造攻击
会话劫持风险：攻击者可以伪造S帧干扰序号同步，实现会话劫持
完整性保护缺失：没有内置的完整性验证机制
2. 安全增强方案
尽管IEC 104协议本身缺乏安全机制，但可以通过以下方式增强安全性：
VPN隧道：使用IPsec或VPN隧道封装IEC 104通信，实现数据加密和隧道保护
TLS加密：在TCP层之上使用TLS协议提供加密传输
网络隔离：采用强网络分段策略，将IEC 104通信与公司网络隔离开
防火墙策略：配置严格的防火墙规则，限制对TCP端口2404的访问
IEC 62351安全标准：IEC技术委员会发布的专门安全标准，实现端到端加密，可防止重放、中间人和数据包注入等攻击。但由于实现复杂性增加，许多供应商不愿意部署此标准。
3. 安全现状
尽管存在已知的安全缺陷，不安全的IEC 104协议仍在欧洲电力系统中广泛使用。华为等设备厂商在其产品中默认禁用使用IEC 104连接到第三方管理系统的功能，以降低网络安全风险。
六、IEC 104与相关协议对比
1. IEC 104 vs IEC 101
IEC 104是IEC 101在TCP/IP网络上的自然延伸，两者共享相同的ASDU结构和应用层语义，但在多个维度存在显著差异：
| 对比维度 | IEC 60870-5-101 | IEC 60870-5-104 |
|---|---|---|
| 传输介质 | 串行通信（RS-232/485） | 以太网（TCP/IP） |
| 通信模式 | 点对点/轮询 | 多点并发、网络化 |
| 数据速率 | 低速（≤19.2kbps） | 高速（>10Mbps） |
| 安全机制 | 简单校验 | TCP可靠传输、可配合SSL/VPN |
| 网络拓扑 | 单主多从 | 多主多从、跨网络 |
| 配置复杂度 | 低 | 较高（需网络配置） |
| 应用场景 | 变电站内部、配电终端 | 调度中心、广域监控、远程站点 |
| 兼容性 | 与老设备兼容性强 | 与现代SCADA系统无缝集成 |
核心区别总结：
- 通信层：IEC 101依赖串行链路，需处理链路层冲突、重发等机制;IEC 104将链路层功能交给TCP/IP协议栈，简化了实现
- 传输效率：IEC 104利用网络的高带宽，可承载更长的报文(ASDU长度可达253字节)，而IEC 101受限于串口速率，报文较短
- 地址范围：IEC 104的公共地址和信息对象地址空间更大，适应大规模系统
2. IEC 104与IEC 103
IEC 103协议主要用于继电保护设备间的通信，与IEC 101/104在物理层和链路层存在差异。IEC 101使用串行通信，IEC 103也使用串行通信，而IEC 104使用以太网通信。三者都是IEC 60870-5标准家族的成员。
七、典型应用场景
1. 电网调度自动化系统
在省调、地调等各级调度中心，IEC 104协议连接着数百个变电站。主站通过周期召唤获取全网负荷分布、潮流信息，实时监控开关状态，并下发遥控指令调整运行方式。这是IEC 104最核心的应用场景。
2. 配电网自动化
配电自动化终端(DTU)部署在开闭所、环网柜内，通过IEC 104将馈线电流、故障指示等信息上传至配网主站。这有助于实现配电网络的自动化控制与监视，减少停电时间和提高供电可靠性。
3. 智能变电站
IEC 104规约在智能变电站中扮演着至关重要的角色，用于实时监测和控制，确保电网的稳定运行。变电站自动化系统通过IEC 104实现远程控制、数据采集和状态监控。
4. 发电厂监控
帮助实现对发电设备的远程监视和控制，优化电力生产过程。水电站分布式监控系统也广泛应用IEC 104协议，如二滩水电站的监控系统使用IEC 104解决与调度中心远动通信中的问题，实现无人值班和高效节能的目标。
5. SCADA系统
作为电力系统SCADA系统的重要组成部分，IEC 104用于实现远程终端设备的数据采集和命令控制，连接控制服务器、变电站和远程终端单元(RTUs)等设备。
八、实现与开发要点
1. 主站程序设计
IEC 104主站程序设计的核心包括：
程序流程：建立连接、发送启动帧、总召唤命令、对时请求及数据传输
数据解析：遥信、遥测解析，遥控、遥调组合
技术实现：Java多线程、Socket编程、JDBC和数据库连接池技术
数据库操作：设备信息加载、遥信遥测数据写入数据库、遥调数据比对与发送
2. 从站实现注意事项
报文结构：正确封装APCI和ASDU
时序控制：遵守超时参数(T0-T3)要求
变化检测：准确识别数据变化并主动上传
命令处理：正确响应遥控、遥调命令
3. 互操作性与协议转换
许多网关设备和工业路由器同时支持101/104协议转换，以实现新旧系统的平滑过渡。协议网关将IEC 101的ASDU封装为IEC 104帧，实现兼容。
九、总结
IEC 104协议作为电力系统自动化的核心通信协议，其设计兼顾了简单性与功能性：
- 继承性：保留了IEC 101成熟的应用层数据模型和ASDU结构
- 网络化：基于TCP/IP协议栈，适应现代高速网络环境
- 标准化：定义了37类标准化功能，确保不同厂商设备的互操作性
- 实时性：毫秒级时标记录机制，支持高精度事件排序和故障分析
然而，该协议在安全性方面的先天不足是需要警惕的问题。在部署IEC 104系统时，必须配合VPN、TLS、网络隔离等安全措施，或者逐步向IEC 62351安全标准迁移，以应对日益严峻的网络安全威胁。
IEC 104已成为现代能源管理系统和国家控制中心的主导协议，但IEC 101仍在许多老旧系统中使用。随着智能电网和数字化变电站的快速发展，IEC 104的重要性将持续增长，同时也需要更加关注其安全增强和与新兴技术(如IEC 61850)的融合。