IEC 104规约(全称IEC 60870-5-104)是国际电工委员会制定的电力自动化领域核心通信协议。它基于TCP/IP网络传输，是IEC 60870-5-101规约的网络化扩展，用于实现控制中心(如调度主站)与变电站、远程终端单元(RTU)等子站之间的实时数据监控与控制。由于其基于标准以太网和TCP/IP协议栈，IEC 104具备实时性强、长连接、易于集成现代网络等优势，被广泛应用于变电站自动化、配电自动化、SCADA系统和新能源发电监控等领域。理解其报文结构是进行系统开发、集成、调试和故障排查的基础。
一、报文层次结构：APDU / APCI / ASDU
IEC 104报文遵循清晰的分层结构。其基本传输单元是 应用规约数据单元（APDU，Application Protocol Data Unit） ，作为TCP报文的负载进行传输。APDU本身由两部分组成： 应用规约控制信息（APCI，Application Protocol Control Information） 和 应用服务数据单元（ASDU，Application Service Data Unit） 。
- APCI：位于APDU的头部，负责报文传输的控制和管理，如标识报文起始、长度和类型。
- ASDU：位于APCI之后，是报文的“数据核心”，包含了实际需要传输的应用层信息，如遥测值、遥信状态、遥控命令等。
一个APDU的结构可以示意为 [APDU] = [APCI] + [ASDU]。其中，APCI部分固定为6个字节，而ASDU部分长度可变。
二、三种报文帧格式：I帧、S帧、U帧
根据APCI中控制域的不同，IEC 104报文分为三种类型的信息帧，每种帧服务于不同的通信功能。
I帧（Information Format，信息传输帧）
功能：用于传输包含实际应用数据的报文，如遥测、遥信、遥控、遥调等命令和响应。
结构：I帧是长帧，长度大于6个字节。它必须包含APCI和ASDU两部分。
关键字段：APCI的控制域中包含 发送序列号（N(S)） 和 接收序列号（N(R)） ，用于实现可靠的数据传输和流量控制。
S帧（Supervisory Format，监视/确认帧）
功能：主要用于对接收到的I帧进行确认，告知发送方已正确接收了序号为N(R)之前的I帧。当接收方没有I帧需要发送(即无数据点对点回应)时，会发送S帧来确认接收。
结构：S帧是短帧，长度固定为6个字节。它只包含APCI，不包含ASDU。
关键字段：APCI的控制域中仅包含接收序列号(N(R))，用于确认已接收的I帧。
U帧（Unnumbered Format，无编号控制帧）
功能：用于链路的过程控制，不传输具体的应用数据。主要包括三种命令： 启动数据传输（STARTDT） 、 停止数据传输（STOPDT） 和 测试链路（TESTFR） 。
结构：U帧也是短帧，长度固定为6个字节。它只包含APCI，不包含ASDU。
关键字段：APCI的控制域使用特定的比特位(bit)来标识具体的控制命令，如开始、停止或测试。
三种帧的对比总结：
| 帧类型 | 长度 | 包含ASDU | 核心功能 | 控制域包含 |
|---|---|---|---|---|
| I帧 | >6字节 (长帧) | 是 | 传输实际数据（遥测、遥信、遥控等） | N(S) 和 N(R) |
| S帧 | 6字节 (短帧) | 否 | 确认接收到的I帧 | 仅 N(R) |
| U帧 | 6字节 (短帧) | 否 | 链路控制（启动、停止、测试） | 控制命令标识位 |
三、报文各关键字段详细解析
对一个具体的IEC 104报文进行解析，需要逐步解读从APCI到ASDU的各个字段。
1. 应用协议控制信息（APCI）解析
APCI由以下字段组成，固定6个字节：
启动字符（Start Byte） ：1个字节。固定为0x68.用于标识一个IEC 104报文的开始。
APDU长度（Length Field） ：1个字节。指示APDU体中剩余字节数，即控制域(4字节)加上ASDU部分的总长度。其值最大为253.
控制域（Control Field） ：4个字节。这是解析帧类型和序列号的核心。根据前两个比特(bit)或比特组合，可以判定帧类型：
I帧：第一个字节的bit1 (LSB) = 0.
S帧：第一个字节的bit1 (LSB) = 1. bit2 = 0.
U帧：第一个字节的bit1 (LSB) = 1. bit2 = 1.
具体序列号解析：
I帧：控制域的前两个字节的低7位构成 发送序列号 (N(S)) ;后两个字节的低7位构成 接收序列号 (N(R))。每个序列号均为0-127的循环计数。
S帧：前两个字节固定为特定值(如01 00)，后两个字节的低7位构成 接收序列号 (N(R)) 。
U帧：控制域使用高字节的特定比特位来区分命令，如 STARTDT(07 00 00 00)、STOPDT(13 00 00 00)、TESTFR(43 00 00 00)等。
2. 应用服务数据单元（ASDU）解析
只有I帧包含ASDU。ASDU由头部和数据体组成，是报文解析的重点：
类型标识（Type Identifier, TI） ：1个字节。定义后续信息对象的类型和结构，是整个ASDU解析的纲领。例如：
0x01 (M_SP_NA_1)：单点遥信(不带时标)。
0x0D (M_ME_NB_1)：归一化遥测值(不带时标)。
0x2D (C_SC_NA_1)：单点遥控命令。
0x64 (C_IC_NA_1)：总召唤命令。
可变结构限定词（Variable Structure Qualifier, VSQ） ：1个字节。其高比特位(bit8.即SQ位)决定信息对象地址的排列方式：
SQ=0：信息对象地址非连续，每个信息体都携带自己完整的对象地址。
SQ=1：信息对象地址连续，只需给出第一个信息体的地址，后续元素的地址依次加1.这种方式能有效节省报文空间。
该字节的低7位表示ASDU中包含的信息对象个数N。
传送原因（Cause of Transmission, COT） ：2个字节。用于解释本次数据传输的起因、目的或结果。例如：
0x03：突发/自发(Spontaneous)。
0x06：激活(Activation)。
0x07：激活确认(Activation Confirmation)。
0x0A：总召唤/站召唤(Station/Cyclic/General Interrogation)。
公共地址（Common Address of ASDU） ：2个字节。用于标识数据来源或目标的 站地址（RTU地址）。在同一个TCP连接中，主站和子站通过此地址区分不同的设备或逻辑单元。
信息体：这是ASDU的实际数据负载部分。
信息对象地址（Information Object Address, IOA） ：在IEC 104中，IOA固定长度为3个字节。这是唯一的地址，用于在一个站内定位具体的测点或设备，例如遥信的第1个点、遥测的第100个点等。第三个字节通常用于高层次的结构化地址编码，在简单的应用中可设置为0.
信息对象值（Information Object Value） ：根据类型标识的定义，包含具体的数值。例如，单点遥信通常占用1个比特，归一化遥测值占用2个字节(16位有符号整数)等。
四、典型通信流程与报文交互示例
理解IEC 104的“握手”和“数据交换”过程，对解析报文至关重要：
TCP连接建立：客户端(主站)主动向服务器端(子站)的TCP端口2404发起连接请求。
STARTDT激活（链路启动） ：连接建立后，主站向子站发送一个STARTDT的U帧，请求开始数据传输。子站收到后，回复一个STARTDT CON的U帧进行确认。至此，数据传输通道建立。
总召唤（轮询数据） ：主站发送一个类型标识为0x64(总召唤)的I帧。子站收到后，回复一个传送原因为0x07(激活确认)的I帧。随后，子站开始向主站发送全部的点表数据(多个I帧)，最后以一个传送原因为0x0A(总召唤结束)的I帧来结束本轮召唤。
周期数据上送：在正常运行过程中，子站会按照配置，周期性地通过I帧上送遥测、遥信等变化数据。
报文确认：无论是主站还是子站，在收到对方的I帧后，都需要回复一个S帧(或者在自己发的下一个I帧中携带接收序列号N(R))来进行确认，以保证数据的可靠传输。
主动上报（突发数据） ：当子站检测到事件(如开关变位、遥测越限)时，会主动发送一个传送原因为0x03(突发)的I帧给主站。
链路测试与关闭：当链路空闲时，任一方可以发送TESTFR的U帧来测试链路是否正常。通信结束后，主站可以发送STOPDT U帧停止数据传输。
五、总结与进阶建议
IEC 104规约报文解析是一项结合了标准理解和抓包分析的实践技能。关键点在于：
- 分层理解：明确APCI负责通信控制，ASDU负责携带具体业务数据。
- 状态机思维：理解I、S、U帧在不同通信流程(连接、启动、传数、确认)中扮演的角色。
- 按图索骥：从报文头开始，按照“启动字符 -> 长度 -> 控制域 -> 类型标识 -> 可变结构 -> 传送原因 -> 公共地址 -> 信息对象”的顺序进行逐字节拆解。常用工具如 Wireshark 已经支持对IEC 104协议的深度解析，便于学习。
深入掌握IEC 104解析，不仅仅能读懂二进制流，更能理解整个电力自动化系统的通信逻辑。对于高级应用，可以进一步研究时间同步机制、镜像（Redundancy）连接处理以及根据ASDU类型标识构造通信测试报文，从而在系统集成、调试与安全分析中游刃有余。随着新能源和微电网的普及，IEC 104在复杂拓扑下的扩展应用也将是其未来的重要方向。