Можно для каждого значения сделать вес, можете сделать так, чтобы сумма все х весов была 100,
но не обязательно — это могут быть произвольные значения. Главное, что доля веса от суммы всех весов — будет вероятностью данного элемента.

Такой способ делает ваши значения управляемыми буквально одним параметром веса.
И не нужно шатать код.

Обновление от 13.06.2020:
Так вышло, что мой тимлид математик и нашел интересное и эффективное решение этой задачи

<?php

$values = [
    ['value' => 'One', 'weight' => 20],
    ['value' => 'Two', 'weight' => 30],
    ['value' => 'Three', 'weight' => 50]
];

function randByWeight(array $arr) {
    $max = 0;
    $result = [];
    foreach($arr as $value) {
        $rand = pow((mt_rand() / (mt_getrandmax() + 1)), 1/$value['weight']);
        if ($rand > $max) {
            $max = $rand;
            $result = $value;
        }
    } 

    return $result;
}

// Например: 'Three' выпадет в 50% случаев, тк его вес -- половина от суммы всех весов
// Например: 'Two' выпадет в 30% случаев, тк его вес -- 30% от суммы всех весов
var_dump(randByWeight($values));

sandbox.onlinephpfunctions.com/code/39de2d54a298de...

Чем хорошо это решение — его можно использовать прямо в SQL запросе!

SELECT * FROM table ORDER BY POWER(random(), 1/weight) DESC LIMIT 1

Классическое решение:

<?php

$values = [
    ['value' => 'One', 'weight' => 20],
    ['value' => 'Two', 'weight' => 30],
    ['value' => 'Three', 'weight' => 50]
];

function randByWeight(array $items) {
    $sum = array_reduce($items, function(int $acc, array $item): int {
        return $acc += $item['weight'];
    }, 0);
    
    $rand = (mt_rand() / (mt_getrandmax() + 1)) * $sum;

    foreach($items as $item) {
        if($rand < $item['weight']) {
            return $item;
        }
        
        $rand -= $item['weight'];
    }
}

// Например: 'Three' выпадет в 50% случаев, тк его вес -- половина от суммы всех весов
// Например: 'Two' выпадет в 30% случаев, тк его вес -- 30% от суммы всех весов
var_dump(randByWeight($values));

sandbox.onlinephpfunctions.com/code/aee9dca651213e...

Имитация вашего объекта:

class Relay
{
    private $privateProperty;

    public function __construct()
    {
        $this->privateProperty = new \stdClass();
    }

    // метод, который работает с приватным свойством
    public function call()
    {
        return $this->privateProperty;
    }
}

Способ 1: Нативный PhpUnit + Reflection API

use PHPUnit\Framework\TestCase;

class RelayTest extends TestCase
{
    public function testCall(): void
    {
        $reflectionClass = new \ReflectionClass(Relay::class);
        $reflectionProperty = $reflectionClass->getProperty('privateProperty');
        $reflectionProperty->setAccessible(true);

        // создаем наш объект БЕЗ конструктора
        $relay = $reflectionClass->newInstanceWithoutConstructor();

        // Меняем свойство и вызываем метод, работающий с этим приватным полем
        $reflectionProperty->setValue($relay, 1111);
        self::assertEquals(1111, $relay->call());

        // Меняем свойство и вызываем метод, работающий с этим приватным полем
        $reflectionProperty->setValue($relay, 'aaaa');
        self::assertEquals('aaaa', $relay->call());
    }
}

Способ 2: Через Codeception Stub

class RelayTest extends TestCase
    public function testCall(): void
    {
        /** @var Example $stub */
        $stub = Stub::make(Relay::class, [
            'privateProperty' => 1111,
        ]);
        self::assertEquals(1111, $stub->call());

        $stub = Stub::make(Relay::class, [
            'privateProperty' => 'aaaa',
        ]);
        self::assertEquals('aaaa', $stub->call());
    }
}

Отступления и полезные советы:

• Почему-то стандартный, давно используемый мною, способ с инъекцией в мок приватного филда не зашел и выдавал null всегда.
  
• Юзайте Inversion of Control Principle, например инъекцию зависимости через конструктор или инъекцию через метод с присвоением в конструкторе NullObject. Оба способа будут хороши для тестирования.
  

Пример на псевдокоде

UserProvider userProvider = new UserProviderAggregate(
     new LoggerUserProviderDecorator(
          new CacheUserProviderDecorator(
              new UserProvider(...)
              new Cache(),
         ),
         new Logger(),
     ),
     new DummyUserProvider()
)

все классы UserProviderAggregate, LoggerUserProviderDecorator, CacheUserProviderDecorator, DummyUserProvider и UserProvider реализуют UserProviderInterface... по сути представляют из себя реализации этой абстракции

Просто каждый передает внутренней зависимости этого же типа (UserProviderInterface) работу внутри своей реализации метода этой абстракции

public function loadUsers(): Collection<User> {
     return new Collection<User>(...);
}

или cache:

public function loadUsers(): Collection<User> {
     if(cache.has('cache_users_key')) {
        return cache.get('cache_users_key');
    }

    Collection<User> users = new Collection<User>(...)

    cache.put('cache_users_key', users)

    return users;
}

или агрегированные:

public function loadUsers(): Collection<User> {
     if(...any condition) {
         return dbUsers.loadUsers();
     }

     if(...any condition) {
         return dummyUsers.loadUsers();
     }

     throw new Exception();
}