electric utility primer john chowdhury 2012 final

60
© 2012 Smarterutility .com | Not to be reproduced without permission Page: 1 US Utility Industry and Regulatory Landscape Utility of the Future series 2012

Upload: john-chowdhury

Post on 16-May-2015

8.327 views

Category:

Business


2 download

DESCRIPTION

A comprehensive analysis of US electric utility industry. Understand US Electric Industry Regulatory Landscape Key Utility Processes How Smart Grid can Benefit the Industry Example Components

TRANSCRIPT

Page 1: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 1

US Utility Industry and Regulatory Landscape

Utility of the Future series 2012

Page 2: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 2© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 2

What’s In This Research

How can you Profit from it? 

US Utility Industry and Regulatory Landscape

Key Utility Processes

US Electric Utility

KeyValueSteps

Value ofSmart Grid

How Smart Grid can Benefit?

Page 3: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 33/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 3

Why you should consider this report

• Understand US Electric Industry• Regulatory Landscape• Key Utility Processes• How Smart Grid can Benefit the Industry• Example Components

US Electric Utility Primer 2012

Page 4: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 4© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 4

John Chowdhury:• has been working in the Utility Industry for the last 23 years• His clients includes CenterPoint, San Diego Gas & Electric, APS, Southern California Edison, Vectren, TXU, NIPSCO to name a few 

Objectives of SmarterUtility.com:• Create a Federated Knowledge Repository to take advantage of knowledge, regardless of where it is housed

• Support multiple channels from a single knowledge repository (Country‐State‐City‐Utility‐Regulator‐Partner‐Vendor‐etc.)

• Knowledge repository is based on the context and intent• To Leverage Subject Matter Experts to improve yoursuccess  factors

• Adaptive Knowledge architecture that will support all yourneeds with a single repository and remain flexible tochange as needed

• Use the Adaptive Knowledge architecture to supportTransparency of knowledge, Cloud computing, Mobilepresentation, and Social use of knowledge with no additional changes

It’s about Success, and Knowledge Sharing

US Electric Utility 101

Page 5: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 53/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 5

Contents• Electric utility industry overview

– Industry structure and value chain steps– Market and utility types– Regulatory overview

• Overview of each value chain step• Factors that incentivize electrical utilities• Benefits of Smart Grid for electrical utilities• Appendix

Page 6: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 63/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 6

• Convert fuel energy into electrical energy

• Increase (‘step up’) voltage for efficient transmission 

• Transmit electricity over long distances

• Deliver electricity to large industrial customers

There are 3 Core Physical Elements of the Electric Utility Value Chain

• Reduce (step down’) voltage

• Deliver electricity locally to commercial and residential customers

Generation Transmission Distribution

6

Role

Start and end points

• From fuel to the high‐voltage output of the generating station*

• From the high‐voltage output of the generating station to the transformer in the substation*

• From the substation transformer to the customer meter

Fuel

* Some utilities consider the step up and step down transformer to be part of the transmission network 

Page 7: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 73/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 7

Examples of Electric Utility Assets 

Generation Transmission Distribution

Distribution wires &Low‐voltage transformer

Pad mount gear

Residential meters

Coal

Natural gas

Nuclear

Hydroelectric

Generation transformer

Transmission substation

765 KV transmission lines

230 KV transmission lines

Substation

Page 8: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 83/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 8

In the Beginning, Utilities Were Granted Monopoly Status with Oversight by Regulators

•Granted monopoly status due to economies of scale

•Allowed recovery of reasonable and necessary operating costs

•Allowed reasonable return on invested capital

•Approved capital investment plans and operating costs

•Ensured excessive costs borne by utility investors

•Required utility to support social goals

Utilities (Electric, Gas, Water, Telephone, Railroad)

Regulator

Page 9: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 93/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 9

Over Time Some States Deregulated and Broke Up the Monopolies

Until the late 70s

•Oil shock leads to push for lower energy costs

•Environmental awareness increases

•Generation no longer seen as a natural monopoly

•Independent power producers (IPP) emerge in some states

•Existing utilities become hesitant to build capacity

Late 70s – mid 90s

•Government pushes to deregulate many industries

•Some large commercial users push for deregulation in hopes of lower prices

•Some states begin to deregulate – CA is first

•Independent organizations are created to oversee access to transmission & wholesale power*

•Energy retailers are created in some states

Mid 90s – early 00s Early 00s ‐ today

•Regulators attempt to achieve lower prices, but several backfire

•Deregulation stalls

•Regulators attempt to encourage  utilities to build generation and save energy

•Utilities act as monopolies

* Independent System Operators (ISOs) and Regional Transmission Organizations (RTOs) 

Page 10: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 10

Wholesale and Retail Businesses Emerged Due to Deregulation

Purchase fuel and produce power

Generation Wholesale trading

Facilitate buying/ selling of power between Generation and Retail players

Transmission Distribution Retail

Transmit power over long distances

Deliver power locally to customers

Sell power to customers and handle billing 

Generation Transmission Distribution

Page 11: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 11

There are 3 Types of Electric Utility Markets Across the US

IPP*

Generation Wholesale trading

Trans-mission Distribution Retail

Fully regulated

Hybrid-regulated

Deregulated

Regulated

Un-regulated

Fully regulated Utility

Utility Holding Company

Utility Holding Company

Generation subsidiary

* IPP = Independent Power Producer

Generation subsidiary

Trading subsidiary Wires / T&D Utility

Hybrid-regulated Utility

Retail subsidiary

Example market

Alabama

California

Texas

Market Type

IPP*

Page 12: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 123/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 12

Most States are Still Regulated

• Regulated: 34

• Deregulated: 16*

• Hybrid: 1

* Includes Washington DC, 6 states are deregulated but have a rate cap or state oversight of rates (AZ, MI, NH, OH, PA, RI)Source: USA Today Aug‐10, 2007

Deregulated

Hybrid

Regulated

• Regulated: 34

• Deregulated: 16*

• Hybrid: 1

Page 13: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 133/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 13

There Are Also 3 Types of Electric Utility Companies, Differentiated By Ownership TypeInvestor‐Owned Utilities(IOU)

Municipally‐Owned Utilities(Munis)

Cooperatives(Coops)

• Publicly traded company• Electricity only• One of US’s largest generators of 

electricity (38 GW)• US largest electricity transmission 

system (39k miles)• States served: AK, IN, KY, LA, MI, OH, 

OK, TN, TX, VA, WV• Regulated according to each state’s 

regulatory framework

• 210 IOUs in the US (7% of US utilities)• Serve 105M customers (74% of total)

• 2009Munis in the US (65%)• Serve 14% of customers

• 883 Coops in the US (28%)• Serve 12% of customers

• Owned by customers• Electricity only• Regulated by an elected Board of 

Directors• 6th largest publicly owned utility• 3.3 GW peak capacity• Own transmission and distribution• Serve Sacramento County and a 

portion of Placer County

• Owned by customers• Electricity only• Regulated by 10‐person elected 

Board or Directors• Operates in 14 counties north and 

west of Austin, TX

Source: EIA, aep.com, smud.org, bluebonnetelectric.coop

Page 14: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 143/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 14

IOUs are Influenced by Several State and Federal Entities (CA example)

• Reliability of interstate electricity transmission• Interstate electricity sales and wholesale electric rates*

• National standards related to air and water quality

• Reactor safety• Reactor licensing• Radioactive material safety

Federal State

• Service standards and safety rules• Utility rate changes• Monitoring anti‐competitive behavior• Energy efficiency and conservation programs• Programs for low‐income households

• State standards  related to air and water quality• Proposed construction

• Promoting energy efficiency, renewables• Licensing large thermal power plants

* Also regulate interstate natural gas and oil transport and sales

These organizations are independent of the utilities

Page 15: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 153/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 15

Some Utilities Offer More than Electricity

INDICATIVE ESTIMATE;NOT COMPREHENSIVE

30

76

52

2

0

24

26

0

1

0 20 40 60 80 100

Munis

Coops

IOU

Electricity only

Electricity & Gas

Electricity & Water

Electricity & Gas &Water

• 2/3 of IOUs offer electricity only, most of the rest also offer gas

• Coops are largely designed to provide rural electricity

• ~1/2 of Munis offer electricity only, while half offer electricity and water

Utilities Offering Different ServicesCount (from a sample of 213 large utilities)

Page 16: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 163/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 16

Contents• Electric utility industry overview• Overview of each value chain step

– Generation– Wholesale– Transmission and Distribution– Retail

• Factors that incentivize electrical utilities• Benefits of Smart Grid for electrical utilities• Appendix

Page 17: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 17

Mechanical energy Electrical energy

Spinning turbine Alternating current (AC)

Magnet

Fuel

Generation: Power Plants Convert Fuel Energy into Electrical EnergyChemical, atomic,  thermal energy

• Most electricity in the US is produced in steam turbines

• In a fossil‐fueled steam turbine, the fuel is burned in a furnace to heat water in a boiler to produce steam

• Turbine converts the kinetic energy of a moving fluid (liquid or gas) into mechanical energy

• Steam hits the blades and rotates the shaft connected to the generator

• The generator has a stationary cylindrical conductor that is wrapped with a coil (wire)

• The shaft has a magnet attached to it, which rotates within the conductor

• When the magnet rotates, it induces an electric current in the wire

text

text

text

text

Furnace / Boiler

steam

Page 18: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 18

Generation: Coal, Natural Gas and Nuclear Generate 90%+ of US Electricity

* Includes hydro pumped storageSource: EIA

US Electricity generation by source, 2008Percent

49%

21%

20%

6%3%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Other*

Other Gases

Petroleum

OtherRenewablesHydroelectricConventionalNuclear

Natural Gas

Coal45%

42%

12%

1%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Solar/PV

Geothermal

Wind

Biomass

Generation of Other Renewables, 2008Percent4,110 TWh 123 TWh

•Coal + Natural Gas + Nuclear generate 90%+•Coal is the dominant source, almost 50% of generation•Non‐hydroelectric renewables make up only 3%

Page 19: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 193/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 19

1/1 12/31

Annual

Minimum load

Maximum Peak load

Cycling load• Semi‐predictable demand• Energy sources must be flexible to follow changes in demand

Generation: Electricity Demand Fluctuates Throughout the Day and Year – This Requires Energy Sources with Varying Levels of Flexibility

Demand

MidnightNoonMidnight

Reserve marginCapacity

Daily (peak day)ILLUSTRATIVE

Base load• Predictable level of demand•Addressed by very large power plants that produce energy inexpensively when operated continuously at high utilization (…you can’t just crank them up and down with demand)

Peak load•Unpredictable demand

• Sources must be able to start quickly – or be held in reserve

• Resulting energy cost is high

Page 20: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 203/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 20

Peak load capacity

Cycling loadcapacity

Base loadcapacity

Wholesale: Facilitates Matching Demand with SupplyILLUSTRATIVE

The lack of efficient storage for electricity creates the need to match demand and supply in real time

Additional power may need to be acquired through wholesale markets to meet demand

Demandcurve

DemandDaily; MW

Time of Day

Supply available at a given time may not exactly track demand.Excess power may need to be sold off through wholesale markets

Page 21: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 21

Source: EIA

Transmission: NERC Divides the Nation’s Transmission and Distribution into 3 “Interconnections”

Each interconnection effectively acts as an independent grid system, with limited power crossing between “seams” 

ERCOT

WesternInterconnection

ERCOTInterconnection

EasternInterconnection

Source: FERC

Page 22: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 22

Transmission and Distribution: Deliver Power from Power Plants to Customers

• High voltage transmission lines transport power to distribution substations• Because transmission infrastructure impacts so many customers downstream, 

transmission has been equipped with ‘smart technologies’ (sensors, automated controls and communications) for many years

• The distribution network delivers power over medium‐ and low‐voltage power lines

• Transformers (that look like big buckets hung on power poles) further reduce the voltage to normal household electrical service

• The distribution network includes the electricity meter

Page 23: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 233/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 23

87.2%

37.1%

12.2%

35.6%

0.6%

27.4%

0.0% 0.2%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

TransportationIndustrialCommercialResidential

Retail: Electrical Utility Customers and Consumption

• Residential customers make up almost 90% of all customers. Commercial customers make up almost all of the rest.

• Although Residential is the biggest sector by sales (in other words, consumption) at 37%, sales are more evenly distributed across sectors

• Net result… average sales per customer is very low for Residential relative to Commercial and Industrial

Electrical Energy Sales by Sector, 2007Percent, 100% = 3.7M GWh

* The Transportation sector ‘s 750 customers constitute less than 0.1% of customers

Source: EIA

Customers by Sector,2007*Percent, 100% = 142 M

Average sales per customer (MWh/yr)

11,000

1,300

77

11

#

Page 24: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 243/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 24

The U.S. is the Largest Electricity Consumer in the World

* Australia is ranked 14 worldwide (not 11) and Mexico is 17, but they are shown here for referenceSource: EIA

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000

Mexico

Australia

South Korea

Brazil

France

India

Canada

Germany

Russia

Japan

China

United States 23%

15%

6%

5%

3%

3%

3%

3%

2%

2%

1%

1%

Consumption of Electrical Energy by Country, 2006 – Top 12*GWh

Share of GlobalConsumption

69%

• US is the largest consumer

• Top 10 consuming countries plus Australia and Mexico consume 69% of world total

Page 25: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 253/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 25

Contents

• Electric utility industry overview• Overview of each value chain step• Factors that incentivize electrical utilities

– Financial– Operational– Environmental– Typical utility behavior

• Benefits of Smart Grid for electrical utilities• Appendix

Page 26: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 26

New Challenges are Emerging for Utilities

OperationalFinancial

• Providing affordable electricity • Reliability

• Safety

IOUs have a profit motivation, Munis and Coops do not

Some Munis also are responsible for Police & Fire services

Traditional Tension

Environmental

New Tension New Tension

• Likely legislation on carbon cost• Renewable power standards and energy efficiency requirements

• Growing penetration of distributed generation (especially rooftop PV)

• Emergence of electric vehicles

• Expectation for more efficient operation

• New environmental costs increasing

• Generation costs increasing

• Increasingly stringent reliability metrics

• Integrating distributed and intermittent generation, EVs, microgrids

• Maintaining power grid security

Italics: new challenges

Page 27: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 273/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 27

Financial: First… How Do Utilities Earn Profits?

• Munis and Coops are owned by their customers, so they are not profit‐oriented

IOUs

Munis

Coops

• Generation companies earn profits through selling electricityGeneration companies

• Retail companies (which operate in deregulated markets) earn profits through buying and re‐selling electricity

Retail companies

• However, (T&D) IOUs do NOT earn profits on the electricity they sell• Yes, they do receive revenues for the electricity through the rates that 

consumers pay…• But the regulators set rates so they cover utility costs to purchase and 

deliver that energy• The rates also cover their other costs• Regulators grant the companies a “fair rate of return” on the value of their 

assets, such as the distribution lines, transformers, meters, etc. This return, too, is reflected in the rates that utility customers pay.

Page 28: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 283/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 28

Financial: Many Regulators Set IOU Revenues Based on Cost‐of‐Service

Cost‐of‐Service Calculation

RR = O + T + D + r*(RB)

Integrated utility

Monopoly status and fair rate of return

Payment for service

Guarantee of reliable service at reasonable rates

Customer

Regulator

Obligation to serve

RR = utility’s revenue requirementO = operating costsT = taxesD = depreciation allowancer = fair rate of returnRB = rate base• Generally represents the property and assets 

used to provide utility service• May be based on fair value, prudent 

investment, reproduction cost, original cost

* ROE rules differ by state. Can be based on treasuries/borrowing costs, peer‐group ROEs

Roles

• IOUs make profits based on the rate of return (r) and the rate base (RB), so there is an incentive for IOUs to increase the rate base.

• They don’t make money on the commodity. They just recover their costs for it.

Page 29: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 293/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 29

Financial: What Utilities Show on Your Bill (PG&E Example)

Source: pge.com

Back page of your bill (the fine print)

These per‐kWh rates include amounts for cost recovery and the rate of return

• As you can see, the rate includes many elements (described on the back page of your bill)

• Generation and Distribution make up 81% of this bill• Generation includes fuel and purchased power• Both also include construction, maintenance and 

financing costs

Page 30: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 303/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 30

Financial: There are Several Approaches to Billing for Usage

Time of use (TOU)

Critical Peak Pricing (CPP)

Real‐time Pricing (RTP)

Tiers

Description

• Different rates charged for electricity used at different times during the day: higher rates are charged during times of greater demand

• Allows the utility to better match revenues with their energy procurement costs and encourages consumers to use less during peak demand times

• Utilities project energy demand for the following day and, if demand is expected to be very high as on hot summer days, designate the following day as a “critical peak” day

• Utilities charge higher rates on CPP days and lower rates on non‐CPP 

• Within CPP days, there may be more than one rate in TOU pricing

• Rates are set “real‐time”, so they are more dynamic than TOU

• Based on shorter time intervals, typically minutes, not blocks of hours

• Not yet widely adopted – requires frequent meter reads and either consumer access to price signals or direct utility control of customer loads

• Multiple rates based on consumption

• Baseline: based on average monthly usage for a given customer type 

• Higher rates charge for consumption above the baseline quantity allocated

Consumption

Timing

Demand response (DR) mechanisms

PG&E bill excerpt

Source: pge.com

The purpose is to reduce and shift energy demand during peak times

Page 31: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 313/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 31

Financial/Environmental: Demand Response is Emerging

* Includes Hawaii (not shown on the map)Source:  FERC September 2009; California Flex Your Power

States with established Demand Response Plans (as of Sept‐09)

11states* have established Demand Response programs or plans

In CA, between the 3 IOUs, there are 26 DR programs, but only 3 (1 each) geared to residential customers

Page 32: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 323/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 32

Financial/Environmental: ‘Decoupling’ Profits from Energy Sales to Encourage Efficiency

Source: National Resource Defence Council

• As of the end of 2008, 6 states had adopted electric decoupling

• Expectation is for increased decoupling; 9 states were pending

• Decoupling separates a utility’s revenues from its energy quantity sales to not discourage energy efficiency• Rates (per kWh) for the utility are adjusted up if energy sales quantity goes down (or down if they go up)

Revenue_old = Rate_old * Quantity_old = Rate_new * Quantity_new = Revenue_new

Page 33: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 333/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 33

Environmental targets: Energy Efficiency Targets

Source:  Pew Center

States with EE targets (2009)Summary• The primary purpose of EE is to 

reduce overall demand and secondarily to reduce peak demand

• 22 states have EE targets• Target level, ramp up, elements (e.g., 

demand, peak demand) differ by state

• Typical programs:• Rebates for energy‐efficient 

appliances and lighting• Loans for energy‐efficient 

building• Incentives and penalties also differ 

by state. For example:• CO and MI have incentives to 

exceed targets but no penalties for non‐compliance

• In CT, providers that fail to meet efficiency requirements must pay a per‐kWh charge to the PUC

Page 34: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 343/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 34

Environmental targets: Renewable Portfolio Standards• Summary• A renewable portfolio standard (RPS) 

is a state policy that requires electricity providers to obtain a minimum percentage of their power from renewable energy resources by a certain date

• 24 states and DC have RPS policies in place and 5 others have nonbinding renewable portfolio goals (RPG)

• Standards can differ by type/size of utility in a state

• Incentives and enforcement are managed by individual states

• Relative to the US average of 3% of power from RPS, these targets represent a significant increase

* From ~13% in 2008Source:  US Department of Energy ‐ Energy Efficiency and Renewable Energy, DSIRE and NREL; CA CPUC

States with RPS or RPG (2009)

CA: 33% by 2020*

NY: 24% by 2013

NC12.5% by 2021 (IOUs)10% by 2018 (co‐ops & munis)

OR25% by 2025 (large utilities)5%‐10% by 2025 (smaller utilities)

Page 35: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 353/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 35

Operational: Reliability has a Major Impact on Businesses

• Costs due to interruptions vary widely by business type

• In total (not shown) electrical interruptions cost US businesses more than $100B annually**

* Digital Economy includes companies that rely heavily on data storage, retrieval and processing (e.g., telecom, financial services, research and development); Continuous Process Manufacturing includes companies that continuous feed raw materials, often at high temperatures; Fabrication and Essential Services includes other manufacturing as well as utilities and transportation** Conservative estimate based on CEIDS calculation of $104B‐$164B in 2001. Loss categories include: production, labor, materials, equipment damage, backup, overhead, restart, otherSource: CEIDS (Cost_of_Power_Disturbances_to_Industrial_and_Digital_Technology_Companies.pdf)

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

1 second 3 minutes 1 hour

Average cost per business by interruption durationDollars

020,00040,00060,00080,000

DigitalEconomy

ContinuousProcess Mnfr

Fabrication& EssentialServices

Average annual cost of interruptions by business type*Dollars

• Even momentary interruptions can be costly• Average of $1477 per business for 1 second interruptions

• For continuous manufacturing, average 1 second interruption cost is much higher: $12.6k on average (not shown)

Page 36: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 363/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 36

Operational: Utilities Have Reliability Metrics and Incentives/Penalties for Missing Them

• Benchmark: 56 minutes• Increment: +/‐ 1 minute• Incentive: +/‐$2M (up to $18M)

* Metrics exclude planned outages. Metrics also have a duration threshold (typically 5 minutes), so interruptions shorter than the threshold are not counted in SAIDI, CAIDI or SAIFI.** Targets established in 2004

SAIDI• System Average Interruption Duration Index  • Average total outage time (in minutes) over a year for 

each customer servedCAIDI• Customer Average Interruption Duration Index • Average outage time (in minutes)

Duration‐based

Frequency‐based

Metrics* Example (Southern CA Edison**)

SAIFI• System Average Interruption Frequency Index • Average number of interruptions for each customer 

served

MAIFI• Momentary Average Interruption Frequency Index• Average number of momentary interruptions for each 

customer served• Definition of ‘momentary’ differs by utility (typically 

under 5 minutes)

• Benchmark: 1.07/yr• Increment: +/‐0.01• Incentive: +/‐$1M (up to $18M)

• Benchmark: 1.26• Increment: +/‐0.01• Incentive: +/‐$0.2M (up to $3.6M)• Threshold: 5 minutes

These incentives are an alternative proxy for the value of reliability

Page 37: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 373/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 37

Contents

• Electric utility industry overview• Overview of each value chain step• Factors that motivate electrical utilities• Benefits of Smart Grid for electrical utilities• Appendix

Page 38: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 38

Reliability

Environment

Customer

There are Many Benefits to Smart Grid Solutions…

• Fewer outages• Shorter duration of outages• Better power quality

• More efficient operations and maintenance• Energy/Grid efficiency• Energy conservation• Reduced peak demand

Cost

• Reduced energy demand• Ability to integrate renewables• Enabling EVs

• Consumer empowerment• Improved customer

satisfaction• Lower energy bills

Example Benefits of Smart Grid Solutions

… but benefits can differ between regulated and deregulated markets 

Page 39: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 393/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 39

Let’s Look at 2 Examples – First Demand Response

• DR programs are designed to…– Shift loads from peak to off‐peak times

– Reduce overall energy demand• DR programs use energy rates that are more expensive during times of higher demand

– Time‐of‐use (TOU) billing– Critical peak pricing (CPP)– Real time pricing (RTP)

• The action at the customer can be taken by the customer or by the utility using direct load control

Demand Response (DR) Energy Efficiency (EE)

Page 40: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 403/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 40

Demand Response – Greater Benefits in Regulated Markets

• Peak load reduction

Regulated market

Utility

• Deferred distribution capacity expansion

• Can target DR at specific circuits

• Potentially lower energy bill

UtilityDeregulated market

• Peak load reduction

• Potentially lower energy bill

Retail

No distribution benefits because Utility owns the wires but Retail owns the DR program and customer interface, so the Utility doesn’t have full control

Generation Transmission Distribution Customer

Page 41: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 413/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 41

Now Let’s Look at Energy Efficiency

• DR programs are designed to…– Shift loads from peak to off‐peak times

– Reduce overall energy demand• DR programs use energy rates that are more expensive during times of higher demand

– Time‐of‐use (TOU) billing– Critical peak pricing (CPP)– Real time pricing (RTP)

• The action at the customer can be taken by the customer or by the utility using direct load control

Demand Response (DR) Energy Efficiency (EE)

• EE programs are designed to…• Reduce overall energy demand• And in doing so, reduce peak load

• EE programs incentivize behavior byusing rebates for efficient appliances or lighting as well as loans for energy efficient construction

• Programs are funded through surcharges on customers (included in electricity rates)

Page 42: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 423/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 42

Energy Efficiency – Greater Benefits in Regulated MarketsRegulated market(with decoupling)

Utility

Deregulated market

Utility Retail

Generation Transmission Distribution Customer

• Customer reduces usage

• Utility makes same profit

• Deferred generation

Challenging to implement:Retailers compete with rates. If they sell less energy, they make less money.

Page 43: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 433/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 43

Appendix

• Recommended reading• Electricity fundamentals• Utility 102 starter materials• Other examples

Page 44: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 443/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 44

Recommended Reading• Electric Power System Basics for the 

Nonelectrical Professional– Steven W. Blume– ISBN: 978‐0‐470‐18580‐3– January 2008, Wiley‐IEEE Press

• Understanding Today's Electricity Business– Authors: Bob Shively & John Ferrare– ISBN 0‐9741744‐1‐6– www.enerdynamics.com

• From Edison to Enron: The Business of Power and What It Means for the Future of Electricity 

– Author:  Richard Munson– ISBN: 978‐0313361869

• Electric Power Industry in Nontechnical Language– Author: Denise Warkentin‐Glenn– ISBN‐10: 1593700679 – ISBN‐13: 978‐1593700676

• Electric Power Distribution Reliability• Richard E. Brown

• Distribution System Modeling and Analysis• William H. Kersting

• Business Essentials for Utility Engineers• Richard E. Brown

Page 45: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 453/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 45

Electricity Basics (1/2)

Direct current (DC)

Alternating current (AC)

• Current flows in one direction• Batteries produce direct current

• Current amplitude and direction change over time• The electrical grid and wiring in our homes and businesses use 

AC. Why?...• Energy can be transmitted over long distances with less 

line loss than with DC• AC voltage can be stepped up or stepped down via 

transformers

AC

DC

Page 46: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 463/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 46

Electricity Basics (2/2)

Single phase

Three phase

• Single‐phase electric power refers to the distribution of electric power using a system in which all the voltages of the supply vary in unison

• Used to supply electricity to residential customers and smaller commercial customers• In North America, there are generally 3 wires that come to your house, but they are 

all on the same phase

• Three‐phase electric power systems have three alternating currents (of the same frequency) which reach their peak values at different times

• Delta between peaks is the phase difference• Used to supply electricity to industrial and some commercial customers• Combination of phases has the effects of giving constant power transfer over each 

cycle of the current

Page 47: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 473/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 47

Technical losses in the electrical grid

% loss

Coal: ~65%Gas CCGT: 50%Nuclear: 2%

Substation transformers: 0.7%*

Substation transformers: 0.7%

Primary network:1.0%

Distribution transformers: 2.1%

Customer connection: 0.3%

Meter: 0.3%

Total: ~9% (for Nuclear) to ~70% (for Coal)

* Assumed equal to distribution substation transformer loss** T&D losses are from the Indiana URCSource: Indiana URC 2007; DOI USBR; NEI

Transmission lines: 0.5%

BASED ON INDIANA URC EXAMPLE**

Page 48: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 483/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 48

Power System Devices (1/4)Definition

Generation / power plant

• Generates electricity from a fuel source (potential energy) into electrical energy

• Fuel types include: biomass, coal, natural gas, geothermal, solar, wind• Built to a nameplate capacity rated in MW (MegaWatts)

Trans‐mission line

• Transports electricity at very high voltages (usually 66‐765kV) over long distances

• In the US, transmission is primarily alternating current (A/C), direct current (DC) is used in some areas

Substation • The location where electricity is converted from one voltage to another via large transformers

• Step down substations reduce the voltage (used to send electricity from transmission lines to distribution lines), step up substations increases the voltage

High voltage transformers

• The devices that convert or “transform” the electricity from one voltage to another

• Rated in k/MVA (Volt‐Amperes), which is theoretically the same as watts

Page 49: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 493/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 49

Power System Devices (2/4)Definition

Load tap changer

• Located inside the substations, LTCs are mechanical devices that control and change the voltage being sent down the line, more granularly than the transformer

• Generally, lifetimes of load tap changers are a function of the number of “taps” or actions taken

• Some utilities will use voltage regulators or large capacitor banks to perform the same function

Circuit breaker

• An automatically operated switch that opens the circuit (ie – stops power flow) when it detects an overload or short circuit in order to protect the circuit

Lightning arrestor

• Located in substations, and through the electric grid, lightning arrestors protect the power system from the effects of lightning, which can cause surges on power lines

• Aka – surge arrestor

Voltage regulators

• Device that senses voltage on input side and raises or lowers the voltage on output side to maintain a preset voltage level plus or minus a bandwidth

• Generally in substations, may also be along feeders

Page 50: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 503/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 50

Power System Devices (3/4)Definition

Sectional‐izer

• Protection device that opens a circuit, but does not have the ability to interrupt a line with current on it

• Requires devices on source side to interrupt current and voltage so it can open

• Replaces fuses with the advantage that it can be used multiple times without needing to replace pieces (the fused elements)

Recloser • Protection devices that opens a circuit, but can be programmed to close a pre‐set number of times to allow a line to be re‐energized if the fault is momentary

• Has the ability to interrupt fault current

Load break switches

• Used primary to isolate faults and transfer load between connecting feeders or substations

• Can be opened or closed to transfer sections of load from one feeder to another 

Fuses • Device located in the electric grid, on a single phase, that protects the grid against excessive current, literally melting (thus, fuse) to open the circuit and interrupt power flow

Page 51: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 513/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 51

Power System Devices (4/4)Definition

Capacitor banks

• Devices that offset reactive power on a system, creating the potential to reduce losses due to reactive power

• Rated in kVAR (kilo Volt Ampere Reactive)

Low voltage transformers

• Converts higher distribution voltages (primary side) to lower voltages for use in premises (secondary side), usually 120/240 volts in US

• Most ubiquitous grid device after the meter

Meter • Measures electricity consumed at the premise• More advanced meters also can measure other elements – voltage, 

reactive power, etc… 

Faulted circuit indicators

• Provides visual or audio indication of fault current to identify where a fault has occurred

• Aka – Fault Current Indicators

Page 52: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 52

Peak •Low fixed costs•High variable costs•Quick start capability

Generation: Due to This Variability, A Portfolio of Generation Types is Needed to Efficiently and Effectively Meet Demand

•Combustion turbines•Pumped storage hydro

Load type Generation plant characteristics Typical plant types

Cycling •Lower variable costs relative to peak capacity

•Lower fixed costs relative to base capacity

•Load following capability (i.e., ability to move quickly between varying levels of demand)

•Oil and gas steam plants

Base •High fixed costs•Low variable costs•Reliability

•Coal•Nuclear•Hydro plants•Combined cycles

• Traditionally, utilities have looked at demand as uncontrollable, so they’ve needed various types of supply to meet the demand.

• With renewable energy supplies like solar, utilities face uncontrolled supply, which requires active loads (e.g. electric vehicles and demand response) to balance.

Page 53: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 533/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 53

Transmission: Role of RTOs and ISOs• RTOs (Regional Transmission Organizations)

• Independent, federally regulated entities established to coordinate regional transmission in a non‐discriminatory manner and ensure the safety and reliability of the electric system

• Play a role in coordinating wholesale trading• Usually operate across state borders

• ISOs (Independent System Operators) play a similar role to that of RTOs but each typically operates within a given state

Source: FERC

Page 54: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 543/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 54

Distribution: Network Topology

Substation33kv  12kv

33kv

Feeders (3 phase)

750kv

Large Industrialcustomer

Commercial& Industrial customer

Lateral (single phase)

TransformerTransformer

Home Home Home Home Home

TransformerAll single phase

Transformer

Typically 5 homes served by each of these transformers

Feeder (3 phase)

Feeder (3 phase) S Sectionalizer

RR

Reclosers

Page 55: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 553/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 55

Distribution: Substation MapHV line in (33kV)

EXAMPLE: SIMPLE LAYOUT

Disconnect switch

High‐voltage circuit breaker

Power transformer…

…with voltage regulating load tap changer at output

Breaker 

Feeder breakers

Feeders(11kV) 

HV line in (33kV)

Feeders(11kV) 

Normally open

Normally open

BusBus

Page 56: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 56

Financial: How Utilities Recover Costs (PG&E Example)

Operating & Maintenance costs

Depreciation &Amortization

Other taxes

Return, interest,and taxes

Fuel & Purchased Power

DWRcontractcosts*

PGC charge

FERC/CAISO costs

Cost of ServiceComponent

Source: PG&E GRC filings

Rate component

▪ FERC/CA ISO costs

Rate-setting structure

▪ FERC jurisdictional transmission revenue requirements and CA ISO pass through costs

▪ Public Goods Charge

▪ Recovery of costs related to Energy Efficiency and other public good components (e.g., appliance and CFL rebates, customer care programs)

▪ DWR Revenue Requirement

▪ During the 2000-2001 CA Energy Crisis, the Department of Water Resources procured long term power for the utilities, which is recovered in rates

▪ Energy Related Recovery Account (ERRA)

▪ Filed twice a year, one forecast and one historical for fuel & purchased power costs▪ Has a balancing account mechanism to true-up for fluctuations between forecast

and actual costs▪ If costs are >5% of forecast, automatically triggers the process for a rate increase

▪ General Rate Case (GRC)

▪ Cost of Capital (COC)

▪ Special purpose balancing accounts

▪ Three year cycle, de-coupled from energy sales▪ Covers all Operations & Maintenance and other opex▪ Cost reductions/overruns within 3 year cycle flow to earnings

▪ Filed annually▪ Covers the allowed ROE and capital structure

▪ Created to recover costs of special one-time projects (e.g., AMI)▪ Generally have a fixed cap for expenditures, but under spent

portions are not recovered

• Utility accounting is complex (!)

• Rates are adjusted over time to provide cost recovery – and ensure that cost improvements flow back to rate payers

• Investment cost overruns are borne by the utility

• The combination of low reward for risk leads to risk aversion

Page 57: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 573/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 57

Financial: Measurements used for Billing

Measurement Description

Applicable for

• Based on energy consumed

• Measured in watt‐hours (Wh): a 40 watt light bulb operating for 2 hours will consume 80 Wh

• Usually appears as thousands of watt‐hours (kWh)

• Based on the maximum kilowatts needed at any instant over the course of the billing period

• Measured in watts and expressed at kilowatts (kW)

• The utility needs to have enough capacity available to meet demand, so they levy an additional charge

• Power factor is a ratio between the “real power” available to the customer (W) and the “apparent power” that the utility provides (volts*amps or VA)

• In a perfect world, the W = VA

• They are not the same in the real world because some devices (e.g., motors) create a sort of resistance (called reactance)

• To overcome this reactance, the utility needs to provide more VA for each W. The difference is called volts amps reactive (VAr)

• To pay for this extra generation capacity, utilities charge based on the power factor (W/VA) or the VAr.

Usage

Demand charge

Power factor(or VARs)

Residential and SmallCommercial

Large Commercial and Industrial

Yes Yes

No Yes

No Yes

Source: Detroit Edison Tariff Structure

Example PF penalty

Real power

Reactive power

Page 58: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 583/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 58

Example Electricity Rates: NC IOU Example (Duke Energy)

For environmental compliance, taxes and homeland security

For fuel purchases

For transmission

Source: Duke Energy

Flat rate for distribution

Additional distribution fee

Energy charge

Generation charge

Additional generation charges

Page 59: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 593/28/2012 © 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 59

If you have any questions…Please email or call me:

John ChowdhuryPhone: 214‐213‐6226

[email protected]://www.smarterutility.com.

Upload, embed, and share away!

Hope our Research was Helpful 

Page 60: Electric utility primer   john chowdhury 2012 final

© 2012 Smarterutility.com | Not to be reproduced without permission Page: 60

Utility of the Future series

US Utility Industry and Regulatory Landscape