IEC 104规约，全称IEC 60870-5-104.是国际电工委员会(IEC)第57技术委员会为电力系统控制及通信制定的核心协议标准。它基于TCP/IP网络传输，专门用于电力系统主站与子站(如变电站、RTU、智能保护设备)之间的实时数据监控与控制。简单来说，IEC 104定义了控制中心(如调度主站)和远程终端之间如何通过网络进行标准化、可靠的数据传输和通信。
一、IEC 104规约的定义与核心定位
IEC 104并不是一个凭空诞生的协议，它是IEC 60870-5-101(简称IEC 101)在TCP/IP网络环境下的自然延伸。两者共享完全相同的应用服务数据单元(ASDU)结构和应用层语义，这意味着熟悉IEC 101的工程师可以快速掌握IEC 104.IEC 104通过将底层链路功能委托给标准的TCP/IP协议栈，使得远动信息的网络通信获得了标准化依据，并且能够有效保证通信的可靠性和互操作性。该规约广泛应用于电力系统、城市轨道交通、石油化工等行业的远程监控与数据采集(SCADA)系统中。
二、IEC 104的协议栈分层结构
IEC 104协议的网络参考模型采用五层结构，与标准TCP/IP协议栈紧密对应。其层次从下至上依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。在OSI七层模型中，IEC 104跳过了表示层和会话层(标注为“n/a”)，直接构建在TCP/IP之上。
1. 各层功能详细说明
| 层级 | 对应协议/标准 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 应用层（L7） | IEC 60870-5-104配套标准 | 定义应用协议数据单元（APDU），由应用协议控制信息（APCI）和应用服务数据单元（ASDU）组成。该层负责解析遥信、遥测、遥控、遥调等具体业务数据。 |
| 传输层（L4） | TCP（RFC 793） | 提供面向连接的、可靠的端到端数据传输，确保数据包顺序正确、无丢失。IEC 104默认使用TCP端口号2404. |
| 网络层（L3） | IP（RFC 791） | 负责数据包的路由与寻址，使通信可以跨越局域网（LAN）和广域网（WAN）。 |
| 数据链路层（L2） | 以太网（IEEE 802.3）、PPP（RFC 1661/1662） | 管理帧的封装与传输，将IP数据报封装成以太网帧或PPP帧。 |
| 物理层（L1） | 以太网（Ethernet）、X.21、光纤等 | 在物理介质上实现比特流的传输。IEC 104支持多种物理介质，包括以太网、光纤、GPRS、UMTS、E1等。 |
值得强调的是，IEC 104的应用层以下完全基于标准的TCP/IP网络协议套件，因此物理层和数据链路层的具体选项由TCP/IP提供，协议本身无需额外指定。这一设计使得IEC 104具备极强的网络适应性和可扩展性。
2. 三种APDU帧格式
IEC 104的应用层数据单元(APDU)有三种格式，由控制字段的前两位比特区分：
I-格式（Information Frame，信息帧） ：用于传输应用数据(ASDU)。包含发送序列号(N(S))和接收序列号(N(R))，支持流量控制和确认机制。
S-格式（Supervisory Frame，监视帧） ：仅用于确认已收到的I-格式帧，不携带ASDU数据。包含接收序列号N(R)。
U-格式（Unnumbered Frame，无编号帧） ：用于建立/关闭连接、测试链路等控制功能，无序列号。
这三种帧格式的配合使用，实现了高效可靠的数据传输。例如，主站通过I-格式下发遥控指令，被控站通过S-格式确认收到;U-格式则用于心跳检测(TESTFR)和连接建立(STARTDT)等操作。
三、APDU报文结构详解
一个完整的IEC 104 APDU报文由两部分组成：应用协议控制信息(APCI)和应用服务数据单元(ASDU)。其结构示意如下：
APDU = APCI + ASDU(可选)
1. APCI格式
APCI以启动字符0x68开始，紧跟着一个字节的APDU长度(不包括启动字符本身)，然后是四个字节的控制字段。控制字段的具体含义根据帧类型(I/S/U)有所不同。
对于I-格式，控制字段分为：
高16位：发送序列号N(S)(bit1~bit15有效，bit0=0)
低16位：接收序列号N(R)(bit1~bit15有效，bit0=0)
对于S-格式：
高16位固定为0x01 0x00(表示S帧)
低16位：接收序列号N(R)
对于U-格式：
控制字段用于承载STARTDT、STOPDT、TESTFR等命令及确认。
2. ASDU结构
ASDU由两部分构成：数据单元标识符(固定长度为6字节)和一个或多个信息对象，最多可传输127个对象。
数据单元标识符(6字节)
| 字节 | 字段 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | 类型标识（TypeID） | 定义信息对象的具体类型，如单点遥信（1）、双点遥信（3）、遥测（9/11）、SOE（30）、遥控（45/46）等。 |
| 2 | 可变结构限定词（VSQ） | 高位bit7表示是否连续（0=不连续，1=连续），低7位表示信息对象个数。 |
| 3~4 | 传送原因（COT，Cause of Transmission） | 如周期召唤（1）、背景扫描（2）、突发（3）、初始（4）、请求（5）、激活（6）、激活确认（7）等。 |
| 5~6 | 公共地址（Common Address） | 通常为1~2字节，标识RTU或变电站地址，IEC 104支持更大的地址空间。 |
信息对象(可变长)
每个信息对象包含：
信息对象地址（IOA） ：通常3字节，标识该数据点在设备中的唯一ID。
信息元素：根据类型标识不同，信息元素长度和含义各异。例如：
单点遥信：1字节(bit0表示合/分状态，其他位为品质描述)。
双点遥信：1字节(bit1~0：00=不确定，01=分，10=合，11=不确定)。
遥测(归一化值)：2字节(带符号整数，实际值=原始值×系数)。
遥测(标度化值)：2字节。
遥测(短浮点数)：4字节(IEEE 754单精度)。
SOE(带时标的遥信)：时间戳占7字节(CP56Time2a格式)。
品质描述（QDS） ：一般占用1字节，包含是否有效(IV)、是否被取代(SB)、是否被阻塞(BL)等标志。
3. 典型报文示例
以下列举几个核心通信过程的报文结构：
（1）总召唤报文（主站→子站）
I-格式，TypeID=100(总召唤命令)，COT=6(激活)，公共地址=1.信息对象地址=0x000000
（2）总召唤确认（子站→主站）
I-格式，TypeID=100.COT=7(激活确认)
（3）单点遥信上送（子站主动）
TypeID=1.VSQ=0x01(不连续，1个对象)，COT=3(突发)，IOA=0x000001.数据=0x01(合位)，品质描述=0x00
（4）遥控选择/执行（主站→子站）
选择命令：TypeID=45.COT=6.IOA=目标点，SCO=0x81(选择+合)
执行命令：TypeID=45.COT=6.IOA=目标点，SCO=0x01(执行+合)
（5）对时报文（时钟同步）
TypeID=103(时钟同步命令)，COT=6.信息对象为CP56Time2a格式的7字节时间戳
四、IEC 104与IEC 101的核心区别
IEC 104与IEC 101是姊妹标准，但针对不同通信环境进行了适配。下表从多个维度进行对比：
| 对比维度 | IEC 101（IEC 60870-5-101） | IEC 104（IEC 60870-5-104） |
|---|---|---|
| 物理层 | 基于串行通信（RS-232、RS-485），距离受限于串口速率 | 基于以太网、光纤等网络介质，支持LAN/WAN |
| 传输层 | 未指定，依赖串行链路协议（如FT1.2帧格式） | 使用TCP协议，提供可靠端到端传输 |
| 网络层 | 无，通常采用点对点或星形拓扑 | 使用IP协议，支持路由和互联 |
| 报文长度 | 受限于串口速率，报文较短（ASDU最大约253字节但实际受链路限制） | 可利用高带宽网络，ASDU长度可达253字节，且单帧可携带更多对象 |
| 地址范围 | 公共地址和信息对象地址空间较小 | 地址空间更大，适应大规模系统 |
| 连接方式 | 主从半双工/全双工，需处理链路层冲突与重发 | 基于TCP长连接，自动处理重传和确认 |
| 表示层/会话层 | 不适用 | 不适用（均直接跳过） |
| 应用层语义 | 与IEC 104完全相同（ASDU结构一致） | 与IEC 101完全相同 |
| 典型应用 | 电力系统远程监控，通常用于偏远站点或低速链路 | 变电站自动化、调度系统、智能电网等高速网络场景 |
两者的根本差异在于：IEC 101的链路层功能（帧同步、差错控制、重发机制）由协议自身实现，而IEC 104将这些职责完全交给了TCP/IP协议栈，从而大大简化了实现复杂度，并获得了互联网的灵活性和扩展性。因此，IEC 104可以视为IEC 101的“网络化演进版本”。
五、典型应用场景
IEC 104凭借其基于TCP/IP的特点，在现代电力系统中扮演着不可替代的角色。以下列出几个核心应用场景：
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的RTU和智能电子设备(IED)。主站通过周期召唤(总召唤、电度召唤)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。例如，当电网出现潮流越限时，调度员可通过IEC 104快速远程调整变压器分接头或切负荷。
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、电压、功率等遥测量，以及故障指示器信号、开关状态等遥信量上传至配网主站。当线路发生故障时，主站能够快速定位故障区段，并远程遥控分段开关隔离故障、恢复非故障区域供电，从而缩短停电时间。
3. SCADA系统与发电厂监控
作为SCADA系统的核心通信协议，IEC 104实现控制中心对远程终端的数据采集和命令控制。在水电站(如二滩水电站)中，IEC 104用于解决与调度中心的远动通信问题，实现无人值班和高效节能。在发电厂中，它帮助实现对发电机组等设备的远程监视和控制，优化生产过程。
4. 智能变电站与可再生能源
在智能变电站中，IEC 104规约用于实时监测和控制，确保电网稳定运行。随着分布式能源(如光伏、风电)的大规模接入，IEC 104也广泛应用于新能源场站的监控，支持遥测数据的实时上报和调度指令的执行。
六、实施中的常见问题与解决方案
在实际工程部署和运维中，IEC 104通信可能遇到以下几类典型问题：
1. 点位值读取失败(错误码3002)
可能原因：
公共地址(Common Address)或信息对象地址(IOA)配置错误，与实际设备不一致。
数据类型不支持：设备使用了主站不支持的ASDU类型。
设备初始化时间不足：TCP连接已建立，但终端尚未完成初始化(如未发送初始化结束标志)，导致主站过早请求数据。
设备使用非标准数据类型：部分设备厂商可能对ASDU进行扩展或修改，导致互操作性问题。
解决方案：
核对并修正地址配置，建议通过设备互操作性文档确认地址映射。
查看主站/子站通信日志，获取错误的具体ASDU信息，对比标准判断类型是否合规。
适当增加设备初始化等待时间(如TCP连接建立后延迟2~5秒再发送总召唤)。
与设备厂家确认其实现是否遵循标准，必要时添加自定义解析模块。
2. 数据类型不匹配(错误码3007)
可能原因：从设备上报的数据类型与主站配置的数据类型不一致。例如，设备以短浮点数(TypeID=13)上报遥测，但主站配置了归一化值(TypeID=9);或设备上报双点遥信(TypeID=3)，但主站按单点遥信(TypeID=1)解析。
解决方案：
严格依据设备提供的点表配置数据类型。
对于支持多种编码方式的遥测，建议统一采用短浮点数(IEEE 754)以保证精度。
利用协议分析工具(如Wireshark配合IEC 104解析插件)抓取原始报文，手动确认TypeID和元素格式。
3. TCP连接异常断开与重连问题
常见场景：网络抖动导致TCP连接中断，主站与子站序列号不同步，或者子站未正确处理连接复位后的状态机。
解决方案：
主站应实现心跳机制(U-格式TESTFR命令)，定期检测连接活性。
当连接断开后，子站应清空所有待发送的I-格式帧序列号状态，重新等待STARTDT激活。
主站重连后应发送STARTDT命令重新激活应用层连接，并且子站应重置发送/接收序列号计数器。
4. 时钟同步失败
场景：子站时间与主站不同步，导致SOE事件时间戳不准确，影响故障分析。
解决方案：
主站定期(如每小时)下发时钟同步命令(TypeID=103)。
要求子站接收时钟同步命令后立即更新RTC，并回应激活确认。
对于高精度要求(如±1ms)，可考虑使用NTP或IEEE 1588(PTP)作为时钟源，IEC 104仅作为辅助同步手段。
七、网络安全与性能考量
随着IEC 104在关键基础设施中的广泛应用，其安全性日益受到关注。由于IEC 104基于明文TCP传输，缺乏内置加密与认证机制，容易遭受中间人攻击、报文篡改、重放攻击等威胁。建议采取以下加固措施：
- 网络隔离：将IEC 104通信通道部署在专用VPN或MPLS网络中，与公共互联网隔离。
- 认证与加密：在传输层使用TLS对TCP流加密(如IEC 62351定义的传输层安全方案)。
- 入侵检测：在网络中部署针对IEC 104的深度包检测(DPI)设备，监控异常报文(如非法的TypeID、超时的总召唤等)。
- 防火墙规则：仅允许来自白名单IP的TCP 2404端口访问，并限制连接频率。
- 日志审计：记录所有控制操作(遥控、设点)的报文，便于事后追溯。
在性能方面，IEC 104支持长连接模式，主站与子站之间保持持续的TCP连接，可实现低延迟(数十毫秒)的数据刷新。单个连接上可以承载多个ASDU，支持高效的批量数据上送。
八、总结
IEC 60870-5-104规约是电力系统自动化和SCADA领域最重要、应用最广泛的通信协议之一。它继承了IEC 101的应用层语义和数据结构，同时利用TCP/IP网络技术实现了高速、可靠、灵活的远程数据传输。通过理解其五层协议栈结构、三种APDU帧格式、ASDU的详细字段定义以及与IEC 101的差异，可以有效地进行工程配置、故障排查和系统集成。随着智能电网、分布式能源和5G通信的不断发展，IEC 104将继续作为核心协议在电力行业发挥关键作用，同时也需要与时俱进地加强网络安全防护。对于从事电力系统自动化、工业通信或网络安全的技术人员而言，深入掌握IEC 104是不可或缺的专业技能。