4、数据采集协议（IEC 101）：IEC 60870-5-101规约解析、链路层与应用层帧结构、平衡式与非平衡式传输、遥测/遥信/遥控报文实例
各位同学，今天我们来啃一块硬骨头——IEC 60870-5-101规约。
说实话，我刚入行那会儿，看到101规约的报文头都大了。一堆十六进制数，什么启动字符、长度、控制域……完全不知道在干嘛。后来在台区现场调设备，被一个老前辈带着抓包分析，才慢慢摸到门道。
其实101规约没那么神秘。它就是电力系统里，用来让主站和终端（比如TTU）对话的一套规则。说白了，就是规定好“你说一句，我回一句”，谁先说、说什么、怎么说，都得按规矩来。
4.1 101规约到底在解决什么问题？
你想想看，一个台区下面挂了几十台TTU，主站要轮询采集数据。如果没有统一标准，A厂家的TTU说“我电压是220V”，B厂家的说“电压220”，主站怎么识别？
101规约就是干这个的。它定义了：
- 物理层：怎么连？RS-232还是RS-485？波特率多少？
- 链路层：怎么传？帧结构长啥样？怎么保证不丢包？
- 应用层：传什么？遥测数据、遥信状态、遥控命令，各自长啥样？
我在一个老旧台区改造项目里遇到过，某厂家TTU的101实现不规范，主站发个遥控命令下去，终端没响应。最后抓包一看，链路层的地址字段少了一位。嗯，这种坑踩过一次就记住了。
4.2 链路层帧结构——报文长啥样？
101规约的链路层，帧结构分两种：固定帧长和可变帧长。
固定帧长用于简单的确认/否认应答，比如主站发个“召唤链路”，终端回个“确认”。可变帧长用于传输实际数据，比如遥测值、遥信状态。
4.2.1 固定帧长格式
固定帧长就10个字节，结构如下：
启动字符(68H) | 长度(4) | 控制域(C) | 链路地址域(A) | 帧校验和(CS) | 结束字符(16H)注意：这里的长度固定为4，指的是控制域、地址域、校验和这三个字节的长度之和。我刚开始学的时候，老觉得这个长度定义很奇怪，后来才明白，这是为了接收端能快速判断帧是否完整。
4.2.2 可变帧长格式
可变帧长用于传输应用层数据，结构稍微复杂点：
启动字符(68H) | 长度(L) | 长度(L重复) | 启动字符(68H) | 控制域(C) | 链路地址域(A) | 链路用户数据(可变) | 帧校验和(CS) | 结束字符(16H)这里有个细节：长度L出现了两次。为什么？为了冗余校验。接收端收到后，会对比两个L是否一致，不一致就说明传输有误，直接丢弃。我在现场调试时，就靠这个机制抓出过好几回串口干扰导致的数据错位。
核心要点：链路层的核心任务就是“可靠传输”。通过启动字符、长度校验、帧校验和，确保应用层数据能完整无误地从A点传到B点。
4.3 应用层帧结构——数据怎么组织？
链路层把数据包完整传过去了，接下来应用层就要解析里面的内容。应用层的结构，我习惯把它想象成一个“信封”：
- 数据单元标识：告诉接收方，这包数据是什么类型（遥测？遥信？遥控？）
- 信息体：具体的数据内容，比如遥测值、遥信状态、遥控命令等
4.3.1 数据单元标识
它包含三个关键字段：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| 类型标识 | 1字节 | 比如0x09表示遥测，0x01表示遥信，0x2D表示遥控 |
| 可变结构限定词 | 1字节 | 表示后面有几个信息体，以及是否连续 |
| 传送原因 | 2字节 | 比如0x03表示“突发”，0x06表示“激活” |
我记得有一次，主站一直收不到某台TTU的遥测数据。排查了半天，发现是类型标识填错了。TTU发的是0x09（遥测），但主站期望的是0x0A（带品质描述的遥测）。这种小细节，文档里不写清楚，现场就得折腾半天。
4.4 平衡式与非平衡式传输
这个知识点，说白了就是“谁先说话”的问题。
- 非平衡式：主站说了算。主站问，终端答。主站不问，终端不能主动说。这种模式简单，适合轮询采集。
- 平衡式：双方都能主动发起通信。终端有突发数据（比如遥信变位），可以主动上报。这种模式效率高，但实现复杂。
我在一个大型台区项目里，用的是非平衡式。因为终端数量多（上百台），主站轮询一圈下来，周期已经很长了。如果再用平衡式，终端同时上报，冲突概率大增。你想想看，串口是半双工的，同时发数据不就乱套了？
我的建议：终端数量少（比如10台以内），可以用平衡式，实时性好。终端数量多，老老实实用非平衡式，稳定第一。
4.5 遥测/遥信/遥控报文实例
光讲理论没意思，咱们直接看报文。下面是我从一个实际项目中抓到的报文，我做了脱敏处理。
4.5.1 遥测报文（主站召唤，终端应答）
主站发送（召唤遥测）：
68 04 07 01 0C 16解析：
- 68：启动字符
- 04：长度（固定帧长）
- 07：控制域（召唤命令）
- 01：链路地址（终端地址）
- 0C：帧校验和
- 16：结束字符
终端应答（遥测数据）：
68 0E 0E 68 08 01 09 01 03 01 01 00 00 00 D8 16解析：
- 68 0E 0E 68：可变帧长头部，长度0E（14字节）
- 08：控制域（确认应答）
- 01：链路地址
- 09：类型标识（遥测）
- 01：可变结构限定词（1个信息体）
- 03 01：传送原因（突发）
- 01 01：信息体地址（遥测点号1）
- 00 00：遥测值（这里为0，实际项目中可能是电压、电流等）
- D8：帧校验和
- 16：结束字符
4.5.2 遥信报文（变位主动上报）
终端主动上报（遥信变位）：
68 0C 0C 68 53 01 01 01 03 06 01 01 01 16解析：
- 53：控制域（平衡式下，终端主动上报）
- 01：类型标识（遥信）
- 01：可变结构限定词（1个信息体）
- 06 01：传送原因（激活确认）
- 01 01：信息体地址（遥信点号1）
- 01：遥信值（1表示合闸，0表示分闸）
注意：遥信变位报文，传送原因通常是“突发”（0x03）或“激活确认”（0x06）。如果主站没收到这个报文，终端可能会重发。我曾经遇到过终端重发次数设置不合理，导致主站收到重复报文，误判为多次变位。解决方案是主站做去重处理，或者终端设置合理的重发次数。
4.5.3 遥控报文（主站下发，终端执行）
主站下发（遥控选择）：
68 0C 0C 68 07 01 2D 01 06 01 01 01 81 16解析：
- 2D：类型标识（遥控）
- 06：传送原因（激活）
- 01 01：信息体地址（遥控点号1）
- 81：遥控命令（0x81表示“合”，0x01表示“分”）
终端应答（遥控确认）：
68 0C 0C 68 08 01 2D 01 07 01 01 01 81 16解析：
- 07：传送原因（激活确认）
- 其他字段与主站下发一致
这里有个关键点：遥控必须“先选择，后执行”。主站先发一个“选择”命令，终端确认后，主站再发“执行”命令。这是为了防止误操作。我在一个变电站调试时，就因为跳过了“选择”步骤，直接发“执行”，结果终端直接拒收。嗯，安全机制，必须遵守。
4.6 避坑指南
最后，分享几个我踩过的坑：
- 链路地址别搞错：主站和终端的链路地址必须一致。我曾经因为地址写错，折腾了一下午才发现。
- 帧校验和要算对：101规约的校验和是从控制域开始，到链路用户数据结束，所有字节累加，取低8位。别漏了。
- 超时时间要合理：主站发完命令后，要等终端应答。超时时间设太短，终端还没处理完，主站就重发了，导致重复报文。我一般设500ms到1s。
- 平衡式慎用：平衡式虽然效率高，但实现复杂。如果终端数量多，建议用非平衡式，稳定压倒一切。
好了，101规约的核心内容就这些。下一章我们讲104规约，它是101的网络版，应用更广泛。但101的基础打牢了，104学起来就轻松多了。