IEC 60870-5-104(IEC 104)是国际电工委员会(IEC)制定的一项核心通信标准，它本质上是为广域分布的工业过程(尤其是电力系统)的监控与控制(Telecontrol)而设计的。其全称是“使用标准传输协议集的IEC 60870-5-101的网络访问”，这一定义清晰地揭示了它的本质：它将经典的、基于串行通信的IEC 60870-5-101(IEC 101)规约的应用层功能，嫁接在功能强大的TCP/IP网络传输协议之上。这使得IEC 104成为连接传统工业自动化现场与现代化、网络化、信息化管理系统的关键桥梁，在工业控制领域，特别是电力系统自动化中，扮演着无可替代的角色。
一、 基本定义与核心特性：奠定应用基础
IEC 104规约的核心是将IEC 101的应用层与TCP/IP的传输功能相结合，利用以太网网络实现远动设备和系统间的通信。
网络模型与报文结构：与IEC 101的点到点或多点串行链路不同，IEC 104基于以太网，其网络参考模型为五层：物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。在TCP/IP之上，其报文(APDU)由应用规约控制信息(APCI)和应用服务数据单元(ASDU)两部分组成。其中，ASDU的数据结构和信息体定义与IEC 101完全一致，确保了功能的兼容性，而APCI则替代了IEC 101中的链路规约控制信息(LPCI)，用于管理TCP连接上的报文传输。
客户端-服务器模型：IEC 104采用典型的客户端-服务器(C/S)架构。在典型应用中，控制站(如调度中心、SCADA主站)作为客户端，发起连接和数据请求;而被控站(如变电站、远程终端单元RTU)作为服务器，等待连接并响应请求。这种模型非常适合中心化管理的工业控制场景。
可靠性与冗余：底层TCP协议提供了面向连接的、可靠的数据传输服务，保证了数据的完整性和有序性。标准本身也支持冗余连接的设计，允许多个网络路径或控制站与被控站建立多条连接，以提升系统的整体可用性和容错性。
高效的数据传输：IEC 104支持多种数据触发方式，如“变化数据触发”(Report by Exception)，即只在数据状态变化时才主动上报，极大地减少了网络带宽的占用，尤其适用于点位多、变化不频繁的监控场景。同时，它也支持循环数据上报和总召唤等功能。
二、 在工业控制中的典型应用场景(电力系统)
尽管IEC 104并不局限于电力行业，但它在该领域的应用最为深入和广泛，是国际上最流行的变电站自动化协议之一。其应用场景几乎覆盖了电力生产和输送的全链条：
变电站自动化系统：这是IEC 104最经典的应用场景。变电站内的智能电子设备(IED)，如测控装置、保护装置、变压器分接头控制器等，通过IEC 104协议，将实时的电气量(电压、电流、有功/无功功率)、设备状态(断路器分/合、刀闸位置、保护动作信号)上传至调度主站。调度主站则利用该协议下发遥控、遥调命令，如遥控开关分合闸、调节变压器档位等，实现对变电站的远程监控。典型的拓扑结构中，位于网络一侧的SCADA服务器通过IEC 104协议与多个站端的RTU或IED通信，形成星型或树型的网络架构。
发电厂监控：在火电、水电、新能源(如光伏、风电)等发电厂中，IEC 104用于连接发电机组、升压站等设备至厂级监控系统(SCADA)或上级调度中心，实现发电过程的远程监视、控制和优化管理。
配电自动化（DA） ：在配电网中，IEC 104广泛应用于馈线终端(FTU)、站所终端(DTU)、配变终端(TTU)等自动化终端与配电主站的通信。通过这些终端，主站可以实时监测配电网的运行状态，快速定位和隔离故障，实现馈线自动化，从而减少停电时间，提升供电可靠性。
SCADA主站系统：IEC 104是连接SCADA主站与远程终端单元(RTU)的核心协议之一。它负责采集广域分布的大量数据点，如温度、压力、流量、液位等(在非电力场景下)，并传输控制指令，构成SCADA系统的“血脉”。主站系统通过该协议实现数据采集、报警管理、历史记录、报表生成等高级功能。
三、 与相关协议的比较：突出其独特定位
在工业控制协议丛林中，IEC 104有其明确的定位和优势。与主要竞争或互补协议的对比可以帮助我们更深刻地理解其价值。
| 比较维度 | IEC 60870-5-104 | IEC 60870-5-101 | Modbus (特别是TCP) | DNP3 | IEC 61850 |
|---|---|---|---|---|---|
| 传输层 | 基于TCP/IP网络 (以太网) | 基于串行通信 (RS-232/485) | 基于TCP/IP网络 (Modbus TCP) 或 串行 (Modbus RTU) | 基于TCP/IP网络 (DNP3 LAN/WAN) 或 串行 | 通常基于TCP/IP以太网 |
| 主要优势 | 与现代IT网络无缝集成，支持高速、大数据量、并发通信，设备互联性好 | 技术成熟、简单可靠，适合低速、短距离、点对点的传统通信 | 开放、简单、成本低，是工业自动化领域最普及的“通用语言” | 功能强大、可靠性高，在北美电力市场广泛使用，支持事件记录、时间同步等功能 | 面向对象建模，高度互操作，支持“自我描述”，是智能变电站的“未来”标准 |
| 主要劣势 | 标准未定义安全机制，需依赖外部措施（如IEC 62351） | 通信速率低、距离受限，难以接入大型网络 | 功能相对简单，缺乏标准化的对象模型、时间戳及事件处理机制，安全性差 | 与IEC 104在功能上高度重合，互操作性不如IEC 61850.且主要局限于北美 | 复杂度高，实施成本高，对设备性能和工程能力要求高 |
| 数据模型 | 基于点表地址（IOA），灵活性高但配置复杂 | 同IEC 104.基于点表 | 基于寄存器、线圈等简单数据结构 | 基于数据点，有对象和变化类定义 | 面向对象的、分层的信息模型，如逻辑节点、数据对象等，描述能力强 |
| 安全机制 | 无，需额外安全协议 | 无，需额外安全协议 | 无，非常脆弱 | 有基础的身份验证和加密能力 | 内建强大的安全机制 |
| 应用场景 | 电力行业（SCADA、变电、配电）、部分水处理、油气管道 | 早期电力系统、串行通信环境 | 通用工控（PLC、传感器、执行器）、过程控制、设备级通信 | 北美电力系统、水/污水处理 | 高端变电站、智能电网、分布式能源管理 |
IEC 104 vs. IEC 101：IEC 104是IEC 101的网络化升级，是未来发展的方向。它克服了IEC 101在速度、距离和扩展性上的瓶颈，是实现扁平化、网络化管理的关键。
IEC 104 vs. Modbus：Modbus以其极致的简单性在设备级通信中占据主导。而IEC 104则在需要复杂功能(如时间同步、事件顺序记录、多客户端支持)和标准化管理的系统级应用中，特别是在有严格时间要求的电力行业中，具有绝对优势。
IEC 104 vs. DNP3：两者功能和定位非常相似，可以说是全球两大电力远动协议的竞争。IEC 104在全球(特别是欧洲、中国)市场更受欢迎，而DNP3则盛行于北美。
IEC 104 vs. IEC 61850：IEC 61850是代表了未来智能变电站理念的“高级”协议，它致力于实现设备间的无缝互操作。然而，其高复杂度也带来了高昂的成本和实施难度。IEC 104以其成熟、稳定和相对简单的特性，在现有大量已建的变电站和SCADA系统中扮演着中坚力量，并将在未来很长一段时间内与IEC 61850共存，IEC 61850处理站内过程层和间隔层的高速、复杂通讯，而IEC 104则继续作为站控层与调度主站之间的主流远动通信协议。
四、 网络部署架构与实施效果
IEC 104在工业控制网络中的部署通常遵循标准化的模式，确保可靠性和可管理性。
典型架构：在工业物联网或SCADA的背景下，典型的IEC 104网络是一种分层架构。核心是位于IT网络一侧的中央控制服务器(SCADA Server)，它作为IEC 104的客户端。服务器通过工业以太网(可以是企业网络、专用广域网或公共网络)，与分布在各物理过程现场的多个IEC 104服务器(如RTUs、IEDs)建立TCP连接。RTUs/IEDs负责采集底层传感器和执行器的数据，并作为服务器响应主站的请求。这种架构清晰地将管理面与现场设备面分离，有利于实现集中监控和安全管理。
设备互联：在实际工程中，许多现代保护和控制IED(如ABB的REC615、REX640.SSC600等)都内置了IEC 104协议栈，可以直接与主站通信。对于传统的只支持IEC 101协议的串行设备，可以使用协议转换网关，将其串口数据“桥接”到以太网，封装成IEC 104报文，从而融入现代网络体系。
实施效果：
提升效率：SCADA系统通过IEC 104能实时、高效地采集海量数据，将以往需要人工巡视和设备开环运行的模式，转变为高度自动化的闭环远程控制，显著提升了运营效率。
降低成本：标准化的协议促进了不同厂商设备的互操作，避免了绑定，降低了系统集成的成本和复杂性。同时，基于网络的远程运维能力可以减少现场出差成本，并通过预测性维护减少停机损失。
增强可靠性：底层TCP协议保证了数据传输的可靠性，而冗余网络连接的设计则使系统在单点故障时依旧能稳定运行，极大提升了电力系统的供电可靠性。
五、 技术演进与未来趋势(工业物联网环境下)
随着工业物联网(IIoT)和工业4.0的推进，IEC 104这一传统的工控协议也在不断演进和融入新的生态。
向工业物联网的扩展应用：IEC 104协议的数据可以通过工业网关或边缘计算设备，与IIoT平台对接。在智能设备管理与预测性维护场景中，例如对风力发电机、变压器等昂贵设备的运行参数(振动、温度、油色谱等)进行持续监控，这些数据可以通过IEC 104集中到工厂SCADA，再通过OPC UA或MQTT等协议上传至云端或企业层应用，进行AI分析和预测。这实现了从“单一控制”到“数据驱动优化”的跨越。
与新兴协议的融合：
与OPC UA的融合：OPC UA已成为工业4.0信息交换的关键标准，其强大的数据建模能力和跨平台特性恰好弥补了IEC 104在信息模型上的不足。现代网关和边缘设备可以实现“IEC 104数据映射为OPC UA信息模型”。例如，将变电站内IEC 104传输的“点地址”和“值”，映射到OPC UA中具有语义的“逻辑节点”和“数据属性”上。ABB等厂商的设备内部，也支持将IEC 61850的过程数据对象映射到IEC 104协议，而IEC 61850本身就是一种高度复杂的面向对象模型，这为IEC 104融入更高级的自动化系统提供了路径。
与MQTT的融合：MQTT作为一种轻量级的发布/订阅协议，非常适合在带宽受限或不稳定的网络上(如4G/5G)进行数据传输，是IIoT上云的热门选择。IEC 104的数据可以通过网关转换为MQTT报文，发布到云端IoT平台。信息流向往往是：现场IEC 104设备 -> 协议网关 (IEC 104转MQTT/OPC UA) -> 云端MQTT Broker 或 OPC UA服务器。这种融合利用IEC 104的实时控制优势和MQTT的云连接能力，为分布式新能源场站、楼宇能源管理等场景提供了高效的解决方案。
技术演进方向：
安全性增强：由于最初的IEC 104标准并未包含完整的安全机制，这在现代网络环境中是一个重大风险。为此，IEC发布了配套的安全标准 IEC 62351，专门用于解决IEC 60870-5系列(包括104)和IEC 61850等的身份验证、加密和防重放攻击问题。未来，原生支持IEC 62351的IEC 104设备将成为主流。
与IEC 61850的共存与协同：在未来的智能电网中，IEC 104不会消失，而是会与IEC 61850形成互补。IEC 61850专注于站内的高速、高互操作通信，而IEC 104将继续在广域、成熟的远动通信领域扮演核心角色，两者通过网关或同一IED内的协议栈进行数据交换。
支持更丰富的对象模型：虽然IEC 104本质上仍是基于点表，但通过扩展和映射，未来它将能够更好地描述和传输结构化、带语义的数据，提升其在复杂应用中的互操作性。
结论：
IEC 104远不止是一种通信协议，它是现代工业控制，特别是电力系统自动化领域事实上的“骨干网络”标准。它以成熟稳定、实时可靠、高扩展性的特质，保障着全球数以万计的变电站、发电厂和配电网的远程监控与控制。在工业物联网浪潮下，IEC 104正通过与OPC UA、MQTT等新兴协议融合，并借助安全标准IEC 62351的补强，成功地从一个封闭的工业现场协议，演进为连接传统控制世界与数字化、信息化、云化世界的关键枢纽。对于任何从事工业自动化和能源管理的专业人士而言，深入理解IEC 104都是必备的核心能力。