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CONTENTS
S E C T I O N O N E : I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Today’s Electricity Marketplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
Electricity in Modern Society . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
A Brief History of Electricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
S E C T I O N T W O : W H AT I S E L E C T R I C I T Y ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
How Electricity is Created . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
How Electricity is Used to Perform Useful Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
The Key Components of the Electric Delivery System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
The Key Physical Properties of an Electric Delivery System . . . . . . . . . . . . . . . . .16
Electricity Cannot be Stored . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
The Path of Electrical Flow is Difficult to Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
Disturbances Travel Very Quickly and are Hard to Contain . . . . . . . . . . . .17
Outages and Significant Voltage or Frequency Fluctuations are Not Acceptable . . .17
The Four Key Physical Sectors of the Electricity Business . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
S E C T I O N T H R E E : E L E C T R I C C O N S U M E R S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1
Residential Customers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
Commercial Customers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
Industrial Customers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Aggregate Demand Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
S E C T I O N F O U R : G E N E R AT I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5
Types of Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Natural Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Hydro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
Fuel Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
Renewables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
Distributed Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
Environmental Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
Electric Generation, Global Warming and the Kyoto Protocol . . . . . . . . . . . . . . .44
Demand Response as an Alternative to Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
Use of Generation to Satisfy the Load Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Baseload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
Intermediate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
Peaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
Ownership of Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Developing a Generation Portfolio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
The Future of Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
S E C T I O N F I V E : T R A N S M I S S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5
Physical Characteristics of Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Operation and Planning of the Transmission System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
Transmission System Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Ownership of Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Issues with Transmission Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
The Current Status of the U.S. Transmission System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
S E C T I O N S I X : D I S T R I B U T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3
Physical Characteristics of Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Radial Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Loop Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Network System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Operating and Planning of the Distribution System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
Distribution System Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Ownership and the Current Status of Distribution Systems . . . . . . . . . . . . . . . . .69
The Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
S E C T I O N S E V E N : E L E C T R I C S Y S T E M O P E R AT I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3
Operational Characteristics of Power Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
What System Operations Does . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Who Handles System Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Forecasting and Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
Demand Forecasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
Scheduling Generation, Transmission and Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . .78
Ancillary Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
Automatic Generation Control (AGC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
Spinning Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
Non-spinning Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
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Supplemental Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
Voltage Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
Black Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
How Supply and Demand are Kept in Balance in Real Time . . . . . . . . . . . . . . . .80
The Changing Role of System Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
S E C T I O N E I G H T: M A R K E T PA R T I C I PA N T S I N T H E D E L I V E R Y C H A I N . . . . . 8 5
Participants in the Vertically-Integrated Market Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
Investor-Owned Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
Municipal Utilities and Public Utility Districts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
Rural Electric Co-ops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
Federal Power Agencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
Public Power Agencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
Power Pools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
Energy Services Companies (ESCOs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
Independent Power Producers and Electric Marketers . . . . . . . . . . . . . . . .88
Participants in Restructured or Competitive Electric Markets . . . . . . . . . . . . . . . .89
Merchant Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
Transmission Companies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
Independent System Operators (ISOs)/Regional Transmission Organizations (RTOs) .90
Electric Marketers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
Financial Services Companies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
Transmission Owners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
Utility Distribution Companies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
Load Serving Entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
Energy Services Companies (ESCOs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
S E C T I O N N I N E : E L E C T R I C M A R K E T S T R U C T U R E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5
What is an Electric Market Structure? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
Vertically-Integrated Monopoly Utility Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
The Current Status of Vertically-Integrated Monopoly Utility . . . . . . . . . . .98
Single Buyer with Competitive Generation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
The Current Status of Single Buyer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
Wholesale/Industrial Competition Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
The Current Status of Wholesale/Industrial Competition . . . . . . . . . . . . .102
Complete Retail Competition Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
The Current Status of Complete Retail Competition . . . . . . . . . . . . . . . . .103
Trading Arrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
Wheeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
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U N D E R S T A N D I N G T O D A Y ’ S E L E C T R I C I T Y B U S I N E S S
Decentralized . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
Integrated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
The Current Status of Market Structures and Trading Arrangements . . . . . . . . . .109
S E C T I O N T E N : R E G U L AT I O N I N T H E E L E C T R I C I N D U S T R Y . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1
Why Regulate the Electric Industry? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
The Goals of Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
The Historical Basis for Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
State Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Federal Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
Who Regulates What? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
The Regulatory Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
The Initial Filing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
Preliminary Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
Hearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
The Draft Decision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
The Final Decision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
Review of Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
Tariffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
Setting Rates through a Traditional Ratecase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
Determining the Authorized Rate of Return . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Forecasting Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Determining a Revenue Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Allocating Revenue to Customer Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Determining Rate Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Allocating Revenue to Charge Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
Determining the Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
Incentive Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
Performance-based . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Benchmarking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Rate Caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Service Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
Market-based Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
State and Federal Rate Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
The Future of Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
S E C T I O N E L E V E N : T H E C O N C E P T S O F M A R K E T R E S T R U C T U R I N G . . . . . . 1 2 7
Why Restructuring? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
Market Evolution under Deregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
viii
i
C O N T E N T S
Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
Deregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
Commoditization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
Value-Added Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
The Necessary Components for a Competitive Marketplace . . . . . . . . . . . . . . .133
Supply Side Competition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
Fair Access to Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
Unbiased System Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
Demand Side Competition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
Distribution without Impediments to Competition . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
Opportunities for Hedging Risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
Creating a Competitive Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
Transitioning Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
Creating a Robust Transmission Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
Creating an ISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
Transitioning to Customer Choice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
Continued Regulation of Transmission and Distribution . . . . . . . . . . . . . .139
Ensuring Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
Settlements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
SECTION TWELVE: THE HISTORY OF ELECTRIC MARKET RESTRUCTURING . . 1 4 3
Federal Restructuring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
The First Steps Towards Independent Generation – PURPA of 1978 . . . . .144
Fostering Wholesale Generation Competition – the Energy Policy Act of 1992 . .144
Furthering Open Access Transmission – FERC Order 888 . . . . . . . . . . . .146
Encouraging Formation of Regional Transmission Operators – FERC Order 2000 . .148
The Current Stalemate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
State Restructuring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
Separating the Vertical Utility Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
Allowing Retail Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
Continued Regulation of the Monopoly Function . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
The California Experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
Restructuring in Other Countries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156
S E C T I O N T H I R T E E N : M A R K E T D Y N A M I C S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 9
Supply and Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
Short-term Supply and Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
Long-term Supply and Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162
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U N D E R S T A N D I N G T O D A Y ’ S E L E C T R I C I T Y B U S I N E S S
The Current Supply/Demand Situation in the U.S. . . . . . . . . . . . . . . . . .162
Pricing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
Indexes and Trading Hubs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
Price Volatility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
The Wholesale Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
Energy and Generation Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
Forward Markets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
Spot Markets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
Transmission Rights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
Financial Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170
The Retail Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170
Utility Retail Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
Competitive Retail Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172
ESCO and other Energy Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
S E C T I O N F O U R T E E N : M A K I N G M O N E Y A N D M A N A G I N G R I S K . . . . . . . . 1 7 5
How Market Participants Create Profits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
How a Utility Makes Money —Traditional Method . . . . . . . . . . . . . . . . .176
How a Utility Makes Money — Incentive Regulation . . . . . . . . . . . . . . . .178
How Unregulated Market Participants Make Money . . . . . . . . . . . . . . . .178
Risk Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
Choices for Managing Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Physical Risk Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
Financial Risk Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
Speculation versus Hedging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
Hedging Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
Value at Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
S E C T I O N F I F T E E N : T H E F U T U R E O F T H E E L E C T R I C I T Y B U S I N E S S . . . . . . . 1 8 7
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The Future of the Generation Sector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188
The Future of Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
The Future of Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
The Future of System Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190
The Future of Retail Marketing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190
A Sustainable Energy Future? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
A P P E N D I X A : G L O S S A R Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 5
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C O N T E N T S
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A P P E N D I X B : U N I T S A N D C O N V E R S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 7
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A P P E N D I X D : I N D E X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 5
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Understanding Todays Electricity Business: Table of Contents

  • 1. v i CONTENTS S E C T I O N O N E : I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Today’s Electricity Marketplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 Electricity in Modern Society . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 A Brief History of Electricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 S E C T I O N T W O : W H AT I S E L E C T R I C I T Y ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 How Electricity is Created . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 How Electricity is Used to Perform Useful Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 The Key Components of the Electric Delivery System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 The Key Physical Properties of an Electric Delivery System . . . . . . . . . . . . . . . . .16 Electricity Cannot be Stored . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 The Path of Electrical Flow is Difficult to Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 Disturbances Travel Very Quickly and are Hard to Contain . . . . . . . . . . . .17 Outages and Significant Voltage or Frequency Fluctuations are Not Acceptable . . .17 The Four Key Physical Sectors of the Electricity Business . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 S E C T I O N T H R E E : E L E C T R I C C O N S U M E R S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 Residential Customers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 Commercial Customers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 Industrial Customers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28 Aggregate Demand Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 S E C T I O N F O U R : G E N E R AT I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 Types of Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 Coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 Nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 Natural Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 Hydro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 Fuel Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 Renewables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Distributed Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
  • 2. Environmental Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 Electric Generation, Global Warming and the Kyoto Protocol . . . . . . . . . . . . . . .44 Demand Response as an Alternative to Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 Use of Generation to Satisfy the Load Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 Baseload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 Intermediate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 Peaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 Ownership of Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 Developing a Generation Portfolio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 The Future of Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 S E C T I O N F I V E : T R A N S M I S S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 Physical Characteristics of Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 Operation and Planning of the Transmission System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 Transmission System Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 Ownership of Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 Issues with Transmission Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 The Current Status of the U.S. Transmission System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 S E C T I O N S I X : D I S T R I B U T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 Physical Characteristics of Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 Radial Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 Loop Feed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 Network System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 Operating and Planning of the Distribution System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68 Distribution System Costs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 Ownership and the Current Status of Distribution Systems . . . . . . . . . . . . . . . . .69 The Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 S E C T I O N S E V E N : E L E C T R I C S Y S T E M O P E R AT I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 Operational Characteristics of Power Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 What System Operations Does . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74 Who Handles System Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74 Forecasting and Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 Demand Forecasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78 Scheduling Generation, Transmission and Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . .78 Ancillary Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78 Automatic Generation Control (AGC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 Spinning Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 Non-spinning Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 vi i C O N T E N T S
  • 3. Supplemental Reserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 Voltage Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 Black Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 How Supply and Demand are Kept in Balance in Real Time . . . . . . . . . . . . . . . .80 The Changing Role of System Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 S E C T I O N E I G H T: M A R K E T PA R T I C I PA N T S I N T H E D E L I V E R Y C H A I N . . . . . 8 5 Participants in the Vertically-Integrated Market Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 Investor-Owned Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 Municipal Utilities and Public Utility Districts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 Rural Electric Co-ops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 Federal Power Agencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87 Public Power Agencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 Power Pools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 Energy Services Companies (ESCOs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 Independent Power Producers and Electric Marketers . . . . . . . . . . . . . . . .88 Participants in Restructured or Competitive Electric Markets . . . . . . . . . . . . . . . .89 Merchant Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 Transmission Companies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 Independent System Operators (ISOs)/Regional Transmission Organizations (RTOs) .90 Electric Marketers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90 Financial Services Companies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 Transmission Owners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 Utility Distribution Companies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 Load Serving Entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 Energy Services Companies (ESCOs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 S E C T I O N N I N E : E L E C T R I C M A R K E T S T R U C T U R E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5 What is an Electric Market Structure? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 Vertically-Integrated Monopoly Utility Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 The Current Status of Vertically-Integrated Monopoly Utility . . . . . . . . . . .98 Single Buyer with Competitive Generation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99 The Current Status of Single Buyer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 Wholesale/Industrial Competition Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 The Current Status of Wholesale/Industrial Competition . . . . . . . . . . . . .102 Complete Retail Competition Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102 The Current Status of Complete Retail Competition . . . . . . . . . . . . . . . . .103 Trading Arrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 Wheeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 vii U N D E R S T A N D I N G T O D A Y ’ S E L E C T R I C I T Y B U S I N E S S
  • 4. Decentralized . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 Integrated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107 The Current Status of Market Structures and Trading Arrangements . . . . . . . . . .109 S E C T I O N T E N : R E G U L AT I O N I N T H E E L E C T R I C I N D U S T R Y . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 Why Regulate the Electric Industry? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111 The Goals of Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 The Historical Basis for Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 State Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 Federal Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 Who Regulates What? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 The Regulatory Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116 The Initial Filing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116 Preliminary Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117 Hearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117 The Draft Decision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 The Final Decision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 Review of Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 Tariffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 Setting Rates through a Traditional Ratecase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119 Determining the Authorized Rate of Return . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 Forecasting Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 Determining a Revenue Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 Allocating Revenue to Customer Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 Determining Rate Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 Allocating Revenue to Charge Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 Determining the Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 Incentive Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 Performance-based . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 Benchmarking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 Rate Caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 Service Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 Market-based Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 State and Federal Rate Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 The Future of Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 S E C T I O N E L E V E N : T H E C O N C E P T S O F M A R K E T R E S T R U C T U R I N G . . . . . . 1 2 7 Why Restructuring? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128 Market Evolution under Deregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129 viii i C O N T E N T S
  • 5. Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 Deregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 Commoditization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 Value-Added Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 The Necessary Components for a Competitive Marketplace . . . . . . . . . . . . . . .133 Supply Side Competition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 Fair Access to Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 Unbiased System Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 Demand Side Competition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 Distribution without Impediments to Competition . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 Opportunities for Hedging Risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 Creating a Competitive Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 Transitioning Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 Creating a Robust Transmission Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138 Creating an ISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138 Transitioning to Customer Choice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139 Continued Regulation of Transmission and Distribution . . . . . . . . . . . . . .139 Ensuring Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139 Settlements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 SECTION TWELVE: THE HISTORY OF ELECTRIC MARKET RESTRUCTURING . . 1 4 3 Federal Restructuring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 The First Steps Towards Independent Generation – PURPA of 1978 . . . . .144 Fostering Wholesale Generation Competition – the Energy Policy Act of 1992 . .144 Furthering Open Access Transmission – FERC Order 888 . . . . . . . . . . . .146 Encouraging Formation of Regional Transmission Operators – FERC Order 2000 . .148 The Current Stalemate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 State Restructuring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 Separating the Vertical Utility Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 Allowing Retail Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 Continued Regulation of the Monopoly Function . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 The California Experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 Restructuring in Other Countries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156 S E C T I O N T H I R T E E N : M A R K E T D Y N A M I C S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 9 Supply and Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160 Short-term Supply and Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161 Long-term Supply and Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162 ix U N D E R S T A N D I N G T O D A Y ’ S E L E C T R I C I T Y B U S I N E S S
  • 6. The Current Supply/Demand Situation in the U.S. . . . . . . . . . . . . . . . . .162 Pricing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163 Indexes and Trading Hubs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 Price Volatility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165 The Wholesale Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166 Energy and Generation Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168 Forward Markets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168 Spot Markets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169 Transmission Rights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169 Financial Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 The Retail Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 Utility Retail Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171 Competitive Retail Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 ESCO and other Energy Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173 S E C T I O N F O U R T E E N : M A K I N G M O N E Y A N D M A N A G I N G R I S K . . . . . . . . 1 7 5 How Market Participants Create Profits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 How a Utility Makes Money —Traditional Method . . . . . . . . . . . . . . . . .176 How a Utility Makes Money — Incentive Regulation . . . . . . . . . . . . . . . .178 How Unregulated Market Participants Make Money . . . . . . . . . . . . . . . .178 Risk Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178 Choices for Managing Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180 Physical Risk Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180 Financial Risk Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181 Speculation versus Hedging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182 Hedging Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182 Value at Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184 S E C T I O N F I F T E E N : T H E F U T U R E O F T H E E L E C T R I C I T Y B U S I N E S S . . . . . . . 1 8 7 A Review of Market Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 The Future of the Generation Sector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188 The Future of Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189 The Future of Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189 The Future of System Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190 The Future of Retail Marketing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190 A Sustainable Energy Future? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191 A P P E N D I X A : G L O S S A R Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 5 x C O N T E N T S i
  • 7. A P P E N D I X B : U N I T S A N D C O N V E R S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 7 A P P E N D I X C : A C R O N Y M S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 9 A P P E N D I X D : I N D E X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 5 xi U N D E R S T A N D I N G T O D A Y ’ S E L E C T R I C I T Y B U S I N E S S