동기화 운전(synchronous operation)
동기화 운전을 설명하기 위하여 다음과 같은 방앗간의 예를 사용한다. 공급 측에는 축을 회전하는 4 개의 발전기가 존재하고 수요 측에는 4 개의 방앗간이 있다. 전기를 전달하는 송전망은 하나의 전압 및 주파수로서 운전되는 것으로 하고 이것을 1 초 동안에 60번 회전하는 축이 존재하는 것으로 나타낼 수 있다. 소비자의 부하(load)란 것은 이 축에 피댓줄(belt)을 연결하여 고춧가루를 빻는 방앗간, 밀가루를 빻는 방앗간, 벼를 정미하는 방앗간 등이 운용되는 것으로 한다. 4 개의 발전기는 각각 출력을 발생하면서 1 초에 60 번 회전한다. 여기에서 동기(synchronization)라는 것은 운전 중인 모든 발전기의 회전자(rotor)가 1 초에 60 번 회전하면서 전력을 생산하여 축을 회전시키는 것이다. 즉 하나의 발전기의 회전자의 N 극이 시계의 12시 방향을 지나갈 때에 다른 발전기의 회전자의 위치도 비슷하게 유지되면서 회전한다. 회전자의 상대적 위치는 위상(phase)이라고 표현된다.

이것을 그림으로 표시하면 위와 같다. 발전기2는 1 초에 60번 발전기1과 똑같은 속도로 회전하면서 항상 회전자의 위치가 발전기1보다 θ만큼 앞서 있는 상황을 나타낸다. 그러면 발전기2에서 나타나는 전압의 파형은 발전기1에서 발생하는 것보다 θ만큼 수평으로 이동한 형태로 각각 나타난다. 하나의 전력계통에서 운전 중인 발전기는 위상이 서로 조금씩 다른 상태를 유지하면서 모두 1 초에 60번 회전한다. 방앗간의 예에서는 모든 발전기의 위상이 같은 것으로 표현되고 있다. 실제로 발전기의 전압의 위상, 전력계통의 각 모선에서의 전압의 위상은 서로 다르다.
방앗간 그림에서 각 발전기의 출력의 합이 400만 kW이고 부하의 크기가 400만 kW이므로 주파수는 60으로 유지되고 있다. 4 개의 터빈에 투입되는 에너지가 결국은 방앗간에서 유효한 일을 하는 형태로 바뀌는 것이며 이 과정에서 전기가 에너지의 전달자 역할을 하는 것이다.

만약 부하가 변동한다면 즉 하나의 방앗간의 하는 일이 증가하거나 감소하면 수요와 공급의 균형이 변화하고 이에 맞추어 발전기의 출력의 합이 증가 또는 감소하여야 한다. 만약 방앗간이 일을 더 한다면 발전기의 출력의 합이 이에 미치지 못하므로 축을 회전시키는 에너지가 부족하여 축의 회전속도가 감소할 것이다. 이때에 각 발전기가 속도를 감지하여 출력을 증가하고 주파수를 60으로 맞추려고 할 것이며 이것은 각 발전기의 조속기(governor)의 역할이다. 조속기는 주파수 편차를 조정하는 역할 및 발전기의 출력을 지정한 값으로 유지하는 두 가지 기능을 가지고 있다. 이 역할이 충분하면 주파수는 60으로 회복된다. 부하가 감소하면 역과정에 의하여 주파수가 회복된다. 이러한 가능이 계속하여 작동하면서 전력계통이 운용된다. 만약 방앗간의 일이 늘어나서 발전기가 더 필요하게 되면, 설치되어 있는 발전기를 더 가동하여야 한다. 새로운 발전기는 회전수, 전압, 그리고 위상을 맞추어 계통의 주파수와 전압의 위상이 발전기의 그것과 일치하는 순간에 축에 연결되어 회전력을 전달할 수 있는 상태가 된다. 이것을 발전기를 계통에 병입시킨다고 말한다.
각 발전기는 전기를 생산하면서 같은 회전수로 운전된다. 만약 하나의 발전기가 출력을 증가하면 이 발전기의 추가적 에너지는 축을 더 빨리 회전시키는 것을 도와주는 작용을 하며 축의 회전수가 상승하는 역할을 한다. 이때에 주파수를 유지하기 위하여 다른 발전기가 이에 상응하는 출력을 감소하여야 한다. 이 과정에서 발전기 별로 출력이 다시 배분된다.
방앗간의 부하의 변동이 완만하거나 고장을 일으킨 발전기의 용량이 전체 발전용량에 비하여 작다면 축의 회전수는 변화하다가 정상으로 회복한다. 그러나 용량이 큰 발전기가 고장을 일으키면 주파수가 급격하게 하락하는데 이때 건전한 발전기들이 변화에 견디지 못하여 자신의 회전수를 변화하지 못하면 발전기가 탈락하게 된다. 하나의 발전기가 탈락한다면 그 순간에 더 큰 변화를 다른 발전기가 견디지 못하고 또 탈락한다. 이러한 현상은 작게는 1 초 이내 또는 수 초 이내에 일어나며, 모든 전기가 공급되지 못하고 나머지 발전기도 동시에 탈락하여 축이 회전하지 않게 된다. 이것을 계통이 붕괴된다(system collapse)고 말한다. 일단 계통이 붕괴되면 발전기를 하나씩 동기시켜 가며 부하를 증가하면서 전력계통을 원래의 운전상태로 회복시키는데 이것은 상당한 시간을 요구한다.

전력계통 운용
물리적인 전력계통은 수백 또는 수천 kM에 걸친 발전기, 송전 및 배전시스템, 그리고 소비자 부하의 매우 복잡한 네트워크로 구성되어 있다. 전력계통의 다양성에도 불구하고, 그것은 항상 긴밀하게 통제되어야 한다. 공급과 수요 사이에는 언제나 계속적으로 균형이 유지되어야 하고, 전압과 주파수는 엄격한 범위 내로 유지되어야 한다. 발전기 또는 송전망에 중대한 고장이 발생하면 주파수가 하락하고 고장이 파급되어 소비자의 전기기기가 적절하게 사용되는데 실패하고, 망 설비(grid facility)가 손상을 입을 수도 있다. 즉 일부 소비자가 정전(outage, blackout)을 경험할 수도 있다. 최악의 시나리오에서는 확률적으로는 매우 낮지만 발전계통의 규모에 비하여 비중이 큰 발전기가 탈락하여 수요와 공급의 균형이 깨어지고 시스템이 붕괴되어 모든 소비자는 전기를 사용하지 못할 수도 있다. 이러한 복잡한 시스템을 단기(일 년, 일주일, 또는 하루) 및 실시간(real time)으로 관리하는 것은 계통운용자(system operator)의 책임이다. 계통운용자는 공급이 수요의 변동에 맞춰 전력계통이 운용될 수 있도록 하기 위해 발전기의 가동계획을 세워야 하며, 실시간으로 수요변동에 맞춰 계속하여 발전출력을 조정해야 한다.

전력계통의 운용특성
계통운용은 주로 몇 가지 핵심적인 물리적 특성 때문에 복잡한 과제이다. 첫째로 전기를 효율적으로 저장하는 것이 어렵다. 이는 전력이 전달되는 속도가 빛의 속도와 같고 발전으로서 제공되는 출력이 소비자의 부하와 매순간 계속적으로 균형을 유지해야 함을 의미한다. 계통운용은 전기가 이동하는 경로를 통제하기가 매우 어렵다는 사실에 의해 더욱 복잡해진다. 즉 원하는 어떤 소비자에게 원하는 양 만큼 특정한 발전기로부터 전기를 보내는 것은 불가능하다는 것이다. 전기는 계약상의 합의에 의한 경로 혹은 계통운용자의 의도와는 무관하게 물리학의 법칙(Law of Physics)에 따라 최소 저항의 경로를 따라 흐른다. 그래서 전력회사와 연계된 전력계통(interconnected system)은 그들 이웃의 행위와 불가피하게 얽히게 된다. 이러한 상호의존을 회피하는 유일한 방법은 전력회사들이 자신의 시스템을 분리하는 것이다. 그러나 전력계통을 연계하여 운용하면 첫째, 각 전력계통 마다 최대수요의 출현시간이 서로 다르기 때문에 단독계통으로 운용할 때보다 낮은 설비예비력을 갖고도 수요를 만족시킬 수 있어 비용을 절감할 수 있고 공급신뢰도도 향상시킬 수 있으며, 둘째, 발전기의 불시 고장정지가 발생할 경우에 인접 전력계통으로부터 발전기 출력을 지원받을 수 있으며, 셋째, 전력계통의 규모가 커지고 발전기의 개수가 많아지므로 인하여 주파수가 단독계통으로 운용할 때 보다 안정적으로 유지되기 때문에 연계에 참여한 전력회사에게 모두 유리하다. 따라서 연계된 시스템을 분리하여 운전하는 것은 좋은 대안이 아니다.

계통운용을 더욱 복잡하게 하는 것은 계통의 고장의 영향이 전파되는 속도이다. 전기는 빛의 속도로 움직이며, 주요한 외란(disturbance)은 연계된 송전망을 따라 수 초 이내에 파급된다. 소비자에게 공급되는 서비스의 품질이 저하되는 것을 방지하기 위해서는 전압과 주파수가 엄격한 범위 내에서 유지되어야 하기 때문에 외란은 위험할 수도 있다. 예로서 높은 전압은 컴퓨터를 손상시키며, 낮은 전압은 전등을 희미하게 하고 회전기기에 손상을 주며, 높은 주파수는 모터를 사용하는 전기기기의 운전을 가속시키며 발전설비를 손상시킬 수도 있다. 그리고 컴퓨터와 마이크로 칩 등에 의존하는 정보화 사회에서는 컴퓨터와 같은 설비의 순간적인 정전조차도 소비자에게 수백만 달러의 손해를 입힐 수 있어 허용되지 않는다.