Sistem kelistrikan

Sejarah

Pada awalnya, listrik dibangkitkan di dekat alat atau layanan yang membutuhkan. Pada dekade 1880-an, listrik bersaing dengan uap, hidrolik, dan terutama gas batubara. Gas batubara awalnya diproduksi hanya atas permintaan pengguna, namun kemudian berevolusi menjadi pabrik gasifikasi yang diuntungkan berkat ekonomi skala. Di dunia yang terindustrialisasi, kota-kota memiliki jaringan pipa gas, yang digunakan untuk penerangan. Namun lampu gas menghasilkan cahaya yang minim, panas yang terbuang, membuat ruangan panas dan berbau asap, serta menghasilkan hidrogen dan karbon monoksida. Lampu gas juga dapat memicu kebakaran. Pada dekade ini, lampu listrik pun makin unggul dari lampu gas.
Perusahaan penyedia listrik mulai untung dengan ekonomi skala dan mulai beralih ke pembangkitan listrik, distribusi, dan manajemen sistem kelistrikan terpusat. Dengan adanya saluran listrik jarak jauh, gardu listrik pun dapat saling terhubung untuk menyeimbangkan beban dan meningkatkan faktor beban.
Di Britania Raya, Charles Merz, dari Merz & McLellan, membangun Pembangkit Listrik Neptune Bank di dekat Newcastle upon Tyne pada tahun 1901, dan pada tahun 1912 telah berkembang menjadi sistem kelistrikan terintegrasi terbesar di  Eropa. Merz kemudian ditunjuk sebagai ketua pada sebuah komite parlemen dan penemuannya menghasilkan Laporan Williamson pada tahun 1918, dan kemudian menyusun Undang-Undang Pasokan Listrik pada tahun 1919. UU tersebut merupakan langkah pertama menuju sistem kelistrikan terintegrasi. UU Listrik yang kemudian disusun pada tahun 1926 pun menghasilkan pengaturan Sistem Kelistrikan Nasional di Britania Raya. Central Electricity Board kemudian menstandardisasi pasokan listrik nasional dan mendirikan sistem kelistrikan arus bolak-balik tersinkronisasi pertama, berjalan dengan 132 kilovolt dan 50 Hertz. Sistem ini mulai beroperasi di seluruh Britania Raya, dengan nama National Grid, pada tahun 1938.
Di Amerika Serikat pada dekade 1920-an, perusahaan listrik membentuk kerja sama operasi untuk membagi beban dan menyediakan cadangan. Pada tahun 1934, dengan adanya Public Utility Holding Company Act (USA), penyedia listrik diakui sebagai barang publik yang penting dan diberi batasan, aturan, dan pengawasan terhadap operasinya. Energy Policy Act of 1992 kemudian juga mewajibkan pemilik saluran transmisi untuk memperbolehkan perusahaan pembangkit listrik untuk mengakses saluran miliknya dan mengarah pada restrukturisasi mengenai bagaimana industri listrik beroperasi dalam upaya untuk menciptakan persaingan di bidang pembangkitan listrik. Sehingga perusahaan listrik tidak harus dibangun sebagai sebuah monopoli vertikal, di mana pembangkitan, transmisi, dan distribusi listrik ditangani oleh satu perusahaan saja. Kini tiga tahap tersebut dapat dijalankan oleh beberapa perusahaan, dalam upaya menyediakan aksesibilitas yang adil terhadap jaringan transmisi bertegangan tinggi. Energy Policy Act of 2005 memperbolehkan adanya insentif dan jaminan kredit untuk pengembangan energi alternatif dan teknologi inovatif yang dapat mengurangi efek rumah kaca.
Di Prancis, elektrifikasi dimulai pada dekade 1900-an, dengan 700 komune pada tahun 1919, dan 36.528 pada tahun 1938. Pada saat yang sama, jaringan listrik yang berdekatan mulai saling terhubung, Paris pada tahun 1907 pada 12 kV, Pyrénées pada tahun 1923 pada 150 kV, dan akhrinya hampir semua wilayah saling terhubung pada tahun 1938 pada 220 kV. Pada tahun 1946, sistem kelistrikan ini merupakan yang terpadat di dunia. Pada tahun yang sama, pemerintah Prancis menasionalisasi industri listrik dan menggabungkannya dalam Électricité de France. Frekuensi listrik pun distandardisasi pada 50 Hz, dan jaringan 225 kV menggantikan 110 kV dan 120 kV. Pada tahun 1956, tegangan listrik distandardisasi pada 220 / 380 V, menggantikan 127/220 V. Selama dekade 1970-an, jaringan listrik 400 kV, standar Eropa yang baru, mulai diterapkan di Prancis

Tegangan

Sistem kelistrikan dirancang untuk memasok tegangan pada amplitudo konstan. Hal ini harus tetap tercapai walaupun permintaan mengalami variasi, beban reaktif mengalami variasi, dan bahkan beban nonlinear, dengan listrik dibangkitkan, ditransmisikan, dan didistribusikan dengan alat yang tidak dapat diandalkan sepenuhnya. Sistem kelistrikan pun kerap menggunakan tap changer pada trafo di dekat pengguna untuk menyesuaikan tegangan listrik dan menjaganya sesuai dengan standar.

Topologi

Jaringan transmisi adalah sebuah jaringan yang kompleks dan terdiri atas jalur-jalur listrik yang redundan.
Struktur, atau "topologi" dari sebuah sistem kelistrikan dapat sangat bervariasi, tergantung pada anggaran, kebutuhan, beban, dan karakter pembangkit. Tata letak sistem di dunia nyata sering harus menyesuaikan dengan lahan yang tersedia.  Jaringan distribusi dibagi menjadi dua tipe, yakni radial dan jaringan.
Topologi paling sederhana untuk sistem distribusi atau transmisi adalah struktur radial.  Struktur radial berbentuk mirip seperti pohon, dimana listrik dipasok dari pembangkit ke gardu listrik dan kemudian ke pengguna. Namun satu kegagalan pada struktur ini dapat merusak seluruh sistem.
Sebagian besar sistem transmisi menggunakan topologi jala yang lebih kompleks karena lebih handal. Mahalnya topologi ini membuat aplikasinya terbatas hanya pada sistem transmisi dan sistem distribusi tegangan menengah. Redundansi pada struktur ini membuat kegagalan dapat ditangani dengan cara mengalihkan jalur listrik, selagi pekerja memperbaiki kegagalannya.
Topologi lain yang juga digunakan adalah sistem topologi melingkar yang dapat ditemukan di Eropa, dan topologi cincin terikat.
Pada kota-kota di Amerika Utara, sistem kelistrikan cenderung mengikuti struktur radial klasik. Sebuah gardu listrik menerima listrik dari jaringan transmisi, kemudian tegangannya ditutunkan dengan trafo, dan kemudian dikirim ke bus untuk kemudian disalurkan ke pengguna melalui penyulang. Penyulang ini membawa listrik tiga fasa, dan umumnya berada di tepi jalan. Struktur mirip pohon ini berasal dari satu gardu listrik, namun atas alasan kehandalan, biasanya juga terdapat setidaknya satu jalur cadangan ke gardu listrik lain yang terdekat.

Permintaan

Permintaan, atau beban pada sebuah sistem kelistrikan adalah total tenaga listrik yang dipakai oleh pengguna.
Beban listrik dasar adalah beban minimum yang harus ditanggung oleh sistem secara terus-menerus, sementara beban listrik puncak adalah beban maksimum yang harus ditanggung oleh sistem pada jangka waktu tertentu. Dalam sejarahnya, beban dasar umumnya dipasok oleh pembangkit yang murah untuk dijalankan, karena harus berjalan terus-menerus. Sementara beban puncak biasanya dipasok oleh pembangkit listrik pemikul beban puncak yang dapat dinyalakan dan dinonaktifkan dengan cepat, sesuai kebutuhan.

Produksi

Jumlah energi listrik yang diproduksi oleh suatu pembangkit di dalam sistem biasanya diukur dalam gigawatt (GW). Total energi yang diproduksi merupakan bagian yang tidak terpisahkan dari keluaran tenaga listrik, yang diukur dalam gigawatt hour (GWh).

Aturan

Semua peralatan yang terhubung ke sistem wajib mematuhi aturan sistem kelistrikan yang berisi serangkaian spesifikasi teknis yang umumnya dibuat oleh operator jaringan. Aturan ini dibuat untuk menjamin stabilitas sistem, dan terutama untuk mengatur tindakan-tindakan yang harus dilakukan jika terjadi gangguan pada sistem.