什么是IEC101与IEC104协议转换？

为什么需要IEC101与IEC104协议转换

随着智能电网和工业物联网的发展，电力系统及工业现场对数据通信的要求日益提高。传统的IEC101协议基于串行通信，虽然稳定可靠，但传输速率低、距离受限，难以满足现代大规模、高实时性的数据采集与监控需求。而IEC104协议基于TCP/IP网络，具有传输速率高、覆盖范围广、易于扩展等优势，正逐渐成为主流的远动通信标准。

然而，在实际的工业现场和电力系统中，存在大量仅支持IEC101协议的旧式终端RTU等设备。这些设备无法直接接入基于IP网络的主站系统，导致新旧系统之间难以互联互通，形成了“信息孤岛”。如果为了适应新协议而大规模更换旧设备，将带来巨大的成本浪费和工程实施难度。

如何在保留现有IEC101设备投资的前提下，使其能够无缝接入采用IEC104协议的新型主站系统，实现数据的透明传输和系统的平滑演进，成为一个技术难题。

IEC101与IEC104协议转换功能正是为了解决上述问题而生。它充当了传统串行通信与现代网络通信之间的“桥梁”，通过在网关设备上部署该功能，可以将IEC101设备的串行报文转换为IEC104网络报文上传至主站，同时也能将主站的IEC104控制指令转换为IEC101报文下发给终端设备。这种转换机制实现了异构网络间的无缝对接，既保护了既有设备资产，又提升了系统的整体通信能力和可管理性。

IEC101与IEC104协议转换的典型应用场景

如下图所示，RTU1设备只支持串行接口，需要工业网关将RTU1设备的数据进行IEC101协议到IEC104协议的转换，通过公网回传SCADA数据中心。新部署的RTU2支持IP接口，直接使用IEC104协议。

IEC101与IEC104协议转换示意图

IEC101与IEC104协议转换的工作原理

IEC101连接建立与管理

• IEC101连接建立

  网络设备串行接口都采用半双工的接线方式，故IEC101连接采用非平衡的方式进行通信，网络设备色是IEC101 Master，RTU的角色是IEC101 Slave。IEC104与IEC101协议转换功能开启，并且与IEC104连接处于激活的状态，进行IEC101连接的建立。如下图所示。

  
  IEC101连接建立示意图

  IEC101连接建立主要分为如下六个阶段：

  1. IEC101 Master发送主站请求链路帧。

  2. IEC101 Slave从站响应链路完好。

  3. IEC101 Master发送主站复位链路帧。

  4. IEC101 Slave从站响应肯定认可。

  5. IEC101 Master发送建立链路。

  6. IEC101 Slave从站回应初始化结束。

• IEC101连接管理

  IEC104与IEC101协议转换功能开启，并且网络设备与IEC104连接处于激活的状态，则进行IEC101连接的建立；当没有处于激活状态的IEC104连接时，将启动定时器，如果定时时间到仍然没有激活的IEC104连接，则主动断开所有的IEC101连接。IEC101连接的建立按照RTU的白名单来进行轮询。

• IEC101连接状态切换

  IEC101连接具有如下状态，各状态转换如下图所示。

  • 断链状态（DISCONNECTED）
  • 连接状态（CONNECTED）
  
  IEC101连接状态转换

IEC104建立连接与管理

• IEC104连接建立与断开

  SCADA为IEC104主站（104 Master），网络设备为IEC104从站（104 Slave）。IEC104连接本质就是TCP连接。当IEC101转IEC104功能使能后，如果网络设备上配置了主站IP地址列表，TCP触发建立连接。IEC104连接建立之后，创建IEC104接收与发送队列。

• IEC104连接管理

  设备作为IEC104从站需要执行下面的管理操作：

  • IEC104连接达到最大个数时，拒绝新的连接。
  • 可以接收主站U控制帧切换激活与停止状态。
  • 已经有1个IEC104连接处于激活状态，接收到新的激活控制帧时不回应确认，对于不回复确认的IEC104连接，主站在等超时后执行主动关闭。
• IEC104连接状态切换

  IEC104连接具有如下状态，各状态转换如下图所示。

  • 关闭状态（CLOSED）
  • 未激活状态（UNACTIVATED）
  • 激活状态（ACTIVATED）

IEC104连接状态转换

IEC101与IEC104协议转换

IEC101与IEC104协议转换的核心在于报文格式的映射与转换，主要包括控制域、地址域和应用服务数据单元（ASDU）的处理。转换过程分为两个方向：IEC101转IEC104和IEC104转IEC101。

处理原则：

针对IEC104下行报文，网络设备作为IEC104 Slave，对于不需要下发RTU的，进行本地处理与终结，需要下发RTU的进行协议转换，发送RTU。

针对IEC101上行报文，网络设备作为IEC101 Master，对于不需要上传主站的，进行本地处理与终结，需要上传主站的进行协议转换，上传主站。

IEC101转IEC104流程：

1. 接收IEC101报文：仅转换串口接收的IEC101可变帧报文。对于IEC101固定帧无需转换上报，仅带数据的可变帧需要上报到IEC104主站。

2. 解析报文：提取地址域、控制域等信息，使用设备上已经配置的IEC101主站参数修改对应长度值。

3. 转换APCI：获取本地计数填充收发序号。

4. 转换ASDU：从IEC101可变帧报文获取ASDU信息，处理info-addr-size、trans-cause-size等配置差异，需要进行转换。

5. 发送IEC104报文：将转换后的IEC104 I帧通过TCP连接发送给主站。

IEC104转IEC101：

1. 接收IEC104报文：从TCP连接中接收IEC104报文。

2. 帧识别：如果是S帧，不进行转换处理。

3. U帧处理：仅处理STARTDT act报文，转换为IEC101固定帧。

4. I帧处理：转换为IEC101可变帧，控制域设置为FC=3、PRM=1、FCV=1，地址域从I帧公共地址域获取。

5. 转换ASDU：从I帧报文获取ASDU，处理info-addr-size、trans-cause-size等配置差异，需要进行转换。

6. 发送IEC101报文：将转换后的IEC101报文通过串口发送给从站。