Isso é difícil de fazer em sed porque falta aritmética. No entanto, existem algumas maneiras de fazer isso com awk :
awk '{ printf "%d, %s\n", (linenum++ % 3) + 1, $0 }' lines.txt
ou
awk '{ print (linenum++ % 3) + 1 ", " $0 }' lines.txt
Em ambos os casos, linenum está sendo usado para contar as linhas, então a operação do módulo é usada para calcular o restante da contagem de linhas dividida por 3. O 1 é adicionado para obter o esquema de numeração que você solicitou.
printf fornece um pouco de "visual" para o programa.
Veja man awk para detalhes e outras opções.