IEC 60870-5-101 frente a IEC 60870-5-104

IEC 60870-5-101 e IEC 60870-5-104 son los protocolos de telecontrol que los operadores de red y las eléctricas emplean entre los centros de control y las estaciones remotas: RTU en subestaciones, parques eólicos y solares, baterías y grandes cargas. IEC 101 funciona sobre enlaces serie. IEC 104 transporta mensajes de aplicación similares por TCP/IP, normalmente por el puerto 2404. Muchas subestaciones usan IEC 61850 dentro de la estación y reservan IEC 104 para la conexión con el centro de control.

Las listas de puntos se parecen, pero las codificaciones difieren en tres aspectos importantes para una adaptación: la capa de enlace, el tamaño de los campos de dirección y las marcas temporales admitidas.

Normas y ediciones

La publicación vigente de IEC 101 es IEC 60870-5-101:2003+AMD1:2015, edición consolidada 2.1. La de IEC 104 es IEC 60870-5-104:2006+AMD1:2016, edición consolidada 2.1, que incluye la corrección de agosto de 2023.

Cada equipo tiene una lista de interoperabilidad: una lista de comprobación de la norma que indica las opciones implementadas. Obtenga las listas de ambos extremos antes de redactar la lista de puntos. Compare primero estos elementos; una discrepancia en cualquiera impide que los extremos se entiendan:

• transmisión equilibrada o no equilibrada (IEC 101);
• número de bytes de la dirección de enlace, la causa de transmisión, la dirección común y la dirección de objeto (IEC 101);
• tipos con marca temporal que el equipo envía y acepta;
• órdenes que acepta con marca temporal y si usa selección antes de ejecución.

Comparación

La norma fija los tamaños de campo de IEC 104. Algunos productos permiten cambiarlos; un equipo configurado así deja de ser interoperable con una estación IEC 104 estándar.

Cómo transmite datos IEC 101

IEC 101 usa tramas FT1.2. Una trama de longitud fija solo lleva un campo de control y una dirección de enlace, y sirve para funciones de enlace como una consulta. Una trama de longitud variable lleva una ASDU. El carácter único 0xE5 es una confirmación positiva.

En modo no equilibrado, la estación de control es la única estación primaria. Consulta a cada estación remota por turno; esta solo envía cuando se le solicita. Los datos se dividen en clase 1 (alta prioridad, normalmente eventos) y clase 2 (baja prioridad, normalmente valores cíclicos). La estación remota activa el bit ACD de su respuesta cuando tiene datos de clase 1 pendientes, y la estación de control los solicita. Este modo funciona en una línea multipunto con varias estaciones remotas.

En modo equilibrado, cualquiera de los extremos puede iniciar una transferencia, por lo que una estación remota envía un evento en cuanto ocurre. Se limita a enlaces punto a punto o múltiples enlaces punto a punto.

En una línea multipunto, el ciclo de consultas determina la latencia. FT1.2 transmite 11 bits por carácter; a 9.600 bit/s, la respuesta de 19 bytes del ejemplo siguiente ocupa unos 22 ms en la línea. Cada consulta añade una petición de 5 bytes, dos cambios de sentido y el tiempo de respuesta de la estación remota. Un evento espera hasta que la estación de control llegue a esa estación en el ciclo. Si cada intercambio dura 60 ms, incluidos los cambios de sentido, una línea con 30 estaciones remotas completa un ciclo en unos 1,8 s.

Cómo gestiona IEC 104 una conexión

Cada trama IEC 104 (APDU) empieza con un APCI de 6 bytes: byte inicial 0x68, un byte de longitud que cuenta el resto de la trama y cuatro bytes de control. La APDU máxima es de 255 bytes. Hay tres formatos:

• Las tramas I transportan una ASDU, con un número de secuencia de envío N(S) de 15 bits y otro de recepción N(R) de 15 bits.
• Las tramas S solo llevan N(R), para confirmar tramas I cuando no hay datos que devolver.
• Las tramas U llevan STARTDT y STOPDT, que inician y detienen la transferencia de datos, y TESTFR, que comprueba un enlace inactivo.

Una conexión TCP nueva empieza en estado STOPDT con ambos números de secuencia a cero. La estación controlada no envía tramas I hasta recibir STARTDT act y responder STARTDT con.

IEC 60870-5-104 establece estos valores predeterminados:

Si llegan menos de w tramas, el receptor espera hasta t2 antes de enviar una trama S. Por tanto, la confirmación llega al emisor después de t2 más el tiempo de tránsito. Con los valores predeterminados quedan 5 s para el trayecto de ida y vuelta antes de que t1 cierre la conexión. Un enlace móvil con 1 s de ida y vuelta entra en ese margen; uno que se atasca más de 5 s bajo carga, no. El síntoma es una conexión que se cierra y reabre durante ráfagas de eventos. Aumente t1 o reduzca t2 para que t1 supere t2 más el peor tiempo de ida y vuelta medido. Cambie los valores en ambos extremos a la vez.

Conexiones redundantes

Una estación controlada puede aceptar más de una conexión TCP, por ejemplo, de un centro de control principal y otro de reserva. Las conexiones forman un grupo de redundancia con una sola cola de eventos; solo una conexión del grupo está activa (en STARTDT) en cada momento. Al cambiar al centro de reserva, los eventos enviados pero no confirmados en la conexión antigua deben permanecer en la cola. Si la cola se llena, lib60870, por ejemplo, elimina el evento más antiguo y conserva el nuevo. Acuerde la profundidad de la cola con el operador y pruebe un cambio durante una ráfaga de eventos.

Una medida en ambos enlaces

Este ejemplo transmite una exportación de potencia activa de 12,5 MW como flotante corto, tipo 13 (M_ME_NC_1), causa 3 (espontánea), dirección común 1 y dirección de objeto 4001 (0x0FA1).

En IEC 104, como trama I N(S) = 5, N(R) = 3:

68 12 0A 00 06 00  0D 01 03 00 01 00 A1 0F 00  00 00 48 41 00
APCI               cabecera y dirección ASDU  valor      QDS

El byte de longitud 0x12 (18) cuenta los cuatro bytes de control y los 14 de la ASDU. Los bytes de control contienen N(S) y N(R) desplazados un bit a la izquierda: 5 pasa a 0x0A y 3 a 0x06. El campo de causa tiene 2 bytes (03 00: causa 3, dirección de originador 0). La dirección común tiene 2 bytes (01 00) y la de objeto 3 (A1 0F 00). El valor 12,5 es el número IEEE 754 de precisión simple 0x41480000, transmitido primero por el byte menos significativo. QDS 0x00 indica buena calidad.

En IEC 101, en modo no equilibrado, con dirección de enlace de 1 byte (5), causa de 1 byte, dirección común de 1 byte y dirección de objeto de 2 bytes, el mismo valor se transmite como respuesta a una petición de clase 1:

68 0D 0D 68  08 05  0D 01 03 01 A1 0F  00 00 48 41 00  58 16
cabecera     C  A   cabecera y dirección ASDU  valor  QDS  CS fin

Aquí la ASDU ocupa 11 bytes, frente a 14 en IEC 104. Un convertidor debe reconstruir cada ASDU con los tamaños de campo del otro protocolo. No puede limitarse a reenviar los bytes.

Un túnel no es un convertidor

Un servidor de dispositivos serie puede transportar un flujo de bytes IEC 101 a través de una red TCP. Ambos extremos siguen hablando IEC 101, con tramas FT1.2 y consultas IEC 101. La biblioteca de MZ Automation documenta este transporte por túnel separado de IEC 104. El centro de control necesita un maestro IEC 101 capaz de usar una conexión TCP. Un cliente IEC 104 no entiende ese flujo.

El túnel también añade latencia de red a cada consulta y respuesta. Los temporizadores del enlace IEC 101 del maestro deben admitirla; de lo contrario, declarará fallida la estación remota.

Un convertidor de protocolos implementa ambas normas. Consulta o recibe IEC 101 en el lado de la RTU, ejecuta un servidor IEC 104 en el lado de red y mapea cada punto.

La marca temporal exige especial cuidado. CP24Time2a solo contiene milisegundos (de 0 a 59.999) y minutos (de 0 a 59). El convertidor añade hora y fecha, normalmente desde su propio reloj. Un evento ocurrido a las 10:59:59,8 que llega al convertidor a las 11:00:00,3 recibe una hora errónea salvo que el convertidor compare los minutos de la marca con su propia hora. Sincronice los relojes de la RTU y el convertidor y pruebe el cambio de hora.

Pruebe estos fallos:

El acuerdo sobre la aplicación

Ambas normas requieren una lista de puntos aprobada por las partes y la lista de interoperabilidad de cada extremo. Para cada punto, la lista indica:

• identificación de tipo, por ejemplo M_ME_NC_1 (13) para un flotante corto o M_ME_TF_1 (36) para un flotante corto con marca CP56Time2a;
• dirección común y dirección de objeto de información;
• unidad, escala y convención de signo, por ejemplo exportación positiva;
• causas de transmisión utilizadas por el punto: espontánea (3), periódica (1) o solicitada por interrogación general (20);
• para las órdenes, tipo (por ejemplo C_SC_NA_1, 45, o C_SC_TA_1, 58, con marca temporal), uso de selección antes de ejecución o ejecución directa, y punto que informa del resultado.

Acuerde la fuente del reloj. El centro de control puede ajustar el reloj de la estación remota con C_CS_NA_1 (103), o ambos extremos pueden usar NTP. Acuerde qué ocurre al arrancar y tras perder una conexión. Una interrogación general devuelve los valores actuales. Los eventos ocurridos durante un corte solo se recuperan si la estación remota los almacena. La guía de ASDU explica los campos; la guía de marcas temporales, las marcas y la calidad; y la guía de órdenes, la secuencia de control.

Seguridad

Los protocolos básicos no autentican al otro extremo ni cifran los datos. Hay dos ampliaciones normalizadas:

• IEC 62351-3 es un perfil TLS para protocolos TCP/IP. IANA registra el puerto TCP 19998 para IEC 104 seguro.
• IEC TS 60870-5-7:2025 aplica a IEC 101 e IEC 104 la autenticación de capa de aplicación de IEC 62351-5. Permite verificar que una ASDU procede de un usuario autorizado y no se ha modificado.

Pregunte cuáles implementa el equipo y pruébelas durante la puesta en servicio. Si no implementa ninguna, la protección depende de la red: circuito o APN privado, VPN IPsec entre instalaciones y cortafuegos que solo acepte TCP 2404 desde las direcciones del centro de control. Un túnel IEC 101 en una red compartida necesita los mismos controles.

Telecontrol y sistemas EpiSensor

Edge no incluye una interfaz IEC 60870-5-101 ni IEC 60870-5-104. Si el operador de red exige telecontrol en una instalación, lo proporciona la RTU del operador o una pasarela de subestación. Un sistema EpiSensor mide y controla la instalación detrás de esa RTU. Por ejemplo, la RTU recibe por IEC 104 la consigna del operador, y un controlador de respuesta a la demanda ZDR y la medición por circuito informan de la respuesta realmente entregada por la instalación. Defina en la lista de puntos el límite entre ambos sistemas: qué señales pertenecen a la RTU y cuáles proceden del sistema EpiSensor por una interfaz separada.