86(755)-8651 3982
电力系统通信协议 IEC 60870-5-101/104 简介
发布时间：
2025-10-17
在现代电力系统中，信息的实时采集与可靠传输是保障电网安全、高效运行的关键。随着电力自动化和智能电网的发展，通信协议成为连接变电站、调度中心与现场设备的桥梁。其中，IEC 60870-5-101（简称“101协议”）与IEC 60870-5-104（简称“104协议”）是两种常用的标准化通信协议。它们由国际电工委员会（IEC）制定，广泛应用于电力调度自动化系统（SCADA），在全球范围内具有高度通用性和兼容性。
一、协议起源与标准体系
IEC 60870-5 系列标准是专门为**远程监控与控制系统（Telemetry & Telecontrol）**设计的通信标准，主要用于电力、石化、水利等行业的自动化系统。
该系列标准定义了从链路层到应用层的完整通信机制，常见的包括：
- IEC 60870-5-101：基于串行通信的远程控制协议；
- IEC 60870-5-102：用于电能计量；
- IEC 60870-5-103：用于控制与采集协定；
- IEC 60870-5-104：基于以太网的远程控制协议；
其中，101与104协议构成了电力调度自动化的两大支柱，前者面向传统的串行链路场景，后者则面向IP网络与现代以太网架构。
二、101 协议概述：诞生于串行通信时代的经典标准
1. 通信基础
IEC 60870-5-101 发布于1995年，是基于串行通信链路（如RS-232、RS-485或光纤通道）的主从式通信协议。
它通常采用以下通信方式：
- 点对点；
- 多点轮询；
- 主站（Master）与从站（Slave）间的单向或双向数据传输。
其传输速率一般在 300 bps ～ 19200 bps 之间，满足早期电力系统对实时性和稳定性的需求。
2. 协议结构
101协议由以下几层组成：
|
层级 |
功能描述 |
|
物理层 |
串行通信（RS-232/485），采用异步传输 |
|
链路层 |
定义帧格式、地址、校验、应答机制 |
|
应用层 |
定义信息体格式（ASDU），包括遥信、遥测、遥控等数据类型 |
通信以**帧（Frame）**为基本单位。链路层帧用于维护通信可靠性，而应用层帧（ASDU）包含实际业务数据。
例如，一个遥信量上报帧可能包含：
- 类型标识：M_SP_NA_1（单点信息）
- 传送原因：周期上送、突变上送、请求应答等；
- 信息体：表示开关量的状态（开/合）。
3. 特点与优势
- 通信机制简单可靠：采用定长或变长帧结构，便于解析；
- 低带宽环境适应性强：适合串口、微波、电力载波等低速通道；
- 成熟稳定：在变电站、配电站中已广泛部署数十年。
4. 局限性
- 不支持多主通信；
- 传输速率有限，难以应对高频采样或大规模点位；
- 缺乏IP网络兼容性，难以与现代以太网系统互联。
三、104 协议：面向以太网的智能通信标准
1. 诞生背景
随着以太网与TCP/IP在工业自动化中的普及，传统串口通信逐渐无法满足远程调度与广域监控的需求。IEC 在2000年发布了IEC 60870-5-104，在保留101协议应用层结构的基础上，将传输层迁移到TCP/IP网络，实现了电力通信的网络化、远程化与多站点互联。
2. 通信架构
104协议的架构如下：
|
层级 |
技术基础 |
功能 |
|
物理层 |
以太网（Ethernet） |
物理传输 |
|
网络层 |
IP协议 |
网络寻址 |
|
传输层 |
TCP（端口2404） |
连接与可靠传输 |
|
应用层 |
ASDU结构（与101相同） |
数据对象定义 |
换句话说，104协议 = 101协议 + TCP/IP封装。
3. 特点与改进
- 支持多连接与并发通信：一个主站可同时连接多个从站；
- 数据传输效率更高：基于TCP/IP，支持更高带宽；
- 灵活的寻址与远程接入：可跨局域网与广域网部署；
- 支持防火墙、VPN、安全网关等现代安全机制；
- 更易与SCADA、云平台、边缘设备集成。
4. 安全性与可靠性
104协议引入了双向确认机制与序列号控制：
- I格式帧（信息传输）：包含发送与接收序号；
- S格式帧（监督帧）：用于应答与流量控制；
- U格式帧（控制帧）：用于建立、断开、测试连接。
这些机制确保了数据的可靠传输，尤其适用于电力调度这种高可靠性场景。
四、101 与 104 协议的比较
|
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 |
可以看到，104协议在性能和功能上明显优于101协议，但在某些低成本或旧系统中，101仍具生命力。许多网关设备和工业路由器通常同时支持101/104协议转换，以实现新旧系统的平滑过渡。
五、典型应用场景
1. 变电站自动化
- 现场层：RTU、IED设备使用101协议与站控层通信；
- 站控层：通过104协议与调度中心或云端监控系统连接；
- 网关设备：实现101与104的协议转换与数据汇聚。
2. 远程监控系统（SCADA）
在广域电网监控中，104协议可通过专线或VPN网络连接不同站点，实现遥测、遥信、遥控等功能的集中化管理。
3. 工业物联网（IIoT）融合
现代工业通信设备（如5G工业路由器、智能RTU、边缘计算网关）普遍集成101/104协议栈，可通过MQTT、Modbus、IEC104等多协议共存的方式，将电力数据上传至云端平台，实现：
- 电力设备运行状态监测；
- 故障告警推送；
- 历史数据分析与预测性维护。
六、未来趋势：从标准通信到智能互联
在数字化电网与能源互联网时代，101/104协议正在与MQTT、IEC 61850、OPC UA等现代协议并行应用。包括：
- 协议融合：智能网关可在104与MQTT之间双向转发，实现云边协同；
- IPv6与5G融合：通过5G路由器实现IEC104的低延迟远程通信；
- 安全增强：IEC发布了IEC 62351系列安全标准，为104协议提供加密与认证支持；
- 云平台接入：传统SCADA系统正逐步与云端能源管理平台对接，实现大数据分析与AI决策支持。
从串行通信到以太网互联，从局部监控到云端调度，IEC 60870-5-101与104协议见证了电力通信技术的演进。101协议以其稳定可靠的特性，仍然是现场终端与传统RTU的第一选择；而104协议则凭借网络化、标准化和高效性，成为智能电网与远程监控的核心通信标准。
在未来的智能能源系统中，101与104不会被简单取代，而是将继续作为基础通信层协议，与新一代物联网与AI技术协同，共同构建更加高效、安全、智能的电力通信网络。
下一个：