IEC104协议与示例解析以及模拟工具的使用

一、IEC 104协议概述

1. 什么是IEC 104协议

IEC 60870-5-104，简称IEC 104，是国际电工委员会（IEC）制定的用于电力系统远程控制和监视的通信协议，继承了IEC 60870-5-101协议的应用层，适用于广域网环境。
从IEC 101到IEC 104的演进 ：
- IEC 60870-5-101（IEC 101）：基于串行通信，适用于点对点或多点的远动通信。
- IEC 60870-5-104（IEC 104）：基于TCP/IP的网络通信，适应了现代网络的发展需求。

2. IEC 104的定位

应用层协议：定义了应用数据的格式和传输方式。
传输层协议：利用TCP/IP协议栈，实现可靠的数据传输。
面向广域网的远动通信：适用于电力系统中主站与子站之间的远程数据交换。

3.IEC 104协议的技术特点

长连接机制：维持客户端和服务器之间的持续连接，提高了通信效率。
数据优化：采用ASDU（应用服务数据单元）结构，支持批量数据传输，减少了通信开销。
支持遥测、遥信、遥控、遥调等多种功能，满足电力系统的多样化需求。

二、IEC 104协议的主要功能

1.遥信（状态信息的传输）

遥信是指将远程设备的状态信息（如开关状态、告警信号）通过通信网络传送到控制中心，以便监视和记录。

应用场景：
- 开关状态监视：实时监测断路器、隔离开关等设备的合分状态。
- 故障报警：当设备出现故障或异常时，立即上报告警信息。
特点：
- 及时性：状态变化需要及时上报，便于控制中心快速做出响应。
- 可靠性：信息传输必须准确无误，避免误报和漏报。
信息类型：
- 单点信息（SPS）：表示单个状态量，如开/关。
- 双点信息（DPS）：表示设备具有两种互斥的状态，如合位、分位、异常。

2. 遥测（测量值的传输）

遥测是指将远程设备的运行数据（如电压、电流、功率等测量值）通过通信网络传送到控制中心，用于监测和分析。

应用场景：
- 电参量监测：实时获取电压、电流、有功功率、无功功率、频率等关键参数。
- 环境参数监测：获取设备环境的温度、湿度、压力等数据。
特点：
- 连续性：需要持续、定期地传输数据，形成时间序列。
- 准确性：测量数据需满足一定的精度要求，以保证分析的可靠性。
数据类型：
- 模拟量（测量值）：连续变化的物理量，通常以浮点数或定点数形式传输。
- 计数器值：如电能表读数，用于计量和结算。

3. 遥调（远方参数的调整）

遥调是指控制中心对远程设备的运行参数进行调整，如改变设定值、调节运行模式等。

应用场景：
- 电压调节：调整变压器的分接头位置，改变输出电压。
- 无功功率补偿：调节电容器组的投入或切除，优化电网功率因数。
- 频率控制：通过调整发电机的出力，维持电网频率稳定。
特点：
- 精确性：参数调整需要精确到一定的数值范围。
- 安全性：参数调整可能影响电网运行，需要严格的审批和确认流程。
实现方式：
- 设定值下发：控制中心下发新的参数设定值，设备接收后进行调整。
- 参数查询：可以远程读取设备当前的参数设定，以便做出合理调整。

4. 遥控（控制命令的下发）

遥控是指从控制中心（如调度中心或主站）通过通信网络向远程设备（如变电站的开关设备）发送控制命令，以实现对设备的远程操作。

应用场景：
- 断路器合闸/分闸：远程控制断路器的开启或关闭，调节电力线路的通断。
- 设备启停：远程启动或停止发电机、变压器等大型设备。
特点：
- 安全性高：为了防止误操作，通常采用选择-执行（Select-Before-Operate）的两步控制方式。
- 实时性要求高：需要及时响应控制命令，以保障电网的安全稳定运行。
实现方式：
- 选择命令：先发送选择命令，确认目标设备和操作类型。
- 执行命令：收到设备确认后，再发送执行命令，完成实际操作。
- 确认机制：设备执行后反馈执行结果，供控制中心确认。

三、IEC 104协议的结构

在104协议中ADPU是核心概念，APDU（Application Protocol Data Unit，应用协议数据单元）是用于在电力系统和工业自动化系统中的远程终端设备（RTU）与控制中心（SCADA 系统）之间传输数据的基本单元。APDU 由两部分组成：APCI（Application Protocol Control Information，应用协议控制信息）和 ASDU（Application Service Data Unit，应用服务数据单元）。APDU 的结构和功能确保了数据传输的可靠性和有效性。

104协议根据控制字段的不同，可以分为三种类型的数据帧：

I 帧（信息帧，Information Frame）：

用于传输实际的数据。

包含发送序列号（N(S)）和接收序列号（N(R)）。

S 帧（监视帧，Supervisory Frame）：

用于控制流量和确认数据接收。

仅包含接收序列号（N(R)）。

U 帧（无编号帧，Unnumbered Frame）：

用于控制和管理命令，如连接建立和释放。

包含具体的控制命令码。

1. ACPI（应用协议控制信息）

包含控制数据传输的控制信息，包括启动字符、APDU 长度和控制字段等，具体结构如下：

启动字符（Start Character） ：固定值 0x68，表示 APCI 的开始。

APDU 长度（APDU Length）：表示整个 APDU（包括 APCI 的控制字段和 ASDU）的长度，最大为253字节。

控制字段（Control Field）：由四个字节组成，包含不同类型的控制信息，具体格式取决于帧的类型（I 帧、S 帧、U 帧）。

I 帧的控制字段如下图所示：

I 帧控制字段分为发送序列号和接收序列号，序列号有15位，其中低字节的最低位为0，可表示的最大序列号为65535。

S 帧的控制字段如下图所示：

S 帧没有发送序列号，只有接收序列号，但是 S 帧的第一个字节最低位为1。S 帧只有 ACPI，没有 ASDU。

U 帧的控制字段如下图所示：

U 帧只有第一个字节的高6位有效，用来表示对应的控制指令。一般都是先发生效，然后回复确认，U 帧也是只有 ACPI，没有 ASDU。

2. ASDU（应用服务数据单元）

包含实际的应用层数据和相关的控制信息，包括类型标识符、可变结构限定符、传输原因、公共地址和信息对象等，具体结构如下：

类型标识符（Type Identifier, TI）：标识 ASDU 的类型，指示所传输的数据或命令的种类。一个字节，类型有单点信息、标度化测量值等，每种类型其信息对象所占用的字节个数不一样。

可变结构限定符（Variable Structure Qualifier, VSQ）：指示 ASDU 中信息对象的数量以及相关的属性。一个字节，其中最高位表示位为1表示信息对象的地址连续，只有第一个信息对象有地址，其他对象的地址就是累加1。最高位为0，就表示每个信息对象地址不连续，需要表示出来，除去最高位后剩下的就是信息对象的个数

传输原因（Cause of Transmission, COT）：描述数据传输的原因，如周期性传输、背景扫描、响应命令等。一个字节。

原始地址(Originator Address, ORG): 可选，一般默认为0。一个字节。

公共地址（Common Address of ASDU）：表示发送或接收设备的地址。两个字节。

信息对象（Information Object）：包含实际的数据或命令，包括信息对象地址和数据元素等。信息对象的个数根据可变结构限定符的低7位来决定，每个信息对象都有地址，3个字节。如果是信息对象地址是连续的，只需要表示第一个信息对象地址即可，不连续则每个信息对象地址都需要表示，具体看后面的示例解析。

四、IEC 104协议示例解析

需要说明一下104一般是小端模式，也就是低位字节放在低地址，也就是前面。

S 帧：

这是一个 S 帧的具体内容以十六进制表示。

0x68是起始符号，0x04表示整个 S 帧的长度是4个字节。

0x0001是 S 帧固定格式，0x0060表示接收序列号，是96但是需要除2，因为最低位固定为0，所以是接收到了48个帧。

U 帧：

U 帧有三种，分别为启动、停止和测试。

这是一个启动命令 U 帧的具体内容。

0x68是起始符号，0x04表示整个 U 帧的长度是4个字节。

0x07使用二进制表示是0 0 0 0 0 1 1 1，低二位固定为1不用管，第三位置1表示一个启动命令。

发送了启动 U 帧，需要应答一个确认 U 帧。

0x68是起始符号，0x04表示整个 U 帧的长度是4个字节。

0x0B使用二进制表示是0 0 0 0 1 0 1 1，低二位固定为1不用管，第四位置1表示一个确认启动命令。

I 帧：

这是一个单点信息类型 I 帧的具体内容。

0x68是起始符号，0x1E表示整个 I 帧的长度是30个字节。

0x0010是发送序列号，表示发送了8个 I 帧，0x0002是接收序列号，表示接收到了1个 I 帧。

0x01是类型标识符，表示为单点信息。

0x91是可变结构限定符使用二进制表示为1 0 0 1 0 0 0 1，最高位为1表示信息对象的地址是连续的，剩下的7位为信息对象的个数，也就是有17个信息对象。

0x03是传输原因，具体意思为突发，传输原因有很多，具体看文章末尾的参考链接。

0x00是原始地址，一般默认为0。0x0001是公共地址，按照自己的需求设置。

0x0000001是信息对象地址，表示第一个信息对象的地址为1，后面的信息对象地址依次连续递增，第二信息对象地址为2等等。

0x00是第一个信息对象的具体内容，也就是传输的数据，0x01的第二个信息对象的具体内容，......，0x01是最后一个信息对象的内容，也是第十七个信息对象。

这个 I 帧也是单点信息类型，其他的字段就不解释，来解释一下不一样的。

可变结构限定符是第八个字节0x02使用二进制表示0 0 0 0 0 0 1 0，最高位为0表示信息对象的地址不连续，剩下7位表示有2个信息对象。

0x000015是第一个信息对象0x00的地址，0x000016是第二个信息对象0x00的地址，这里由于特殊原因两个信息对象的地址还是连续递增，但是实际上这两个信息对象的地址是可以随便设置的，没有关系，所以每个信息对象的地址需要写在 I 帧中。

这个 I 帧是标度化测量值类型，主要区别是第7个字节类型标识符是0x0B，在0x004013信息对象地址后，每个信息对象的内容使用3个字节，不像单点信息是1个字节。例如，0x007C+0x00这三个字节其中前两个字节是信息对象的具体值，后面这个字节是信息对象标度化值的质量描述(QDS)。

质量描述（QDS）位分配：

QDS 是一个 8 位（1 字节）数据结构，各位的含义如下：

位	名称	含义
7	IV（无效位）	1 表示数据无效，0 表示数据有效
6	NT（非当前位）	1 表示数据不是当前值，0 表示数据是当前值
5	SB（替代位）	1 表示数据为替代值，0 表示数据为实际测量值
4	BL（阻塞位）	1 表示数据被阻塞，0 表示数据正常
3-0	RES（保留位）	通常填充 0 或其他定义的状态位

常见的填充值：

所有质量描述位为 0 ：即 0x00，表示数据是有效的、当前的、正常的实际测量值，没有替代或阻塞状态。这个值通常用于没有特殊质量状态的正常数据。

设置无效位（IV） ：0x80 表示数据无效。常用于传输数据时表示该数据当前不可用或不可信。

设置阻塞位（BL） ：0x10 表示数据被阻塞。常用于表示该数据由于某种原因被锁定或不可更改。

设置替代位（SB） ：0x20 表示数据是替代值而非实际测量值。用于系统维护或测试阶段时的数据替代。