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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：

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：

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

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：

  1. 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；
  2. IPv6与5G融合：通过5G路由器实现IEC104的低延迟远程通信；
  3. 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；
  4. 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的首选；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。