배전시스템의 운영
배전시스템의 일상적 운영은 배전급전 혹은 배전운영센터의 책임이다. 급전센터는 SCADA 시스템이 설치된 장소에서 전력의 흐름 및 다른 시스템 상태 값을 감시한다. 급전센터는 또한 시스템 유지보수 활동을 지시하고 시스템 정전 혹은 외란에 대한 반응상황을 감시한다. 정전 혹은 외란이 발생하면 급전센터에서는 가능한 전력공급을 복구하기 위해 혹은 작업원들이 선로에서 작업하는 경우 선로가 가압되지 못하게 하기 위해 요원들에게 회로의 개폐를 지시하다. 급전센터는 적절한 수리가 행해지면 정상적인 선로형태로 시스템을 복구시킨다.유지보수 관리는 장기적이고 중요한 배전시스템의 운영기능이다. 시스템 상태에 대응하여 임시 유지보수는 물론 정기적인 유지보수는 시스템을 적절하게 유지하기 위하여 수행되어야 한다. 특별히 계획된 유지보수 프로그램은 수목 성장으로 인한 전력선 접촉 방지뿐 아니라 설비의 열화를 예방하기 위해 매우 중요하다. 시스템의 안전한 운전과 잠재적 고장을 예상하기 위해서도 설비의 고장유무를 확인하는 것이 중요하다. 마지막으로 배전계통의 계획에 대한 검토를 주기적으로 시행하여 개선된 유지보수 및 배전망 확장의 필요성을 결정한다. 시스템 모델은 최적화된 운영과 모형을 결정하기 위해 사용되며, 시스템 신뢰도와 효율성은 배전망의 설계를 수시로 재평가함으로써 개선된다. 물론 소비자 부하도 지속적으로 시스템에 접속되거나 소멸되므로, 배전망 계획자는 언제나 변화하는 소비자의 요구를 충족하기 위해 시스템 수정의 필요성을 평가해야 한다.

계량기 배전시스템의 마지막 핵심요소는 소비자 구역에 설치된 계량기이다. 계량은 현재 중대한 변천을 겪고 있다. 적어도 15년 전까지는, 거의 모든 계량기는 한 달에 1회 각 소비자 구역의 사용량을 기록하는 검침원에 의해 읽혀졌다. 계량데이터는 일반적으로 사용 kWh에 한정되며 대규모 소비자에 대해서는 최대사용전력을 기록하기도 한다. 이후로 우리는 점점 가격이 낮고 정교한 계량기에 익숙해지고 있다. 이제 많은 전력회사는 원격검침 계량에 의존하며 실시간으로 계량데이터를 획득할 수 있다. 계량기를 사용하여 시간대 별 전력사용량, 시간대 별 수요 및 다양한 전력품질 측정값 등의 유용한 데이터를 기록할 수도 있다. 앞으로 수 년 후에, 전기계량기는 에너지 공급자와 소비자 간의 양방향 통신을 허용하는 서비스 게이트웨이로 발전할 수도 있고, 이에 의해 에너지 회사는 공급효율을 최대화하고 소비자에게는 에너지시장에 참여하는 방안이 열릴 것이다.

배전시스템 비용
배전시스템은 특별히 소비자의 필요를 충족하려고 설계되며 어떤 두 개의 시스템도 동일하지 않으므로, 비용에 대하여는 배전망에 대하여 개별적으로 검토된다. 소비자 요금에서 배전비용이 차지하는 비율은 송전보다 높다. 또한 소규모 소비자는 낮은 전압으로 서비스를 받기 때문에 보다 많은 설비가 요구되므로 대규모 소비자보다 더 많은 비용이 든다. 또한 부하밀집 도시지역이나(지중선 서비스 필요성) 원거리 농촌지역(소수의 소비자를 서비스하기 위해 장거리 배전선이 필요)에 대한 서비스의 경우, 단위 소비자 당 투자비용은 많게 된다.

배전시스템의 소유
대부분의 배전시스템은 배전회사가 소유하고 운영한다. 일부 한정된 지역의 경우, 배전시스템은 군용 설비, 대규모 산업단지 혹은 개인 개발자와 같은 민간회사에 의해 소유 운영되기도 한다. 배전회사는 3 가지 범주 즉, 투자자 소유 전력회사, 시영 전력회사, 그리고 농촌전기조합으로 구분된다. 투자자 소유 전력회사 (IOU, investor-owned utility)는 주주들이 소유한 영리회사로서, 그들의 배전사업은 주의 규제위원회에 의해 엄격하게 규제된다. 시영 전력회사와 공공기관의 전력사업 담당부처는 지방정부 기관(흔히 시)에 의해 소유되며, 일반적으로 주에 의해 규제되지 않는다. 농촌전기청(REA, rural electric agencies)이라고도 하는 농촌 전기조합은 농촌지역에 존재하며 그 지역의 요금 납부자에 의해 소유되고 선임된 이사회에 의해 운영된다. 배전시스템은 미국에서는 발전과 송전 분야에 비하여 전력산업 구조개편에 의한 영향이 적다. 그러나 발전, 송전 및 배전기능의 수직통합이 해체된 지역의 IOU의 경우는 예외적이다. 구조개편으로 인해 IOU는 독자적인 배전조직을 설립하기 위해 자신의 판매사업을 개편해야 했다. 또한 대체전력공급자에 대한 소비자의 접속이 허용된 지역에서는 배전회사로서의 전력공급의무가 없어짐으로 인하여 배전기능은 더욱 개편되었다. 구조개편은 일반적으로 시영전력회사나 농촌전기조합에는 적용되지 않았으며, 대부분은 수직독점 전력회사에 적용되고 있다.

무효전력과 역률(reactive power & power factor)
⋅ 교류전압의 발생
발전기에서 생산되는 전압, 전력계통의 여러 지점, 또는 소비자의 전력사용 지점에서 측정되는 전압은 아래 그림과 같이 일정한 높이(여기에서는 100)를 갖고 시간에 따라 sine curve의 형태로 변화한다. 즉 Vm cos(wt-θ)의 함수형태를 갖는다. 이것을 교류전압이라 하며 θ를 위상(phase)이라고 한다. 아래 그림에서 보면 3 개의 sine curve는 120⁰의 위상 차이를 갖는다고 말한다. 예를 들어서 sinwt 의 곡선은 sin(wt-2π/3)의 곡선보다 100의 크기가 되는 시간이 120⁰ 앞선다는 것을 뜻한다. 각도(angle)를 radian으로 표시하면 2π radian은 360⁰이며 w=2πf 이다. 주파수가 60일 때 각속도(angular speed)가 2π☓60 이라는 것은 1 초 당 60 ☓ 360⁰ 만큼 각이 바뀐다는 것이며, 발전기의 회전자가 1초에 60번 회전하는 것을 뜻한다.

⋅ 전압과 전류의 관계
교류전압과 교류전류가 존재하는 교류회로는 저항성 부하, 유도성 부하(inductive load), 용량성 부하(capacitive load)로 구성되어 있다. 저항성 부하는 열을 발생시키며 전류의 흐름을 방해하는 성질을 가진 부하이며, 유도성 부하는 코일(coil)과 같은 형태의 부하, 또는 전동기 부하에 많이 나타나는 부하이며, 용량성 부하는 알미늄 판을 마주 보도록 배열한 것과 유사하고, 소위 "카패시터 뱅크"라고 부르며, 전력회사가 전주 위에 많이 설치하는 것이라고 보면 된다. 소비자의 부하는 3 가지 요소가 복합적으로 얽혀 있는 하나의 상자라고 보면 된다. 이러한 부하에 교류전압 Vm coswt를 가하면 교류전류 Im cos(wt-θ)가 흐른다. 교류회로 이론에 의하면 저항요소에서의 전압강하는 과 같이 표현되며 유도성 부하에서의 전압강하는 와 같이 표현되고 용량성 부하에서는 전압강하가 와 같이 나타난다. 3 개의 전압강하를 합하면 부하에 인가하는 전압과 같게 된다. 이것을 이용하여 키르히호프 법칙을 만족하는 미분방정식을 풀어 시간에 따른 전류의 변화를 구해 보면 전류의 최대치는 Im이며 위상은 전압에 비해 θ만큼의 차이가 발생하는데 이것은 cos⍵t가 cos(wt-θ)로 바뀌게 됨을 뜻한다. 이것은 coswt의 그림이 θ의 값에 따라 수평으로 이동하는 것을 나타낸다. 그러면 순시전력, 즉 시간의 변화에 따른 전력의 변화는 전압과 전류의 곱으로 나타난다.
전압의 시간에 따른 변화를 Vm cos(⍵t+θv)라고 하고, 전류의 시간에 따른 변화를 Im cos(wt+θi)라고 나타낸다. 전압의 위상을 나타내는 θv는 송전계통, 또는 배전계통의 어느 지점에서의 전압의 위상이라고 보면 된다. 이러한 전압이 부하에 가해지면 전류의 위상은 부하의 구성에 따라 θi로 된다. 그러면 순시전력은 다음 식과 같이 나타난다.
p(t) = Vm Im [cos(wt+θv)⋅cos(wt+θi)]
= 1/2 Vm Im {cos(θv-θi )+cos[(2wt+θv +θi)]}
= 1/2 Vm Im {cos(θv-θi )+cos[(2(wt+θv)-(θv-θi)]}
= 1/2 Vm Im [cos(θv-θi )+cos2(wt+θv)⋅cos(θv-θi) + sin2(wt+θv)⋅sin(θv-θi)]

교류이론의 계산에서는 V = , 로 전류와 전압을 변환하여 계산에 활용한다. 그리고 θ = (θv-θi) 라고 놓으면 순시전력은 다음 식과 같이 표현된다.
p(t) = V∙I cosθ[1+cos2(wt+θv)] + V∙I sinθ sin2(wt+θv)
이 식에서 θ는 전압과 전류 사이의 위상의 차이이고 만약 부하가 유도성이면 θ가 양의 값을 갖고(전류가 전압에 비하여 위상이 뒤진다), 부하가 용량성이면 θ가 음의 값을 갖는다(전류가 전압에 비하여 위상이 앞선다).

윗 식을 정리해 보면 순시전력은 다음 표와 같이 두 개의 항의 합으로 표시된다.

첫째 항                                             둘 째 항
V∙I cosθ[1+cos2(⍵t+θv)]              V∙I sinθ sin2(⍵t+θv)
PR(t)                                                 PX(t)
한 쪽으로 흐르는 성분               회로가 주고 받는 성분

첫 째 항의 평균치는 V∙I cosθ이며 이것을 유효전력이라 하고 둘째 항의 평균치는 0이며 V∙I sinθ의 최대치를 무효전력이라고 말한다. 두 항을 합하면 시간에 따라 변화하는 전력이 된다. V∙I , V∙I cosθ , V∙I sinθ 를 피타고라스의 정리를 이용하여 삼각형으로 표시하면 아래 그림과 같다. 이것을 전력삼각형(power triangle)이라고 한다.

여기에서 피상전력(apparent power)은 V∙I 로 나타내며 역률(power factor)은 밑변의 크기를 피상전력으로 나눈 값이다. 무효전력(reactive power, VAR, volt-ampere reactive)은 삼각형의 높이를 나타낸 값이다. 실제로 무효전력의 크기가 변하는 것은 전압과 전류의 위상 차이에 의한 것이다. 위상 차이는 부하의 회로를 구성하고 있는 용량성 부하와 유도성 부하의 구성에 따라 변화한다. 그러나 전력계통에는 무효전력과 유효전력이 구분하여 흐르는 것이 아니고, 시간의 변화에 따른 전력의 변화를 분석해 보면 전류의 위상의 변화로 인한 무효전력 성분과 유효전력 성분을 별도로 나타낼 수 있다는 것을 뜻한다.

변압기의 용량은 사용전압과 최대전류의 곱으로 나타내는데 이것은 전압이 V이고 최대로 흐를 수 있는 전류가 I라는 것을 뜻한다. 피상전력은 VI이며 실제로 일을 하는 유효전력의 크기는 역률(cosθ)에 따라 변화한다. 소비자의 부하의 역률이 낮으면 동일한 피상전력이 흐르더라도 밑변의 크기가 작기 때문에 에너지를 전달하는 부분이 작다는 것을 의미한다. 즉 전기줄은 굵은데 일을 할 수 있는 전력이 흐르지 못하게 된다. 이것은 전력 공급자의 관점에서 보면 피상전력의 일정 부분이 일을 하지 않고 소비자의 부하와 발전기 또는 무효전력 발생원 사이를 왕복하기만 하는 부분이 많아지게 되는 것이며 발전기 또는 송변전 설비와 배전망이 효율적으로 사용되지 못하게 되고 손실이 발생한다. 전기를 사용하는 모터는 유도성 부하의 부분이 크며 이로 인한 전력손실은 미국 전체 송배전 손실의 약 20%에 해당하며 년간 발전량의 약 1.5%이고 연간 약 20억 $의 손실을 일으킨다. 따라서 전력회사는 소비자의 역률이 높은 것을 선호한다. 소비자의 역률을 높인다는 것은 용량성 부하에 의한 무효전력과 유도성 부하에 의한 무효전력의 합이 작도록 한다는 것을 뜻한다. 이것은 소비자가 용량성 부하 또는 유도성 부하를 적절하게 가감하는 것이다. 그러면 θ의 크기가 작아지고 유효전력 부분이 커지게 된다. 전기요금 조항 가운데에는 역률에 따른 요금 변동 조항이 있다.

그렇지만 무효전력이 불필요한 것은 아니다. 무효전력은 전력계통의 전압을 유지하기 위하여 꼭 존재하여야 한다. 무효전력은 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며 해당 전력계통의 전압을 균일하게 유지하는 역할을 한다. 전압은 주파수와 달리 국부적인 현상이다. 무효전력은 소비되는 장소의 근처에서 생산되는 것이 좋으며 발전기는 좋은 무효전력 발생원이다. 발전기의 여자전류(exciting current)를 높이면 무효전력이 많이 생산되고, 낮추면 전압이 낮아지고 전력계통의 무효전력을 흡수한다. 송전선과 대지 사이의 정전용량에 의하여 무효전력이 생산되기도 하고 배전계통의 커패시터뱅크에서도 생산된다.

유효전력이란 발전기에서 생산되어 소비자의 기기에서 사용되는 에너지를 말한다. 따라서 발전기에서 생산되어 일방적으로 소비자에게로 흘러가서(one-way flow) 일을 하는 것이며 전압의 위상이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 소비자의 사용전력과 발전기가 공급하는 유효전력의 합에 대한 전체 전력계통에서의 균형이 주파수로서 나타난다. 무효전력은 국부적인 현상이지만 주파수는 계통 전체에 대하여 하나의 지표로서 나타난다.