IEC 60870-5-101(以下简称IEC 101)和IEC 60870-5-104(以下简称IEC 104)是国际电工委员会(IEC)制定的电力系统远动通信协议标准，两者均属于IEC 60870-5系列，在电力系统自动化领域具有广泛的应用。尽管它们在应用层功能上高度相似，但在传输机制、网络架构、应用场景等方面存在本质区别。以下将从多个维度进行系统性的对比分析。
一、IEC 101与IEC 104协议基础与标准定位
1. IEC 101协议概述
IEC 101(全称IEC 60870-5-101)是IEC于20世纪90年代初发布的国际标准，广泛应用于能源领域的远程监控和控制。该协议基于增强性能架构(EPA)，仅定义OSI模型的物理层和应用层。在中国，该标准由电力行业标准DL/T 634-2002等同采用。
IEC 101协议专门用于远程控制单元(RTU)之间的通信，支持V24(RS232)或RS485串行通信。其协议栈由五份文件构成，包括传输帧格式、数据链传输服务、应用数据结构、信息元素定义和基本应用功能。
2. IEC 104协议概述
IEC 104(全称IEC 60870-5-104)是IEC 101协议的网络扩展版本，它将IEC 101的应用服务数据单元(ASDU)通过TCP/IP网络进行传输。该协议采用平衡式传输模型，定义I/S/U三种报文格式，支持遥测、遥信、控制命令等37类标准化功能。
IEC 104基于TCP/IP协议套件(RFC 2000)中给出的传输功能进行指定，支持多种网络类型，包括X.25、帧中继、ATM、ISDN、以太网和串行点对点(X.21)。
二、核心区别：传输层与网络架构
1. 传输介质与网络拓扑
IEC 101和IEC 104最根本的区别在于传输层实现方式：
| 特征维度 | IEC 101 | IEC 104 |
|---|---|---|
| 传输方式 | 串行通信（RS-232/RS-485） | TCP/IP以太网通信 |
| 通信端口 | 物理串口（COM口） | TCP端口2404 |
| 网络拓扑 | 点对点或多点连接（多分支） | IP网络（LAN、WAN、VPN） |
| 链路层 | FT1.2帧格式 | TCP协议处理成帧 |
| 错误校验 | 汉明距离4（FT1.2格式） | TCP校验和 |
IEC 101适用于速度较慢、带宽较低的通信环境，通常用于点对点或多点连接，适用于电网中距离较近的设备通信。而IEC 104通过IP网络(局域网、广域网、VPN)实现灵活的网络拓扑结构，包括星型、环型和网状。
2. 帧结构与数据封装
IEC 101采用FT1.2格式，支持可变帧长和固定帧长，确保数据传输可靠。其帧结构包含启动字符、帧长、校验和等字段。
IEC 104在此基础上进行了重大改动：
保留1个启动字符(0x68)
保留1个帧长L
删除：第2个启动字符、第2个帧长L、校验和和结束字符
增加：传输层所需的4个控制字节
这4个控制字节实现了多种控制功能：
U格式：启动(建立关联)、停止(结束关联)、测试等控制功能
S格式：可计数的监视功能
I格式：可计数的信息传输功能
3. 通信模式与传输机制
IEC 101支持两种传输模式：
非平衡式传输：主从式轮询，主站发起通信，从站响应
平衡式传输：支持双向同时发起通信
IEC 101定义了发送/无应答、发送/确认和请求/响应等命令，以及设备操作所需的流量控制。
IEC 104采用平衡式传输模型，采用客户端-服务器架构：
客户端-服务器模式：通过IP网络实现控制中心与远程终端单元(RTU)之间的数据传输
事件驱动模式：消息和值在更改后从从站自发地发送到主站，无需轮询过程
滑动窗口协议：通过发送/接收序号实现数据完整性保障
4. 地址结构与寻址方式
IEC 101的寻址方式相对简单：
链路地址：1-2字节
站地址：根据具体实现
IEC 104的寻址更为复杂和灵活：
IP地址：网络层寻址
ASDU地址：应用层寻址
信息对象地址：数据点级寻址
IEC 104支持大规模可扩展的地址分配，克服了IEC 101地址范围有限的缺点。
三、应用层与数据模型的异同
1. 应用层的本质一致性
IEC 101和IEC 104在应用层上是相同的协议，具有相同的参考数据结构。这意味着：
相同的ASDU(应用服务数据单元)
相同的类型标识符
相同的传输原因码
相同的信息对象格式
正如技术指南所指出的：”如果你了解IEC 101.你就已经了解了数据类型、类型标识符和传输原因码。IEC 104只是改变了帧的传输方式。”
2. 信息对象与数据类型
两者支持相同的信息类型：
单点信息
双点信息
测量值
累计量
控制命令
参数设置
IEC 104对IEC 101的信息类型和编程参数进行了部分限制，例如IEC 104不支持短的3位时间戳。
3. 时间同步机制
IEC 101的时间同步需要手动或命令驱动，主要依靠链路层的同步机制。
IEC 104的时间同步更为先进，支持自动时间同步(如NTP)，具备毫秒级时标记录机制。
四、可靠性与安全性对比
1. 链路层可靠性
IEC 101的链路层具有高可靠性，采用汉明距离4的错误校验机制，确保数据传输的完整性。
IEC 104依赖TCP协议的校验和来保证数据传输的可靠性，同时采用确认机制和超时重传等手段保证数据传输的可靠性。
2. 冗余支持
IEC 101标准本身未定义冗余机制。
IEC 104支持冗余TCP连接，这是其网络通信的一个重要优势。IEC 104支持多设备并发通信，是其最大优势之一。
3. 安全机制
IEC 101的安全机制相对薄弱，主要依赖物理隔离和简单的校验。
IEC 104虽然支持更先进的安全机制(如加密)，但标准本身不内置安全机制。IEC 104通信缺乏安全措施，使其容易受到攻击。为弥补这一缺陷，需要额外加密措施(如IEC 62351)。
IEC 62351-5和IEC 60870-5-7提供了安全技术规范，IEC 62351-100-1规定了安全实现的测试流程。
五、典型应用场景与选型依据
1. IEC 101的典型应用场景
IEC 101适用于以下场景：
老旧或小型系统：以串行通信为主的传统电力系统
距离较近的设备通信：变电站内部或邻近变电站之间的通信
速度要求不高的环境：带宽较低、实时性要求不严格的场景
物理隔离安全性要求：需要物理隔离防止网络攻击的场景
点对点或多点连接：简单的网络拓扑结构
具体应用包括：
常规远动系统
SCADA系统(监控与数据采集)
远程控制单元(RTU)通信
2. IEC 104的典型应用场景
IEC 104适用于以下场景：
现代大型电力系统：广域网络环境下的远程监控和控制
变电站自动化系统：控制中心与变电站之间的通信
配电自动化：远程控制和监控配电网络中的开关、断路器和其他设备
城市轨道交通电力监控：轨道交通系统的电力调度和监控
调度自动化系统：电力调度中心的远程控制和数据采集
IEC 104在现代电力系统中起着关键作用，有助于提高电网的稳定性和可靠性。
3. 选型依据
在实际工程选型时，应考虑以下因素：
现有基础设施
已有串行通信线路：优先考虑IEC 101
已有网络基础设施：优先考虑IEC 104
通信距离
短距离(数公里内)：IEC 101可行
长距离(跨区域)：必须使用IEC 104
数据量需求
小数据量：两者均可
大数据量：优先考虑IEC 104
实时性要求
高实时性：IEC 104的滑动窗口协议和事件驱动模式更具优势
安全性要求
物理隔离可接受：IEC 101足够
需要高级安全：IEC 104需配合IEC 62351使用
可扩展性
未来需要扩展：优先选择IEC 104
设备兼容性
现有设备仅支持串行：IEC 101
设备支持以太网：IEC 104
六、互操作性与标准化
1. 互操作列表
两个标准均通过互操作列表确保不同厂商设备的兼容性。互操作性列表定义了设备的可用功能和传输原因，控制中心可通过该列表配置通信。
2. 版本差异
IEC 104分为97版和02版，主要区别在于通信容量。中国电力行业标准DL/T 634-2002等同采用IEC 60870-5-101:2002.
3. 与其他协议的关联
IEC 101和IEC 104是IEC 60870-5系列标准的一部分，该系列还包括：
IEC 102：用于电能采集终端与EMS接口
IEC 103：用于变电站设备
IEC 61850：电力系统自动化全球通用标准，实现智能变电站工程标准化
这些协议之间无法完全兼容，必须经过协议转换才能互相连接起来。
七、发展趋势
随着电力系统自动化的不断发展，IEC 104正在逐步取代IEC 101成为主流通信协议。IEC 104在性能、可扩展性、安全性与智能化方面显著优于IEC 101.更符合当前电力系统自动化与信息化的发展需求。
然而，IEC 101仍然在大量老旧系统中存在，并将在可预见的未来继续使用。在实际工程中，常采用IEC 101与IEC 104结合的方式，以保证通信的标准化和可靠性。
总结
| 维度 | IEC 101 | IEC 104 |
|---|---|---|
| 发布年份 | 1990年代 | 1990年代（作为扩展） |
| 传输介质 | RS-232/RS-485串行 | TCP/IP以太网 |
| OSI模型层次 | 物理层+应用层 | 网络层+传输层+应用层 |
| 帧格式 | FT1.2 | APCI+ASDU |
| 通信模式 | 非平衡/平衡 | 客户端-服务器 |
| 拓扑结构 | 点对点/多点 | 星型/环型/网状 |
| 地址范围 | 有限（1-2字节） | 可扩展（IP+ASDU） |
| 时间同步 | 手动/命令驱动 | 自动（NTP） |
| 安全机制 | 物理隔离 | 需结合IEC 62351 |
| 应用层 | 相同 | 相同 |
| 适用场景 | 老旧/小型系统 | 现代/大型系统 |
| 发展趋势 | 逐步淘汰 | 主流协议 |
上述对比表明，IEC 101和IEC 104本质上是同一应用层协议在不同传输介质上的实现，其核心区别在于IEC 104将IEC 101成熟的远动数据模型移植到了TCP/IP网络环境中，从而获得了更强的网络适应性和扩展能力。在实际应用中，应根据具体项目需求、现有基础设施和未来发展规划进行合理选择。