Phân tích chi tiết IEC 60870-5-104

Khi kết nối nhà máy điện hay trạm biến áp lên trung tâm điều khiển, IEC 104 là giao thức được dùng nhiều nhất tại Việt Nam. Không phải vì nó hoàn hảo, mà vì nó ổn định, được EVN chấp nhận và đủ dùng cho hầu hết các dự án.

Cấu trúc thực tế của IEC 104

IEC 104 chạy trên TCP/IP, dùng cổng 2404. Đây là port mặc định và gần như ai cũng để nguyên. Nếu thay port khác thì phải cấu hình cả hai đầu Master và Slave — rất dễ bị quên và mất kết nối sau này.

Khi kết nối TCP thành công, hai bên bắt đầu trao đổi APDU (Application Protocol Data Unit). Bên trong APDU là ASDU — đây mới là phần quan trọng nhất.

ASDU (Application Service Data Unit) là “hàng hoá” thực sự được truyền đi. Mỗi ASDU chứa:

Type Identification (TI): cho biết loại dữ liệu gì. Ví dụ M_SP_NA_1 là Single Point, M_ME_NA_1 là Measured Value.
Cause of Transmission (COT): rất quan trọng — lý do truyền là gì? Periodic (định kỳ), Spontaneous (tự phát khi có thay đổi), Command, Acknowledgement…
Common Address và Information Object Address (IOA): địa chỉ thiết bị và địa chỉ điểm dữ liệu.
Dữ liệu thực + Quality descriptor: có các bit quality quan trọng như invalid, overflow, substituted.

Nắm vững ASDU là nắm được phần lớn IEC 104.

Spontaneous — trái tim của IEC 104

Điểm hay nhất của IEC 104 so với Modbus là cơ chế Spontaneous. Khi có sự kiện — máy cắt nhảy, relay tác động, giá trị analog vượt ngưỡng — Slave (RTU) sẽ tự gửi ASDU lên Master mà không cần chờ hỏi.

Trong thực tế, nếu cấu hình Spontaneous tốt, dữ liệu sẽ cập nhật gần như ngay lập tức khi có sự cố. Ngược lại, nếu chỉ dựa vào polling cyclic thì chậm và dễ bỏ sót sự kiện quan trọng.

SBO — Select Before Operate

Khi cần ra lệnh điều khiển (mở/đóng breaker, start/stop máy phát), IEC 104 dùng cơ chế SBO (Select Before Operate). Quy trình gồm bốn bước:

Master gửi lệnh Select.
Slave trả về xác nhận, nếu chấp nhận.
Master gửi lệnh Operate trong thời gian ngắn, thường vài giây.
Slave thực hiện và báo kết quả.

Nếu bỏ qua bước Select, hệ thống vẫn chạy nhưng mất đi lớp bảo vệ chống lệnh nhầm. Cấu hình SBO sai có thể khiến lệnh đóng breaker thực thi ngoài ý muốn — hậu quả rất nặng.

Những thứ khác cần biết khi dùng IEC 104

Test frame: dùng để kiểm tra kết nối (C_TS_NA_1). Hệ thống tốt thì 5–10 giây gửi một lần.
Interrogation: Master hỏi toàn bộ dữ liệu một lần (General Interrogation) khi kết nối lại sau mất link.
Buffer: Slave có buffer sự kiện. Nếu link đứt một lúc, khi kết nối lại sẽ truyền bù các sự kiện cũ, tuỳ cấu hình.
Redundancy: thực tế hay dùng 2 kênh TCP (primary + backup). Khi primary fail, tự động chuyển sang backup.

Ưu nhược điểm

Ưu điểm

Ổn định cao trên mạng WAN.
Được hầu hết thiết bị điện lực hỗ trợ tốt.
Dễ debug — có nhiều tool miễn phí như IEC Browser, ASE Test.
Tuân thủ quy định EVN dễ dàng.

Nhược điểm

Bảo mật yếu — không có encryption hay authentication sẵn, bắt buộc phải đi VPN riêng hoặc firewall chặt.
Không mạnh bằng DNP3 về unsolicited reporting khi có hàng trăm sự kiện cùng lúc.
Cấu hình ASDU và address mapping rất dễ sai nếu không có tài liệu tốt.

Kết luận

IEC 104 không phải là giao thức hiện đại nhất, nhưng là giao thức thực tế nhất cho việc kết nối SCADA nhà máy điện tại Việt Nam hiện nay. Nó làm được việc, ổn định, và khi có vấn đề thì kỹ sư dễ xử lý.